现浇板早期湿度场有限元分析

徐静伟

（西京学院工程技术系 陕西 西安 710123）

越来越多的工程实例表明现浇板的早龄期开裂一直是工程存在的普遍现象，许多现浇梁、板在刚拆除模板甚至浇筑后很短时间内就出现了不同程度的裂缝， 成为困扰业主、设计和施工人员的工程问题之一[1]。 与大体积结构不同，现浇板截面厚度较薄，面积较大，混凝土的收缩是引发混凝土现浇板早期开裂的一个重要因素[2]。 目前，混凝土现浇板早期收缩裂缝控制的重点主要集中于干燥收缩问题的研究[3]。 而湿度场的确定是混凝土干缩应力计算的前提和关键，因此在计算干缩应力之前应首先求解湿度场。 本文根据湿度场基本理论，利用ANSYS 建立了三维模型，对混凝土湿度场和湿度变形进行了探讨。

1 早期湿度场计算方法

从理论上讲，混凝土内的水分扩散、湿度变化的规律与混凝土内的温度传播规律有一定的相似性，服从同一数学形式的扩散方程，描述湿度扩散场的数学表达式与温度场基本相似，从而热传导边值问题的解法可以套用到湿度扩散场的求解。 求解湿度场时，可根据相应的理论建立湿度数学模型，引入初边值条件，通过数值计算方法求出混凝土的湿度场随时间的变化。 然后，仿照温度变形与温差之间的关系，可将此中干缩变形换算成当量温差[4]。

2 模型建立

采用ANSYS 软件，建立单个房间的框架结构模型，开间5.4m，进深6.3m，楼层高度3m，板厚120mm，梁截面450mm×800mm，柱截面500mm×500mm。 假定柱体的干燥收缩变形已完成，基本无水分散失，梁板顶部裸露，未采取养护措施，空气平均相对湿度H 取70%。 如前所述，混凝土早期湿度的变化规律同温度有一定的相似性， 故仍选用热分析实体单元SOLID70 来模拟结构早期的湿度变化。ANSYS 中计算现浇楼板早期湿度场的有限元模型与温度场有所不同，为描述湿度场故网格划分较为密集，如图1 所示。

图1 现浇板单元网格划分示意图

3 现浇板早期湿度场计算结果分析

图2 湿度场等值线图

现浇板板面中心处板带截面湿度随龄期的变化过程如图2 所示（图中横坐标表示与板顶面距离，纵坐标为环境相对湿度）。 从中可以看出，总体而言，各特征点的湿度随龄期呈持续减小的趋势。 相比较而言，有模板保护的底面在拆模前湿度几乎无变化， 而与空气层接触的顶面湿度减小较快，浇筑后0.5d 湿度变化6.26%， 从龄期0.5d 到1d 湿度变化3.89%，从龄期1d 到2d 湿度变化4.25%，其后表面湿度随龄期减小；拆模后板底面与空气直接接触，混凝土中的湿度会向周围较干燥的空气中扩散， 湿度变化较明显， 从龄期14d到15d 湿度变化10.1%， 从龄期15d 到21d、21d 到28d 的时间段内，湿度变化分别为10%、2.4%，底面与顶面的湿度变化均表现出随龄期减小的趋势。

从计算结果可以看出，湿度的传导是非常缓慢的，经过10 天后现浇板湿度有10%变化的区域只限于表层2cm，14天后为2.5cm，28 天时为3.5cm。 湿度的变化速率呈现出越往内变化速率越小的趋势。 虽然与温度传导相比，湿度在混凝土内部的传导非常缓慢，但经过一段时间，表面区域湿度场的变化还是比较明显的，即使在14d 时，湿度场在表层仍然形成很大的湿度梯度， 在3cm 的厚度里， 混凝土的湿度由99.28%急剧降到表面的77.54%， 平均每厘米湿度变化约7.2%。 这种内外湿度变化的不均匀性将导致内外变形的不一致，从而形成内部对表面的约束，很容易导致表面拉应力的产生从而引起表面开裂。

4 现浇板早期湿度场分布规律

1）从浇筑开始，总体而言，现浇板相对湿度的变化随龄期呈持续减小的趋势，但湿度的传导是非常缓慢的，相对湿度的变化速率呈现出越往内变化速率越小的趋势。 相比较而言，表面混凝土相对湿度的变化较内部混凝土明显，内部混凝土湿度的传导极为缓慢。

2）与温度传导相比，湿度在现浇板内部的传导非常缓慢，但经过一段时间， 表面区域湿度场的变化还是比较明显的。这种内外湿度变化的不均匀性将导致内外变形的不一致，从而形成内部对表面的约束，很容易导致表面拉应力的产生从而引起表面开裂。

3）有模板保护的底面在拆模前相对湿度几乎无变化，而与空气层接触的顶面相对湿度减小较快，2d～3d 以后，表面相对湿度下降速度比之前缓慢。 拆模后板底面与空气直接接触，混凝土中的湿度会向周围较干燥的空气中扩散，湿度变化较明显，其后表现出随龄期减小的趋势。

5 制定合理的养护措施

加强养护也是预防混凝土出现表面裂缝的一项主要举措，因此在混凝土浇筑完毕后12～18h 内就要开始养护，同时要保证养护时间， 重要部位用草袋和塑料薄膜进行保温保湿；对于表面积较大的板类构件，可以采用蓄水养护；混凝土表面不宜浇水或采用覆盖养护时，宜涂刷养护剂[5]。 冬季施工期间应采取保温蓄热措施。 常温情况下，应严格按规定及时对混凝土浇水养护。 在炎热、干燥气候条件下还应提前养护，防止强风和烈日暴晒。 最好把表面养护与表面保湿结合起来，例如平面覆盖保温被、不吸水的泡沫塑料板等，侧面采用内贴聚苯乙烯泡沫塑料等。

6 结论

混凝土的早期收缩是引发混凝土现浇板早期开裂的一个主要原因， 湿度场的计算是计算干缩应力的前提和关键。本文针对一框架结构单个房间的现浇板建立模型，采用有限元软件ANSYS 对其早期湿度场的发展变化进行了仿真计算，并分析了现浇板早期湿度场的变化规律。 结合计算与分析结果，在现浇板早期裂缝控制工作中必须重视早期的养护工作，对现浇板而言早期湿度的变化应是关注的重点，拆模对现浇板底面相对湿度的影响最为显著，应做好现浇板混凝土的早期养护工作。

［1］徐静伟，隋显智.现浇板早期裂缝成因分析及其防治措施[J].山西建筑，2011（37）：103－104.

［2］陆伟文.超长钢筋混凝土楼板结构温度应力研究[D].广州：广东工业大学，2005.

［3］郝鹏.筋混凝土楼板温度收缩裂缝的控制研究[D].天津：天津大学，2004.

［4］马跃峰.基于水化度的混凝土温度与应力研究[D].南京：河海大学，2006.

［5］李勤山.现浇钢筋混凝土楼板裂缝开裂机理及防止对策[J].煤炭工程，2007（4）：42－44.

［6］王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997：13－273.

［7］周履，陈永春.收缩徐变[M].北京：中国铁道出版社，1994.