大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制設(shè)計(jì)

楊小東 馮亮波

0 引言

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的資料表明，工程結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生原因中，屬于由變形變化(溫度、濕度、地基變形)引起的約占80%以上，屬于荷載引起的約占20%［1］。然而現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中由溫度、收縮等變形引起的裂縫控制，除對(duì)溫度伸縮縫的設(shè)置以及現(xiàn)澆混凝土板的構(gòu)造配筋有明確的要求外［2］，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制設(shè)計(jì)的其他方面尚應(yīng)靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來確定?；诖耍疚木痛篌w積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制設(shè)計(jì)作一些簡(jiǎn)要的探討。

1 大體積混凝土的定義

作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的概念和特征有一個(gè)清楚的理解，以便有針對(duì)性的進(jìn)行裂縫控制設(shè)計(jì)。目前世界各國(guó)對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)有如下的幾種定義:

美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)的定義:“任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達(dá)到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響的，這類結(jié)構(gòu)稱為大體積混凝土”。

日本建筑學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:“結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80 cm以上，同時(shí)水化熱引起混凝土內(nèi)的最高溫度和外界氣溫之差預(yù)計(jì)超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土”。

我國(guó)即將發(fā)布的《大體積混凝土施工技術(shù)規(guī)范》定義為:“混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體最小幾何尺寸大于1 m，體積大于1 000 m3，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中水泥水化熱引起的溫度和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土工程，都稱為大體積混凝土”。

2 裂縫的成因及影響因素

大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生是由多種因素引起的，主要是溫度、干濕、徐變等作用使混凝土產(chǎn)生膨脹或收縮變形，當(dāng)混凝土的變形受到約束，則在混凝土內(nèi)產(chǎn)生了壓應(yīng)力或拉應(yīng)力，若拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土便產(chǎn)生裂縫。影響各類裂縫產(chǎn)生的主要因素如下。

2.1 水泥水化熱的影響

混凝土澆筑初期，水泥水化過程中放出的熱量主要集中在澆筑后的7 d左右，每立方米混凝土將放出17 500 kJ～27 500 kJ的熱量，從而使混凝土的內(nèi)部溫度很快上升。這種現(xiàn)象對(duì)于大體積混凝土來講，更為嚴(yán)重。但由于混凝土表面散熱條件較好，熱量可向大氣中散發(fā)，因而溫度上升較少;而混凝土內(nèi)部由于散熱條件較差，熱量散發(fā)少，而溫度上升較多，這樣就會(huì)形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，面層產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。

2.2 混凝土收縮變形的影響

混凝土在澆筑數(shù)日之后，水泥水化熱基本上已釋放，從最高溫度逐漸降溫，降溫的結(jié)果引起混凝土收縮，再加上由于混凝土中多余水分蒸發(fā)、碳化等引起的體積收縮變形，受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束，不能自由變形，導(dǎo)致產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，形成收縮裂縫。收縮裂縫的種類主要有自身收縮、塑性收縮、碳化收縮、失水收縮。

2.3 內(nèi)外約束的影響

各種混凝土結(jié)構(gòu)在變形變化中，必然受到一定的約束，約束又分為內(nèi)約束和外約束。

外約束一般是指物體之間、構(gòu)件之間以及地下結(jié)構(gòu)與地基之間變形不一致時(shí)相互的牽制作用。如基礎(chǔ)對(duì)柱、柱對(duì)框架梁的約束等。由外部約束引起的裂縫通常是貫穿性裂縫，如果處理不好將影響結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性。

內(nèi)約束則是指物體或構(gòu)件截面各點(diǎn)由于出現(xiàn)不同的溫度產(chǎn)生不同的收縮變形。如大體積混凝土由于水化熱作用在混凝土中產(chǎn)生內(nèi)外溫差，其溫度較低的區(qū)域限制了溫度較高區(qū)域的膨脹變形，從而在溫度較低區(qū)域的混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)引起混凝土開裂。

2.4 外界環(huán)境氣溫變化的影響

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工階段，外界環(huán)境氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高;而如果氣溫驟降，會(huì)極大的增加混凝土外部與內(nèi)部的溫度梯度，從而會(huì)造成過渡的溫度應(yīng)力，易使大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。混凝土的內(nèi)部溫度是由水化熱的絕熱溫升、澆筑溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱溫度等疊加組成的。溫差愈大，溫度應(yīng)力也就愈大。因此，防止混凝土內(nèi)外溫差引起的過大溫度應(yīng)力，對(duì)于防止混凝土裂縫的產(chǎn)生非常重要。

3 大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制設(shè)計(jì)

3.1 確定裂縫的控制等級(jí)

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》將裂縫控制等級(jí)分為三級(jí)。一級(jí)即嚴(yán)格要求構(gòu)件不出現(xiàn)裂縫;二級(jí)即一般要求構(gòu)件不出現(xiàn)裂縫;三級(jí)即允許構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，但最大裂縫寬度不應(yīng)超過規(guī)定的限值。而對(duì)于大多數(shù)工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)，按三級(jí)來控制，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，但裂縫寬度應(yīng)在允許的范圍以內(nèi)，以滿足使用要求。

3.2 裂縫控制設(shè)計(jì)方法的確定

大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制不是單純的結(jié)構(gòu)理論問題，它涉及到設(shè)計(jì)、施工、材料等方面，因此應(yīng)根據(jù)各個(gè)工程的具體情況采取相應(yīng)的裂縫控制方法，目前國(guó)內(nèi)外所采用的方法主要有兩種:

1)以放為主?！胺拧本褪轻尫呕驕p少約束，對(duì)于由外約束引起的應(yīng)力一般采用“放”的方法解決。如設(shè)計(jì)中常采用設(shè)置沉降縫、伸縮縫、后澆帶來釋放變形;通過在基礎(chǔ)底面設(shè)滑動(dòng)層、截面突變處設(shè)減阻層來降低混凝土中的約束應(yīng)力。一般對(duì)于露天結(jié)構(gòu)和主要受外約束的構(gòu)件采用“以放為主”的方法。

2)以抗為主?！翱埂本褪窃趦?yōu)化結(jié)構(gòu)方案、改善結(jié)構(gòu)使用環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化混凝土材料的選擇、增配構(gòu)造鋼筋、摻加纖維材料等措施，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸能力。如采用設(shè)置后澆帶或“跳倉法”施工，在釋放掉早期大量溫差和收縮變形之后，通過混凝土自身強(qiáng)度來抵抗剩余部分溫差和收縮應(yīng)力?！翱埂钡姆椒ㄟm用于結(jié)構(gòu)變形主要受到內(nèi)約束時(shí)的裂縫控制。對(duì)于地下、半地下結(jié)構(gòu)通常采用“以抗為主，先放后抗”的方法。

3.3 溫度應(yīng)力的計(jì)算

對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，溫度作用不產(chǎn)生內(nèi)力，但在構(gòu)件截面上會(huì)產(chǎn)生自成平衡的應(yīng)力，且會(huì)產(chǎn)生較大的位移。對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，溫度作用并不影響結(jié)構(gòu)的安全，在溫度應(yīng)力作用下，混凝土一旦開裂，應(yīng)力便會(huì)自行松弛，但若不采取措施將使裂縫過寬。

混凝土澆筑初期，溫度作用的計(jì)算由施工技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行，可以采用有限元法或簡(jiǎn)化的“雙控計(jì)算”法來計(jì)算出溫度應(yīng)力，判斷是否會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

3.4 混凝土原材料的優(yōu)選

在進(jìn)行裂縫控制時(shí)，也可以從混凝土的組成成分入手，達(dá)到控制裂縫的目的，包括合理選擇水泥的種類、優(yōu)良的骨料級(jí)配和選擇合適的外加劑及其用量。

盡管選擇材料是由施工設(shè)計(jì)來確定的，然而作為一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者也需要掌握其選擇的原則，主要有以下幾個(gè)方面:

1)應(yīng)盡量采用中低熱水泥品種，如礦渣水泥、普通硅酸鹽水泥，確定合理的混凝土配合比，充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，減少水泥用量。

2)適當(dāng)摻用混合材可降低混凝土的絕熱溫升、提高混凝土抗裂能力，如摻合成纖維時(shí)，其體積率一般不大于0.15%。

3)大體積混凝土施工時(shí)宜使用緩凝型高效減水劑，使混凝土具有較高的早期強(qiáng)度，有利于混凝土前期抗裂。

4)大體積混凝土宜優(yōu)先選擇以自然連續(xù)級(jí)配的粗料配制，適當(dāng)選用較大集料粒徑，粒徑不大于40 mm，細(xì)集料采用優(yōu)質(zhì)的中、粗砂為宜，細(xì)度模數(shù)宜在2.6～2.9范圍內(nèi)。

3.5 構(gòu)造方面的設(shè)計(jì)

1)適當(dāng)增配承受因水泥水化熱引起的溫度鋼筋，以構(gòu)造鋼筋來控制裂縫。在相同配筋量的前提下，鋼筋的直徑較細(xì)、間距較密能有效提高混凝土的抗裂。鋼筋直徑8 mm～14 mm和間距100 mm～150 mm是比較合理的。2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)剛度突變、應(yīng)力集中嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)形式，在斷面突變、構(gòu)件開洞等應(yīng)力集中部位，應(yīng)配置抗裂鋼筋并適量增配附加鋼筋。3)大塊式基礎(chǔ)、其他筏式、箱式基礎(chǔ)可采用“后澆帶”或“跳倉法”來控制施工期間的較大溫差及收縮應(yīng)力。后澆帶的位置應(yīng)靠近截面或剛度突變部位，后澆縫寬度不大于10 mm，最大間距不大于40 mm。4)在高低底板交接處、底板地梁處等設(shè)置緩沖層，用聚苯乙烯泡沫塑料作垂直隔離，以緩沖基礎(chǔ)收縮時(shí)的側(cè)向壓力，其厚度為30 mm～50 mm。5)設(shè)置應(yīng)力緩和溝，即在混凝土結(jié)構(gòu)的表面，每隔一定距離(結(jié)構(gòu)厚度的1/5)設(shè)置一條溝。工程應(yīng)用的結(jié)果表明，此種方法可將結(jié)構(gòu)表面的拉應(yīng)力減少20%～50%，能有效地防止結(jié)構(gòu)表面裂縫的產(chǎn)生［3］。

3.6 與施工的密切配合

設(shè)計(jì)人員除作好抗裂設(shè)計(jì)外，還應(yīng)與施工單位密切配合，才能達(dá)到裂縫控制的目標(biāo)。如在設(shè)計(jì)中應(yīng)注明“后澆帶”盡量設(shè)在梁或墻中內(nèi)力較小的位置;跳倉法施工時(shí)，分倉的劃分和寬度應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況、剛度變化情況以及施工條件與施工單位進(jìn)行協(xié)商確定;當(dāng)厚度較大的基礎(chǔ)分層澆筑且停歇時(shí)間較長(zhǎng)以及下層混凝土已凝固再澆上層混凝土?xí)r，宜在新澆混凝土底面配置鋼筋直徑不大于12 mm，間距不大于150 mm的限裂鋼筋網(wǎng)。

4 結(jié)語

根據(jù)我國(guó)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫應(yīng)選擇“抗放兼施”的裂縫控制方法，一方面應(yīng)從控制溫度、改善約束，即從減小溫度應(yīng)力著手;另一方面應(yīng)盡可能提高混凝土自身的抗裂能力，改善混凝土性能。除此之外，設(shè)計(jì)與施工只有密切配合，考慮全面、細(xì)致才能保證裂縫控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

［1］王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］何立民.大體積混凝土裂縫控制研究［D］.大慶:大慶石油學(xué)院工程碩士論文，2008.