基于日照辐射的施工期间混凝土外栏板温度作用效应分析与施工质量控制

时间：2024-07-28

蒋镇繁

（深圳市福田区建设工程质量安全中心，广东深圳 518000）

0 引言

工程结构所受的环境温度作用一般分为两类：一类是环境温度作用对构件截面产生的均匀温度变化作用，在房屋建筑结构设计规范中已有相关成熟的计算方法。另一类是日照辐射作用使结构不同部位受到辐射强度差异产生的温差作用，由于热胀冷缩效应，结构正晒面和背晒面存在变形差异，其温度效应与均匀温度场作用下的温度效应有较大差别，其引起的附加变形和应力会对结构产生不可忽视的影响。

研究表明，在日照不均匀辐射作用下，混凝土结构产生一定的变形和附加应力［1，2］，尤其在结构施工期间，混凝土表面尚未覆盖装饰饰面材料的时期。对于桥梁工程中箱型梁、桥墩、桥塔等使用期间表面外露大体积混凝土结构，日照辐射影响更不容忽视。目前，公路、铁路桥涵相关设计规范明确了日照辐射工况下温度分布的计算方法［3，4］，建筑结构相关设计规范暂未考虑日照辐射对结构产生的不均匀温度作用。

工程施工期间，屋面女儿墙、地下室车库入口栏板、楼层栏板、阳台和窗台墙等外栏板受到日照不均匀辐射，由此产生不均匀变形，从而产生附加应力。此外，由于栏板混凝土施工质量和养护往往不如主体结构，如果栏板顶面混凝土强度达不到设计强度，就容易产生开裂现象。虽然短期不影响结构安全，但施工期间裂缝的长期发展将使栏板内钢筋产生锈蚀膨胀，从而影响栏板的承载力和耐久性。此外，在使用期间裂缝的发展将会破坏抹灰和外装饰材料，对于清水混凝土效果结构影响更为严重。因此，有必要对混凝土外栏板在日照辐射作用下的温度和受力状态进行细致研究。

本文通过对一榀混凝土外栏板的的有限元分析，深入分析了解混凝土外栏板在日照辐射工况下的应力应变状况，对混凝土外栏板的设计、施工、养护具有一定的理论和实践指导意义。

1 日照辐射的基本原理

日照辐射主要分为太阳直接辐射、散射辐射以及反射辐射，其中以太阳直接辐射和经大气层散射后的散射辐射对结构的温度场影响为主［5］。日照辐射作用下，栏板结构与外界换热方式主要包括太阳辐射、对流换热和辐射换热三种，日照辐射条件下混凝土栏板与外部环境热交换如图1 所示［6］。

图1 外栏板受日照辐射示意图

2 日照辐射的温度参数

日照辐射强度受太阳照射角度、日照时长、大气透明度条件等多种因素影响，难以进行精确时程分析。由于混凝土为热惰性材料，日照辐射作用下温度变化相对一般动力荷载较为缓慢，为简化分析，取栏板正晒面受到日照辐射强度最大产生的温差状态为最不利工况，将日照辐射产生的温差等效为静力荷载作用进行计算。综合考虑建筑物地理位置、辐射强度、传热介质性质、外表面参数指标等参数，正晒面温度见式（1）～式（3）。

式中：tz为室外折算综合温度；ξ为结构外表面对太阳辐射热的吸收系数；Jmax为太阳辐射强度峰值；θw，p为出现太阳辐射等效温度峰值时刻的室外气温波动值；Jp为太阳辐射强度昼夜平均值；δ为墙体厚度；aw为结构外表面热转移系数，与夏季室外风速有关；tw，max为室外气温最大值；tw，p为室外气温昼夜平均值，与地区所处位置有关；k为修正系数。

以深圳地区为例，根据文献［1］中表1～7，夏季室外最高气温tw，max= 36.7 ℃，tw，p=29.25 ℃，Jmax=886，Jp= 484，ξ=0.56，δ=0.16 m，aw=24.4，由公式（1）～（3）可计算得栏板正晒面温度：tz=53.4 ℃，n=1，k=0.96，t1=56.2 ℃。

表1 栏板支座约束反力 kN

栏板混凝土表面的总热交换系数如式（4）［7］所示。

式中：v为风速，Δt为表面温度差。考虑到通常最高气温和最大风速不会同时出现，近似取v=2 m/s，Δt=36.2 ℃，根据公式（3）计算得h=16.9335 W/（m·℃）。

3 有限元模型建立

3.1 模型参数

选取一榀施工期间的混凝土外栏板为算例，栏板纵向长度l=4 200 mm，高度h=1 200 mm，厚度b=160 mm，栏板顶面、正晒面、背晒面为自由面，两侧和底端采用固定约束。混凝土保护层厚度为 20 mm，水平和纵向钢筋间距为 200 mm，拉筋水平方向间距600 mm，竖直方向间距 400 mm。水平和竖向面积配筋率ρsh=ρsv=（50.24×2×5）/（1 000×160）=0.314 %。栏板总重力荷载G=20 177 kN。

在日照辐射作用下，根据式（1）～式（3）计算结果，栏板顶面、正晒面温度 56.2 ℃，背晒面温度为 20 ℃。混凝土强度等级为 C30，抗拉强度标准值ftk=2.01N/mm2，弹性模量Ec=3×104N/mm2，泊松比υc=0.2［8］，线膨胀系数αc=1×10-5，热传导系数λc=1.74 W/m·K。钢筋选用 HRB400E，直径d=8 mm，抗拉强度设计值ft=36 0 N/m m2，弹性模量Es=2.0×105N/m m2，泊松比υs=0.25，线膨胀系数αs=1.2×10-5，热传导系数λs=58.2 W/m·K［9］。由于日照辐射温度变化范围较小，分析中取混凝土和钢筋的力学和热工参数为恒定值。

3.2 有限元模型建立

采用通用有限元程序 ABAQUS（Vision2022）建立 2 个分析模型，其中 MODEL1 考虑栏板内钢筋骨架热膨胀变形作用，MODEL2 不考虑钢筋骨架热膨胀作用，将栏板内水平和纵向钢筋以栏板截面面积配筋率折算计入混凝土弹性模量，折算弹性模量为：Ecs=3×104×0.996 86+2×105×0.003 14=30 533.8 N/mm2。混凝土单元类型为三维六面体单元 C3D8T。钢筋单元类型为二维桁架单元 T2D2T。由于热传导分析需要混凝土和钢筋单元共节点，统一设置单元网格尺寸为 20 mm。混凝土与钢筋骨架的接触采用 Embedded Region（嵌入）模式，不考虑钢筋和混凝土之间的相对滑移。其中 MODEL1有限元模型如图2 所示。采用 ABAQUS/Standard 显式分析模块中温度—位移耦合分析模式。

图2 MODEL1 外栏板有限元模型示意图

4 结果分析

4.1 混凝土栏板温度分布

栏板长度方向正中截面（X=2 100 mm）单元节点温度分布如图3 所示。栏板长度方向中截面除顶部和底部外，温度分布较为均匀，在栏板厚度方向中截面温度近似呈直线性分布，栏板高度方向中截面近似呈折线形分布，与文献中［3］的温度分布规律的比较接近。

图3 栏板长度方向中截面温度分布图（单位：℃）

4.2 混凝土栏板变形

受日照辐射强度的不同，混凝土外栏板正晒面的温度显著高于背晒面，栏板整体将呈现向背晒面和顶面方向的弯曲延展变形趋势。其中考虑钢筋热膨胀变形的栏板 MODEL1 变形分布如图4 所示。栏板位移由固定支座端处向顶面中部逐渐增大，背晒面略大于正晒面，在栏板顶面与背晒面交接处正中部出现最大位移，Smax1=1.389 mm。不考虑钢筋热膨胀变形的混凝土栏板 MODEL2 变形分布与 MODEL1 基本相同，最大位移Smax2=1.380 mm。由于钢材的热膨胀系数略大于混凝土，而栏板截面的面积配筋率较小，因此考虑钢筋热膨胀变形 MODEL1 的最大位移Smax1略大于MODEL2的最大位移Smax2。

图4 MODEL1栏板变形分布图（单位：mm）

4.3 混凝土栏板应力分布

栏板的温度不均匀产生的变形将使栏板产生附加应力。由于栏板处于三向应力状态，混凝土为脆性材料，采用最大主应力对比混凝土抗拉强度。MODEL1的最大主应力分布如图5 所示。栏板两端固定约束处局部出现应力集中，应力值超过 C30 的抗拉强度标准值，考虑到由于实际工程中栏板端部、底部约束均为有限刚度，能够适应一定的升温膨胀变形，和分析中假定的理想无限大刚度固定端约束存在一定差距，根据圣维南原理，分析中忽略此最大应力和其对整体结构应力影响。栏板正晒面和背晒面应力大小接近，分布较为均匀，栏板顶面靠背晒面位置处呈现出一条狭长带状区域的高应力区，应力数值明显大于周边区域，应力数值在 1.416～1.995 N/mm2范围，接近 C30 强度等级混凝土抗拉强度标准值ftk=2.01 N/mm2，故栏板顶面存在较大开裂可能性。MODEL2 的应力分布与 MODEL1 相似，由于 MODEL2 整体热膨胀变形略微小于MODEL1，MODEL2 整体应力水平略微小于MODEL1。

图5 MODEL1 混凝土最大主应力分布图（单位：N/mm2）

4.4 支座约束反力作用

日照辐射作用下 MODEL1 栏板的支座节点约束反力分布如图6 所示。由于日照辐射直接作用在栏板表面，栏板侧面和底面支座反力整体分布呈现表面大、中间小，正晒面较背晒面大，栏板顶面处较底面大，靠背晒面一侧处反力最为集中。MODEL1 和 MODEL2 栏板在重力和日照辐射作用下（G+S）和仅在重力荷载作用下（G）的约束反力值如表1 所示。由于 MODEL1 的变形略大于 MODEL2，故 MODEL1 的支座反力略大于MODEL2。栏板侧面支座反力值长度方向最大，厚度方向最小，底面支座反厚度方向较小，长度方向近似为 0。由于力的相互作用，日照辐射产生的温度效应使栏板对约束其侧面和底面变形的构件产生一定的作用力，主要以长度方向的反力为主，且对侧面约束的作用力大于对底面约束的作用力。

图6 栏板支座约束反力分布图

4.5 钢筋骨架温度、应力和变形

日照辐射不直接对混凝土栏板内钢筋骨架产生温度作用效应，栏板表面辐射产生的温度通过混凝土以固体传热方式传导给栏板内钢筋骨架。钢筋骨架温度分布如图7 所示。由于钢筋与混凝土接触传热，钢筋骨架温度分布与栏板截面相应位置基本相符，最高温度为55.3 ℃，出现在栏板正晒面侧面与顶面交接处的纵向钢筋处。

图7 MODEL1钢筋节点温度分布图（单位：℃）

由于钢筋和混凝土的线膨胀系数的不同，且模型不考虑钢筋与混凝土之间的滑移，混凝土与钢筋的变形协调将使得板内钢筋骨架产生膨胀变形和附加应力。栏板内钢筋骨架的变形和应力状况如图8、图9 所示。

图8 MODEL1 钢筋骨架变形分布图（单位：mm）

图9 MODEL1 钢筋骨架 Von Mises 应力分布图（单位：N/mm2）

钢筋骨架最大应力出现在沿栏板正晒面底部，Von Mises 应力为 185.4 N/mm2，其次为正晒面顶面，远小于钢筋的屈服强度fy=360 N/mm2，厚度方向的分布钢筋与拉筋的应力整体较小，近似于 0。因此，日照辐射对钢筋的产生的影响相对混凝土小。钢筋骨架最大位移出现在靠栏板顶面处，最大位移为 1.321 mm，向固定支座处逐渐减小。

5 外栏板施工质量控制

工程施工期间，屋面女儿墙、地下室车库入口栏板、楼层走道外栏板、阳台栏板等混凝土栏板开裂现象时有发生，以栏板顶面最为常见。由于施工期间栏板承受自身重力之外基本不承受其他外力，日照辐射产生的温度效应对其产生的影响不容忽视。为进一步提升混凝土外栏板的施工质量，减少质量通病，应从以下几个方面予以重视。

1）栏板设计应考虑施工期间日照辐射产生的温度作用效应，尤其是大型公共建筑长度和厚度方向尺寸较大的屋面女儿墙、楼层间外栏板以及清水混凝土效果的栏板设计中。建议通过调查了解当地气象条件，确定合理的日照辐射温度作用参数，通过有限元等数值计算方法确定其因日照辐射不均匀产生的变形、应力状况。对于重要性较大的外栏板，适当提高混凝土强度等级。在设计长度较长的外栏板时，可间隔一定距离设置分缝，在装饰阶段采用现浇或砌筑的方式进行合缝处理以减少长度方向的膨胀应力。在设计栏板周边约束作用的墙、柱、楼板等构件和二次结构时，宜考虑栏板变形产生的反力作用。

2）提升外栏板混凝土的浇筑质量。栏板厚度方向尺寸较小，受支模条件和尺寸限制，混凝土难以机械振捣到位，混凝土浇筑面质量相较于梁、板、柱等构件难以有效控制。加之混凝土浇筑后骨料下沉，导致栏板顶面混凝土易产生浮浆层，出现蜂窝、夹渣、露筋等外观缺陷，强度往往达不到设计强度。因此，应严格控制混凝土坍落度，采取手工分层振捣等措施确保混凝土浇筑质量，必要时添加混凝土防裂外加剂产品，提高混凝土抗裂性能。考虑到混凝土骨料下沉，可将混凝土浇灌高度略微大于设计高度，后期凿除墙顶面混凝土浮浆部分。拆模后对已有缺陷及时补浆、打磨修复，对于露筋、空洞等较为严重缺陷采用比原混凝土强度等级高一级的混凝土予以加固补强［10］。

3）加强外栏板混凝土的养护。由于栏板混凝土浇筑完成到外装饰完成需要经历一个完整的主体结构施工周期，外栏板顶面面积小，水分蒸发快，养护水分不易留住，加之施工期间受到日照直射作用产生的升温效应，将进一步加剧栏板顶面表层混凝土的收缩变形作用。因此，应该采取有效措施加强对拆模后栏板混凝土的养护，确保养护时间符合规范要求。采取覆膜、淋水养护等措施，隔离日照辐射作用，保持栏板顶面处于湿润环境，减少外栏板不同外表面的温度差异，减少温度应力作用，同时减少混凝土蒸发失水产生的收缩效应。