超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)分析及工程實(shí)踐

1、超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)分析及工程實(shí)踐摘要：我國(guó)現(xiàn)代建筑正朝著多功能、體型復(fù)雜、尺度不斷增大的方向發(fā)展，超長(zhǎng)建筑物常有出現(xiàn)，為了減少溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。本文筆者結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，通過(guò)溫差應(yīng)力計(jì)算，采用混凝土膨脹加強(qiáng)帶作為控制超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度收縮應(yīng)力，成功地實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)縫設(shè)計(jì)，從而有效解決超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問(wèn)題。關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)；無(wú)縫設(shè)計(jì)；混凝土收縮；溫度應(yīng)力計(jì)算；膨脹加強(qiáng)帶1.前言 隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加快，現(xiàn)代建筑正朝著多功能、體型復(fù)雜、尺度不斷增大的方向發(fā)展，由于功能上的需要，尤其是超長(zhǎng)建筑要求不設(shè)伸縮縫，若按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，必然需要設(shè)置多條甚至數(shù)十

2、條后澆帶或伸縮縫以防止結(jié)構(gòu)收縮開(kāi)裂。如此多的后澆帶或伸縮縫無(wú)疑會(huì)給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很大麻煩，對(duì)鋼筋混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度變形、材料的收縮變形及其效應(yīng)若在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中處理不當(dāng)，將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重者將影響結(jié)構(gòu)的正常使用。因此超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)縫設(shè)計(jì)已成為工程中必須解決的重要課題。 2.無(wú)縫設(shè)計(jì)的技術(shù)原理 混凝土受到各種因素的影響，都會(huì)產(chǎn)生收縮，但在收縮與膨脹的過(guò)程中受到鋼筋和外約束作用，使收縮受到限制，在內(nèi)部產(chǎn)生“內(nèi)聚力”和外界的“限制力”等間接應(yīng)力，造成混凝土開(kāi)裂。無(wú)縫設(shè)計(jì)就是充分利用補(bǔ)償混凝土的化學(xué)補(bǔ)償能力，并將其轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的預(yù)壓應(yīng)力，以抵消混凝土內(nèi)的間接應(yīng)力，從而防止或減少混凝土收縮開(kāi)裂，連續(xù)

3、澆筑大尺度混凝土結(jié)構(gòu)的一種新技術(shù)。 研究表明，在鋼筋和外約束下補(bǔ)償混凝土在硬化過(guò)程中膨脹作功，使鋼筋受拉，而混凝土受壓。當(dāng)鋼筋拉力和混凝土壓力平衡時(shí)則有: (假設(shè)無(wú)相對(duì)滑移)(1) 令 則(2) 其中:混凝土預(yù)壓應(yīng)力(MPa)； Ac混凝土截面積(mm2)； 鋼筋拉應(yīng)力(MPa)； As鋼筋截面積(mm2)； Es鋼筋彈性模量。 公式(2)表明補(bǔ)償收縮混凝土的預(yù)壓應(yīng)力與截面配筋率、鋼筋的彈性模量ES及補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率有關(guān)。限制膨脹率隨膨脹劑摻量增加而增加，所以可以通過(guò)調(diào)整膨脹劑的摻量來(lái)獲得不同的預(yù)壓應(yīng)力。 因此，要有效控制超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，需在一定的間距范圍內(nèi)削弱溫度等間接應(yīng)力的

4、作用。根據(jù)參考文獻(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度大于55m 時(shí)，結(jié)構(gòu)用混凝土就應(yīng)用補(bǔ)償混凝土或在結(jié)構(gòu)間接應(yīng)力較大的位置設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶，由于膨脹帶摻入了大量的膨脹劑，產(chǎn)生較大的膨脹率，而兩側(cè)混凝土膨脹較小，形成中間大兩端小的膨脹補(bǔ)償區(qū)。 3.超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)的技術(shù)措施 超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫降和收縮的產(chǎn)生，溫度收縮應(yīng)力從結(jié)構(gòu)的兩端向中間逐漸增大，結(jié)構(gòu)的中間部位收縮應(yīng)力最大，當(dāng)最大溫度收縮應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就從中部開(kāi)裂，形成貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫，影響結(jié)構(gòu)的抗震性能及防水質(zhì)量。為了既防止超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂，又不顯著增加材料費(fèi)用，除了采用補(bǔ)償混凝土技術(shù)外，還可以在混凝土結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位提高膨脹劑的摻量，

5、形成一個(gè)較兩側(cè)膨脹量更大的混凝土膨脹加強(qiáng)帶。 圖1混凝土膨脹加強(qiáng)帶模型示意圖 從圖1可知，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)使用普通混凝土的溫度收縮曲線(xiàn)為ABCDE，其應(yīng)力從兩端向中部增大到B、D兩點(diǎn)時(shí)，即ftk(混凝土立方體強(qiáng)度抗拉標(biāo)準(zhǔn)值)，開(kāi)始發(fā)生開(kāi)裂，釋放能量；當(dāng)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)采用小摻量膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，能夠抵消部分溫度收縮應(yīng)力，其溫度收縮應(yīng)力曲線(xiàn)為AFGHE，其應(yīng)力仍從兩端向中部隨結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的延伸而增加，達(dá)到F、H兩點(diǎn)時(shí)開(kāi)始開(kāi)裂?？梢?jiàn)，小摻量膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土達(dá)到結(jié)構(gòu)開(kāi)裂時(shí)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較普通混凝土延長(zhǎng)，起到一定的補(bǔ)償作用。當(dāng)大面積采用小摻量膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土、并在適當(dāng)部位F、H處局部加大膨脹劑

6、摻量形成膨脹加強(qiáng)帶時(shí)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加式重復(fù)補(bǔ)償，其溫度收縮應(yīng)力曲線(xiàn)為AIJKE。當(dāng)小摻量補(bǔ)償收縮混凝土的溫度收縮應(yīng)力從兩邊向中間逐漸增長(zhǎng)到F、H處，兩點(diǎn)的拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，如果應(yīng)力繼續(xù)增長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，為避免開(kāi)裂，必須在F、H處設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶，由于在加強(qiáng)帶增大膨脹劑摻量，加強(qiáng)帶部位儲(chǔ)存了較大預(yù)壓應(yīng)力對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使其應(yīng)力分別降低至I、K，溫度收縮應(yīng)力從I、K兩點(diǎn)開(kāi)始重新增長(zhǎng)。區(qū)間I、K應(yīng)力隨長(zhǎng)度增加而增加，到達(dá)中點(diǎn)J處應(yīng)力達(dá)到最大值，此時(shí)tk，這就保證結(jié)構(gòu)不會(huì)開(kāi)裂。 4.工程實(shí)例設(shè)計(jì)分析 本地區(qū)某7層辦公用房，平面尺寸為9022.5m，柱網(wǎng)尺寸為7.5m7.5m，框架

7、柱截面bh=600mm600mm，框架梁截面bh=300mm550mm，層高H = 4.8m， 150mm厚現(xiàn)澆混凝土板，梁板柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，因使用功能和建筑需要，要求采用無(wú)縫設(shè)計(jì)。C30補(bǔ)償混凝土配合比，見(jiàn)表1。 表1 C30補(bǔ)償混凝土配合比() 4.1 設(shè)計(jì)方案 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度達(dá)到90m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范規(guī)定的55m，應(yīng)設(shè)溫度縫或后澆帶，但由于功能和建筑需要，要求采用無(wú)縫設(shè)計(jì)；寬度未超過(guò)規(guī)范規(guī)定長(zhǎng)度。因此在水平構(gòu)件混凝土選擇補(bǔ)償收縮混凝土，并在長(zhǎng)度方向的合適位置設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶。混凝土采用42.5普通硅酸鹽水泥，摻12%UEA，加強(qiáng)帶處摻15%UEA，梁板平均配筋率，澆筑混凝土?xí)r溫度為2

8、0。 4.2溫度計(jì)算 混凝土在澆筑完成后，由于水化熱的作用，在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)較大的溫升過(guò)程， 考慮到超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)肋梁樓蓋厚度較小，但屬薄板結(jié)構(gòu)，溫度散熱較快，混凝土結(jié)構(gòu)單面散熱時(shí)的虛厚度h= 混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算厚度H(m)，雙面散熱按下式計(jì)算: 板: H = h + 2h= 0.15 + 20.802 =1.754m 梁: H = h + 2h= 0.55 + 20.802 = 2.154m 齡期t時(shí)，混凝土中心溫度與外界氣溫之差T(t) : T(t) = Tmax(t)T=25 + (1e0.9t)20= 5+(1e0.9t) 混凝土的表面溫度: 板：梁： 從上述兩式可以看出表面與澆筑溫度基本相同，

9、假設(shè)混凝土構(gòu)件內(nèi)部沿高度呈線(xiàn)性分布，則齡期t 時(shí)，構(gòu)件溫度為: T (T中心+T表面)= 25 + 24.2(1e0.9t) 由混凝土的收縮公式: y(t) = 3.24104 1.211.25(1e0.02t)= 4.9104(1e0.02t) 則收縮溫差當(dāng)量: 由表2 可知，在第30天時(shí)，綜合溫差達(dá)到最大值為15.2。 表2各齡期混凝土構(gòu)件綜合溫差值 4.3 限制膨脹率測(cè)定 筆者曾在該工程開(kāi)工前，會(huì)同施工單位和商品混凝土供應(yīng)商對(duì)膨脹加強(qiáng)帶的作用在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，即采用100 mm100 mm300mm 的限制架，中間三分之一裝入膨脹加強(qiáng)帶混凝土，兩邊各三分之一裝入普通膨脹混凝土，試驗(yàn)結(jié)

10、果如表3所示，從表3可見(jiàn)，普通膨脹混凝土(內(nèi)摻UEA12%)的14d水中限制膨脹率為2.3104，而膨脹加強(qiáng)帶混凝土(內(nèi)摻UEA15%)限制膨脹率為3.6104，明顯高于普通膨脹混凝土。二者復(fù)合后限制膨脹率達(dá)到3.0104，證明膨脹加強(qiáng)帶混凝土對(duì)兩側(cè)混凝土有補(bǔ)償收縮作用，使總體膨脹率由2.3104提高到3.0104，使混凝土溫度收縮應(yīng)力減小，防止超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂。 表3膨脹加強(qiáng)帶混凝土的試驗(yàn)結(jié)果 4.4 應(yīng)力計(jì)算 由公式算距結(jié)構(gòu)中點(diǎn)x=0m，x=20m，x=40m處的應(yīng)力，見(jiàn)表4。 表4早期施工及硬化階段溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表(MPa) 顯然，間接應(yīng)力均未達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土未發(fā)生開(kāi)裂；因此，采用混凝土膨脹加強(qiáng)帶作為控制超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度收縮應(yīng)力，減少或避免混凝土開(kāi)裂是有效的。 5.結(jié)束語(yǔ) 綜上所述，基于筆者大量的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，通過(guò)對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，采用膨脹劑補(bǔ)償混凝土收縮并形成自壓應(yīng)力，以膨脹帶取代后澆帶，并采取有效的配筋構(gòu)造措施，同時(shí)配合以嚴(yán)格的施工技術(shù)管理，成功地實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)縫設(shè)計(jì)，取得了良好社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn):