华中科技大学硕士学位论文某超长预应力混凝土框架结构裂缝成因分析姓名：孟凌申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：张耀庭20080604I摘摘 要要 随着国民建设的发展我国大型公用建筑基于功能和外观上的需要， 建筑师往往希望在建筑设计中不设或者少设伸缩缝， 致使整个结构长100m以上、 平面面积10000m2以上，我们称这类结构为超长框架结构。这类结构在荷载、环境温度变化、基础不均匀沉降等外在变形因素，混凝土收缩等内在变形因素共同作用下常常会出现裂缝。一般来说对于“表面性”裂缝，采用适当的修补和装修措施是可以妥善解决的；而“结构性”裂缝既是一个古老的工程质量难题，又是一个值得深入研究的新问题，有必要对其产生机理、影响因素和数值仿真进行系统研究。 本文的主要研究目的是通过研究北京首都国际机场 2 号航站楼前停车楼主体结构中出现的裂缝问题，参考武汉港湾工程质量检测中心对该停车楼结构裂缝检测报告和安全性评估报告，并利用常用有限元软件对该超长框架结构进行数值模拟，研究该类结构在不同效应共同作用下裂缝产生的机理。 以结构裂缝检测和安全性评估报告为基础对该楼在正常使用期季节温差和混凝土收缩及停车楼地上一层在车辆荷载作用下进行了有限元分析，计算结果表明造成该停车楼裂缝开展的主要原因为季节温差下的温度应力和混凝土的收缩，局部楼层的裂缝开展严重的原因则是设计时选取楼板活荷载设计值与实际受力不符而导致结构构件承载力不足。 关键词关键词:超长框架,裂缝,温度应力,混凝土收缩,有限元分析IIAbstract The ultra-long reinforced concrete frame structure often cracks when it is applied by the external factors of loads, temperature changes, the basis of uneven settlement in the deformation and the internal factor of concrete shrinkage. So it is necessary for us to study the cause and affecting for crack in these structures. In this thesis the cause of crack in a parking floor which is a ultra-long concrete frame structure built in Beijing has been analyzed. And a reference is made to the crack test report and safety evaluation report for this building, then FEM analysis method is used to simulate the load on the structure and its response to discuss the cause of cracks occurred by all loads for this kind of structure. In the FEM analysis seasonal temperature, concrete shrinkage and vehicle load are applied to the FEM. On the basis of the work mentioned above，some crucial conclusions are acquired as follows. The FEM calculating result shows that the stress in seasonal temperature and concrete shrinkage is the primary cause of cracks in this parking floor, while the stress in vehicle loads cause the first floor of this parking floor cracking. It is doubltless that the work done in this paper is beneficial to the application of linear analysis in reinforced concrete frames，and that it has theoretic value to crack control of reinforced concrete super-long frames，and has benefit to enhance controlling level of cracks. Key words: ultra-long frame structure, cracks, temperature stress, concrete shrinkage, FEM analysis 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日11 绪论 1.1 研究的目的和意义 随着国民建设的发展我国大型公用建筑基于功能和外观上的需要， 建筑师往往希望在建筑设计中不设或者少设伸缩缝， 致使整个结构长 100m 以上、 平面面积 10000m2以上者日渐增多，即形成了所谓的超长、超大建筑物，这类结构大部分采用钢筋混凝土结构，它们的尺度已经远远超出我国现行混凝土结构设计规范中规定的伸缩缝间距允许值，出现裂缝的情况更是一个相当普遍的现象。我们称这类结构为“超长无缝结构” ， 而本文主要分析其中最常见的结构形式超长无缝框架结构(简称 “超长框架结构”)。 由荷载，环境温度变化、基础不均匀沉降等外在变形因素，混凝土收缩等内在变形因素共同作用，钢筋混凝土超长框架结构常常会出现裂缝1。有很多的裂缝只是“表面性”的，对工程结构的承载能力或使用功能无任何影响，但有时会损害观瞻，甚至引起人们对工程质量的疑虑些；有裂缝确实具有“结构性”的意义，表明结构的力学性能或使用功能或工程整体性受到某种损害，甚至会给结构造成很大破坏。对于“表面性”裂缝， 采用适当的修补和装修措施是可以妥善解决的； 而“结构性”裂缝既是一个古老的工程质量难题，又是一个值得深入研究的新问题，有必要对其产生机理、影响因素和数值仿真进行系统研究。 对超长结构温度应力进行数值计算可采用有限元方法，不但要计算应力，还要计算应变。目前我国对超长框架结构温度应力的计算分析多建立在线弹性的基础之上，采用假设温度场对二维或者三维有限元模型进行验算。 1.2 超长混凝土结构裂缝研究现状 1.2.1 与裂缝相关的一些概念 1、裂缝的分类 2根据混凝土的裂缝宽度，将它们分成两类： （1）微观裂缝指宽度小于 0.05 mm，肉眼一般看不见的裂缝； （2）宏观裂缝指宽度大于 0.05 mm。 微观裂缝又主要有三种： （1）粘着裂缝是指骨料与水泥石的粘结面上的裂缝，主要沿骨料周围出现； （2）水泥石裂缝是指水泥浆中的裂缝，出现在骨料与骨料之间； （3）骨料裂缝是指骨料本身的裂缝。 在这三种裂缝中，前两种较多，骨料裂缝较少。因此混凝土的微裂缝主要指粘着裂缝和水泥石裂缝。混凝土中微裂缝的存在，对于混凝土的基本物理力学性质有重要影响。由于微裂缝的分布是不规则的，沿截面也是非贯穿的，因此混凝土是可以带这种裂缝承受拉力的。但是在结构应力集中的地方，这些微裂缝也是结构发生的破坏的薄弱环节。一般工业与民用建筑中，宽度小于 0.05 mm 的裂缝对使用（防水、防腐、承重）都无危险性，故假定具有小于 0.05 mm 裂缝的结构为无裂缝结构。 结构构件上的裂缝形状各种各样，但其形状与结构的受力状态是直接相关的。一般裂缝的方向同主拉应力方向垂直，而在结构物的变截面处，剪应力可能同裂缝平行，即为纯剪裂缝。同时一条裂缝的宽度不可能是均匀的，控制裂缝宽度是指较宽区段的平均值。所谓较宽区段是指裂缝长度的 1015范围。这样确定的平均裂缝宽度为该裂缝的最大宽度，以max；同样在裂缝长度的 1015较窄区段内，确定平均宽度为最小裂缝宽度，以min表示；在最大及最小之间有平均裂缝宽度，以f表示，maxmin()/2f=+。在某一构件上的同一受力区存在有最大裂缝宽度（各条裂缝最大宽度的平均值） ，最小裂缝宽度（各条裂缝最小宽度的平均值）及平均裂缝宽度（最大、最小裂缝宽度的平均值） 。 同样的方法可以确定最大、最小及平均裂缝间距，以maxL、minL及L 表示。同时为了描述某一个具体工程的裂缝程度，将裂缝条数除以结构物的长度（条形结构物）或结构物的面积（大面积结构） ，称为裂缝密度，用 e 表示，e=N/M，N 为裂缝条数或裂缝总长度；M 为结构物长度或面积。 32、裂缝产生的主要原因 结构在使用过程中承受两大类荷载，有各种外荷载和变形荷载（温度、收缩、不均匀沉降） ，统称为广义荷载。其中静荷载、动荷载和其它荷载，称为第一类荷载；而变形荷载，称为第二类荷载。裂缝的成因无外乎以下三种3： （1）由外荷载引起的直接应力，即按常规计算的主要应力引起的裂缝； （2）由外荷载作用，结构次应力引起的裂缝。例如超静定预应力结构，在约束作用下形成的结构次应力。 （3）有变形变化引起的裂缝。结构由温度、收缩、膨胀和不均匀沉降等因素而引起的裂缝。其裂缝产生的特点在于结构首先要有变形，当变形得不到满足时才引起内力，并且应力与结构的刚度大小有关，只有当应力超过一定数值时才引起裂缝，裂缝出现后变形得到满足，应力即发生松弛。 国内外的调查资料表明1,2,3，建筑结构中的 80的裂缝都是由于结构变形引起的，如温度变形、混凝土收缩、结构的不均匀沉降等因素，而 20的裂缝才是荷载作用引起的。前述 80的裂缝中包括变形变化与荷载共同作用，但以变形变化为主；而后述 20的裂缝则是以荷载为主所引起的。 3、与裂缝开展有关的混凝土物理力学性质 混凝土和钢筋混凝土的裂缝一般均由拉应力，但即使是轴向受压荷载的结构物，其内部也存在劈拉应力区，容易引起裂缝。所以就材料自身来说，“抗拉强度不足引起开裂”这种说法不够确切。对于变形变化引起的裂缝问题，仅仅看到抗拉强度是不全面的，更重要的是要看到材料的极限拉伸，实际上绝大多数工程的裂缝问题是抗拉强度和极限拉伸的问题。 （1）钢筋混凝土的极限拉伸值 混凝土材料是非均匀的，承受拉力作用时，截面中各质点受力是不均匀的，有大量不规则的应力集中点，这些点由于应力首先达到抗拉强度极限，引起局部塑性变形，若继续受力则在应力集中处出现裂缝，若进行适当配筋，钢筋分担混凝土的内力，推迟混凝土裂缝的出现