現澆板早期濕度場有限元分析

徐靜偉

（西京學院工程技術系 陜西 西安 710123）

越來越多的工程實例表明現澆板的早齡期開裂一直是工程存在的普遍現象，許多現澆梁、板在剛拆除模板甚至澆筑后很短時間內就出現了不同程度的裂縫， 成為困擾業主、設計和施工人員的工程問題之一[1]。 與大體積結構不同，現澆板截面厚度較薄，面積較大，混凝土的收縮是引發混凝土現澆板早期開裂的一個重要因素[2]。 目前，混凝土現澆板早期收縮裂縫控制的重點主要集中于干燥收縮問題的研究[3]。 而濕度場的確定是混凝土干縮應力計算的前提和關鍵，因此在計算干縮應力之前應首先求解濕度場。 本文根據濕度場基本理論，利用ANSYS 建立了三維模型，對混凝土濕度場和濕度變形進行了探討。

1 早期濕度場計算方法

從理論上講，混凝土內的水分擴散、濕度變化的規律與混凝土內的溫度傳播規律有一定的相似性，服從同一數學形式的擴散方程，描述濕度擴散場的數學表達式與溫度場基本相似，從而熱傳導邊值問題的解法可以套用到濕度擴散場的求解。 求解濕度場時，可根據相應的理論建立濕度數學模型，引入初邊值條件，通過數值計算方法求出混凝土的濕度場隨時間的變化。 然后，仿照溫度變形與溫差之間的關系，可將此中干縮變形換算成當量溫差[4]。

2 模型建立

采用ANSYS 軟件，建立單個房間的框架結構模型，開間5.4m，進深6.3m，樓層高度3m，板厚120mm，梁截面450mm×800mm，柱截面500mm×500mm。 假定柱體的干燥收縮變形已完成，基本無水分散失，梁板頂部裸露，未采取養護措施，空氣平均相對濕度H 取70%。 如前所述，混凝土早期濕度的變化規律同溫度有一定的相似性， 故仍選用熱分析實體單元SOLID70 來模擬結構早期的濕度變化。ANSYS 中計算現澆樓板早期濕度場的有限元模型與溫度場有所不同，為描述濕度場故網格劃分較為密集，如圖1 所示。

圖1 現澆板單元網格劃分示意圖

3 現澆板早期濕度場計算結果分析

圖2 濕度場等值線圖

現澆板板面中心處板帶截面濕度隨齡期的變化過程如圖2 所示（圖中橫坐標表示與板頂面距離，縱坐標為環境相對濕度）。 從中可以看出，總體而言，各特征點的濕度隨齡期呈持續減小的趨勢。 相比較而言，有模板保護的底面在拆模前濕度幾乎無變化， 而與空氣層接觸的頂面濕度減小較快，澆筑后0.5d 濕度變化6.26%， 從齡期0.5d 到1d 濕度變化3.89%，從齡期1d 到2d 濕度變化4.25%，其后表面濕度隨齡期減小；拆模后板底面與空氣直接接觸，混凝土中的濕度會向周圍較干燥的空氣中擴散， 濕度變化較明顯， 從齡期14d到15d 濕度變化10.1%， 從齡期15d 到21d、21d 到28d 的時間段內，濕度變化分別為10%、2.4%，底面與頂面的濕度變化均表現出隨齡期減小的趨勢。

從計算結果可以看出，濕度的傳導是非常緩慢的，經過10 天后現澆板濕度有10%變化的區域只限于表層2cm，14天后為2.5cm，28 天時為3.5cm。 濕度的變化速率呈現出越往內變化速率越小的趨勢。 雖然與溫度傳導相比，濕度在混凝土內部的傳導非常緩慢，但經過一段時間，表面區域濕度場的變化還是比較明顯的，即使在14d 時，濕度場在表層仍然形成很大的濕度梯度， 在3cm 的厚度里， 混凝土的濕度由99.28%急劇降到表面的77.54%， 平均每厘米濕度變化約7.2%。 這種內外濕度變化的不均勻性將導致內外變形的不一致，從而形成內部對表面的約束，很容易導致表面拉應力的產生從而引起表面開裂。

4 現澆板早期濕度場分布規律

1）從澆筑開始，總體而言，現澆板相對濕度的變化隨齡期呈持續減小的趨勢，但濕度的傳導是非常緩慢的，相對濕度的變化速率呈現出越往內變化速率越小的趨勢。 相比較而言，表面混凝土相對濕度的變化較內部混凝土明顯，內部混凝土濕度的傳導極為緩慢。

2）與溫度傳導相比，濕度在現澆板內部的傳導非常緩慢，但經過一段時間， 表面區域濕度場的變化還是比較明顯的。這種內外濕度變化的不均勻性將導致內外變形的不一致，從而形成內部對表面的約束，很容易導致表面拉應力的產生從而引起表面開裂。

3）有模板保護的底面在拆模前相對濕度幾乎無變化，而與空氣層接觸的頂面相對濕度減小較快，2d～3d 以后，表面相對濕度下降速度比之前緩慢。 拆模后板底面與空氣直接接觸，混凝土中的濕度會向周圍較干燥的空氣中擴散，濕度變化較明顯，其后表現出隨齡期減小的趨勢。

5 制定合理的養護措施

加強養護也是預防混凝土出現表面裂縫的一項主要舉措，因此在混凝土澆筑完畢后12～18h 內就要開始養護，同時要保證養護時間， 重要部位用草袋和塑料薄膜進行保溫保濕；對于表面積較大的板類構件，可以采用蓄水養護；混凝土表面不宜澆水或采用覆蓋養護時，宜涂刷養護劑[5]。 冬季施工期間應采取保溫蓄熱措施。 常溫情況下，應嚴格按規定及時對混凝土澆水養護。 在炎熱、干燥氣候條件下還應提前養護，防止強風和烈日暴曬。 最好把表面養護與表面保濕結合起來，例如平面覆蓋保溫被、不吸水的泡沫塑料板等，側面采用內貼聚苯乙烯泡沫塑料等。

6 結論

混凝土的早期收縮是引發混凝土現澆板早期開裂的一個主要原因， 濕度場的計算是計算干縮應力的前提和關鍵。本文針對一框架結構單個房間的現澆板建立模型，采用有限元軟件ANSYS 對其早期濕度場的發展變化進行了仿真計算，并分析了現澆板早期濕度場的變化規律。 結合計算與分析結果，在現澆板早期裂縫控制工作中必須重視早期的養護工作，對現澆板而言早期濕度的變化應是關注的重點，拆模對現澆板底面相對濕度的影響最為顯著，應做好現澆板混凝土的早期養護工作。

［1］徐靜偉，隋顯智.現澆板早期裂縫成因分析及其防治措施[J].山西建筑，2011（37）：103－104.

［2］陸偉文.超長鋼筋混凝土樓板結構溫度應力研究[D].廣州：廣東工業大學，2005.

［3］郝鵬.筋混凝土樓板溫度收縮裂縫的控制研究[D].天津：天津大學，2004.

［4］馬躍峰.基于水化度的混凝土溫度與應力研究[D].南京：河海大學，2006.

［5］李勤山.現澆鋼筋混凝土樓板裂縫開裂機理及防止對策[J].煤炭工程，2007（4）：42－44.

［6］王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997：13－273.

［7］周履，陳永春.收縮徐變[M].北京：中國鐵道出版社，1994.