超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與裂縫控制探討

引言實際工程中，特別是大型公共建筑，由于建筑功能、建筑防水以及外觀造型的需求，往往要求建筑平面采用無縫設(shè)計，造成建筑平面長度較長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求的伸縮縫最大間距，對混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制提出了更高的要求。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的理論依據(jù)以及工程實踐，采取對應(yīng)的設(shè)計及施工措施，可以有效的控制超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的開展。1超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因超長混凝土結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)長度大，混凝土強度高、荷載差異性大、應(yīng)力分布復(fù)雜，容易受地基變形、溫度作用、外部荷載等影響產(chǎn)生各類裂縫。超長混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫包括微觀裂縫和宏觀裂縫。微觀裂縫寬度小，分布無規(guī)律且不貫通，由混凝土材料特性決定，對混凝土結(jié)構(gòu)強度及耐久性影響??；宏觀裂縫寬度較大，一般大于0.05mm，由外力荷載、次應(yīng)力、基礎(chǔ)變形、溫差變化等原因產(chǎn)生。超長混凝土結(jié)構(gòu)在工程實踐中的裂縫產(chǎn)生原因包括以下幾個方面：1.1混凝土收縮引起的裂縫混凝土的收縮裂縫產(chǎn)生于混凝土硬化干縮階段，混凝土的收縮變形受制于各類構(gòu)件及鋼筋約束，混凝土因收縮受制于約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，當(dāng)此拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度，或拉應(yīng)變超過混凝土的極限拉應(yīng)變時，混凝土結(jié)構(gòu)將開裂以釋放部分約束?；炷潦湛s裂縫屬于混凝土混合材料的固有特性，其影響的因素較多，包括水泥品種及混凝土配合比、混凝土施工質(zhì)量，養(yǎng)護(hù)環(huán)境及方法、混凝土添加劑以及結(jié)構(gòu)長度等。1.2混凝土構(gòu)件受荷裂縫混凝土構(gòu)件在承受外力荷載以及次應(yīng)力作用時，產(chǎn)生一定的變形，當(dāng)拉應(yīng)變大于混凝土的極限拉應(yīng)變時，混凝土表面產(chǎn)生一定的受荷裂縫。根據(jù)工程經(jīng)驗，裂縫寬度控制在一定范圍（0.1～0.3mm），混凝土構(gòu)件的承載力及耐久性可以滿足使用需求?；炷翗?gòu)件受荷裂縫的影響因素包括以下方面：構(gòu)件受力特征及配筋率、荷載類型、鋼筋類型及應(yīng)力、鋼筋直徑及保護(hù)層厚度等。1.3溫度作用產(chǎn)生的裂縫混凝土構(gòu)件受降溫影響時，會導(dǎo)致混凝土構(gòu)件溫度下降而產(chǎn)生收縮，當(dāng)混凝土構(gòu)件收到其他構(gòu)件及鋼筋約束變形時，混凝土便產(chǎn)生溫度作用拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度時，產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫的產(chǎn)生與以下因素相關(guān)：混凝土結(jié)構(gòu)長度、體積以及約束情況，混凝土強度，構(gòu)件配筋情況，溫度作用類型。2裂縫控制原則超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制主要采用“抗放結(jié)合、以抗為主、兼顧材料改良”的裂縫控制原則?！胺拧敝饕侵羔尫呕驕p少混凝土結(jié)構(gòu)的約束，減少因混凝土收縮在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，例如設(shè)置伸縮縫、后澆帶、滑動支座，采用跳倉法、膨脹加強帶的做法。“抗”主要指加強結(jié)構(gòu)剛度、強度以及施加預(yù)應(yīng)力等措施，減小混凝土構(gòu)件的拉應(yīng)力，以控制裂縫寬度。“材料改良”指的是通過改良混凝土的材料及配合比，摻加相應(yīng)的添加劑，減少混凝土在硬化階段的收縮產(chǎn)生的裂縫并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力以減小降溫產(chǎn)生的溫度壓應(yīng)力。工程實踐中，往往采用多種結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工措施相結(jié)合，抑制超長混凝土結(jié)構(gòu)因各種因素產(chǎn)生的裂縫。3超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制與工程實踐根據(jù)裂縫控制的基本原則，下面通過結(jié)合項目實例探討超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的具體措施。3.1設(shè)置伸縮縫、雙柱變形縫、誘導(dǎo)溝通過設(shè)置伸縮縫、雙柱變形縫、誘導(dǎo)溝釋放和減少混凝土構(gòu)件的約束，是裂縫控制最簡單有效的方法，但需與建筑及設(shè)備專業(yè)協(xié)商，確定最優(yōu)的設(shè)置方案。例如廣州某機場航站樓項目，首層樓面采用無縫設(shè)計，平面尺寸達(dá)到550m×320m，結(jié)構(gòu)設(shè)計在改良混凝土配合比及摻加相應(yīng)添加劑的前提下，每80m設(shè)置一道貫穿地下室的誘導(dǎo)溝，誘導(dǎo)溝中間設(shè)置一道施工后澆帶，誘導(dǎo)溝之間采用預(yù)應(yīng)力控制溫度應(yīng)力，保證混凝土樓板不產(chǎn)生溫度裂縫，即使產(chǎn)生裂縫也集中于樓板薄弱區(qū)域（即誘導(dǎo)溝位置），降低后期檢修維護(hù)的難度。柳州市某城中村改造項目，地下室頂板結(jié)構(gòu)尺寸為350m×220m，保障用房項目，地下車位較為富余而造價控制較嚴(yán)格，局部犧牲車位數(shù)量采用雙柱變形縫，每隔約60～80m設(shè)置雙柱變形縫，兩縫之間設(shè)置施工后澆帶，減少使用價格較高的混凝土添加劑，裂縫控制效果及經(jīng)濟(jì)效益明顯。當(dāng)建筑功能需求不能設(shè)置誘導(dǎo)溝及雙柱變形縫時，且難于采用其他結(jié)果措施控制裂縫時，可以嘗試設(shè)置窄縫來減少混凝土結(jié)構(gòu)長度。深圳某機場衛(wèi)星廳項目，地下室弧形側(cè)壁長度超長較多，若施加預(yù)應(yīng)力將引起較大的次應(yīng)力，采用變形縫處理，縫寬30mm，封內(nèi)設(shè)置止水鋼板及填充柔性防水材料，側(cè)壁內(nèi)外加強防水措施，形成多道防水，在滿足建筑防水的前提下，滿足地下室側(cè)壁的裂縫控制需求。3.2設(shè)置后澆帶、膨脹加強帶及加強施工養(yǎng)護(hù)措施采用設(shè)置后澆帶、膨脹加強帶以及加強養(yǎng)護(hù)等施工措施，減少混凝土在水化硬化階段的收縮，可以控制收縮裂縫的開展。后澆帶可減少混凝土施工階段的澆筑長度，通過分階段澆筑混凝土，分段硬化，減少混凝土硬化階段的收縮裂縫。根據(jù)規(guī)范要求，混凝土結(jié)構(gòu)長度超出伸縮縫最大間距時，需要每30～40m設(shè)置施工后澆帶。考慮到經(jīng)濟(jì)效益，大部分的超長混凝土結(jié)構(gòu)采用設(shè)置施工后澆帶來解決施工階段的的收縮變形。需要注意的是后澆帶不能減少使用階段溫度作用產(chǎn)生的收縮裂縫，在不能控制后澆帶的施工質(zhì)量時，后澆帶新舊混凝土交界面可能成為開裂滲水的隱患。故后澆帶需要采用高一強度等級的微膨脹混凝土進(jìn)行封閉，適當(dāng)加強后澆帶鋼筋設(shè)置，封閉前需要鑿毛舊混凝土浮漿并清理干凈，澆筑時溫度宜低于主體混凝土的澆筑溫度，以減少后澆帶封閉后的溫度變化，從而降低后澆帶處溫度應(yīng)力，減少裂縫。采用膨脹加強帶是通過在結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)的后澆帶部位澆筑補償收縮混凝土，減少或取消后澆帶和伸縮縫、延長構(gòu)件連續(xù)澆筑的長度的一種技術(shù)措施，對于工期控制產(chǎn)生有利影響。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，膨脹加強帶對于建筑沉降差的控制上存在缺陷，并且對施工質(zhì)量的要求較高，無法完全代替后澆帶。3.3改良混凝土材料及配合比、參加混凝土添加劑通過采用科學(xué)改良混凝土材料及配合比、摻加混凝土添加劑，減小施工階段的收縮拉應(yīng)力，甚至產(chǎn)生膨脹壓應(yīng)力。眾所周知，混凝土抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強度，壓應(yīng)力的產(chǎn)生有利于抑制混凝土裂縫的開展。超長結(jié)構(gòu)混凝土材料，通過控制混凝土的水泥品種、坍落度、水灰比、砂率，摻加粉煤灰、礦渣粉等材料，可以顯著減少混凝土施工階段的收縮及裂縫開展。采用補償收縮混凝土技術(shù)，即在普通混凝土中添加一定比例的微膨脹劑，以鈣礬石（或氫氧化鈣）作為膨脹源，混凝土在水化過程中產(chǎn)生適量膨脹，在鋼筋和鄰位限制下，在鋼筋混凝土中建立起一定的拉應(yīng)力（0.2～1.0MPa，相應(yīng)的限值膨脹率約為0.015～0.060%），這一自應(yīng)力能大致抵消混凝土在收縮時產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而防止或減少混凝土構(gòu)件的裂縫產(chǎn)生，試驗研究和工程實踐表明，補償收縮混凝土對施工不當(dāng)產(chǎn)生的微小裂縫（即使是滲水裂縫）具有一定的自愈合能力。補償收縮混凝土自應(yīng)力σ=ε×E×μ（σ為自應(yīng)力值；E為限制鋼筋的彈性模量；μ為構(gòu)件配筋率），對于鋼筋混凝土構(gòu)件，在一定范圍內(nèi)，配筋率與自應(yīng)力值成正比關(guān)系；配筋率一定時，限制膨脹率高，自應(yīng)力值大。由于一般膨脹混凝土自應(yīng)力較小（0.2～0.7MPa），故在結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般不考慮自應(yīng)力的影響。需要注意的是，鈣礬石在80℃以上可能分解，膨脹源為鈣礬石的補償混凝土使用環(huán)境應(yīng)低于80℃。表1超長結(jié)構(gòu)混凝土摻加膨脹劑要求。

采用補償混凝土技術(shù)，可以適當(dāng)減少施工后澆帶的封閉時間，有利于壓縮施工工期。3.4施加預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，可以減小混凝土構(gòu)件因溫度變化和混凝土的收縮而在混凝土中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，當(dāng)σcl－σpc≤ftk（σcl為溫度作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力，σpc為預(yù)應(yīng)力的壓應(yīng)力，ftk為混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值）時，便可控制混凝土的開裂。施加預(yù)應(yīng)力可根據(jù)工程特點，可選擇雙向布置或單向布置預(yù)應(yīng)力筋，可考慮不同結(jié)構(gòu)部位的特點選擇是否施工預(yù)應(yīng)力。例如某機場項目，在狹長的指廊結(jié)構(gòu)中，僅沿縱向長度設(shè)置預(yù)應(yīng)力，在主樓部分，由于長寬長度均超長，兩個方向均設(shè)置預(yù)應(yīng)力。部分地下室超長側(cè)壁為弧形側(cè)壁，施加預(yù)應(yīng)力會