超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫分析與控制

劉睿

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

混凝土抗裂性能差，出現(xiàn)裂縫的概率較大。混凝土開(kāi)裂會(huì)導(dǎo)致構(gòu)筑物的耐久性降低、功能失效等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與使用性能。所以從設(shè)計(jì)到施工到養(yǎng)護(hù)都要給予高度重視，把裂縫控制在國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范允許的范圍內(nèi)。潮濕、腐蝕侵蝕、水壓力水位變化等等因素，由于環(huán)境類別較高，對(duì)地下結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，GB50108—20081《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》和GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》嚴(yán)格規(guī)定裂縫寬度不得大于0.2 mm。

1 超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫成因

許多混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同形式的裂縫，這是一個(gè)比較普遍的現(xiàn)象。近代科學(xué)關(guān)于混凝土強(qiáng)度的研究及大量工程實(shí)踐所提供的經(jīng)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)物的裂縫是不可避免的。肉眼可見(jiàn)的裂縫范圍一般為0.05 mm，不小于0.05 mm的裂縫稱為宏觀裂縫，宏觀裂縫是微觀裂縫擴(kuò)展的結(jié)果。一般工業(yè)與民用建筑中寬度小于0.05 mm的裂縫對(duì)使用都無(wú)危險(xiǎn)性，故假定具有小于0.05 mm裂縫的結(jié)構(gòu)為無(wú)縫結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)混凝土裂縫成因主要有以下幾種：1）混凝內(nèi)外溫差過(guò)大時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，也是裂縫產(chǎn)生的主要因素之一。水泥水化是個(gè)放熱過(guò)程，其水化熱為165～250 J/g，隨混凝土水泥用量提高，其絕熱溫升可達(dá)50～80℃?；炷猎跐仓螅捎隗w積大，集聚在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，這樣在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，在外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于此時(shí)混凝土的強(qiáng)度低，有可能產(chǎn)生表面裂縫。在降溫變化時(shí)，混凝土澆筑后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，混凝土從較高溫度逐漸降溫，引起混凝土收縮，同時(shí)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)生開(kāi)裂。2）由荷載作用產(chǎn)生的裂縫。當(dāng)荷載產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力其大于混凝土的極限拉伸值時(shí)，則引起結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。這一類裂縫在設(shè)計(jì)階段均進(jìn)行了核算和控制。3）施工縫，后澆帶，變形縫等設(shè)置不合理，甚至取消設(shè)置，照成結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)，容易引起混凝土開(kāi)裂。4）施工沒(méi)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行計(jì)量配料，混凝土振搗不到位，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不夠等因素。

2 裂縫控制對(duì)策

2.1 設(shè)計(jì)階段控制裂縫

2.1.1 鋼筋的配置

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在溫度應(yīng)力較大處配置一定數(shù)量的溫度構(gòu)造鋼筋；在應(yīng)力復(fù)雜位置，如突出的墻體、突變的墻段、開(kāi)孔洞及埋套管的部位適當(dāng)增加一些構(gòu)造鋼筋，作局部增強(qiáng)處理。另外，對(duì)受力鋼筋進(jìn)行優(yōu)化，遵循“小直徑、小間距”有利抗裂的原則，在通過(guò)鋼筋等強(qiáng)度代換后，建議將水平鋼筋間距控制在100 mm左右，一般不宜超過(guò)150 mm；水平鋼筋常放在豎筋外側(cè)有利于減少墻體豎向裂縫開(kāi)裂。

2.1.2 水泥的選擇

宜選用中、低水化熱、干縮性小的品種，宜選用普通硅酸鹽非早強(qiáng)型水泥或礦渣硅酸鹽水泥，不宜用硅酸鹽（純硅）水泥。在滿足強(qiáng)度、抗?jié)B及和易性要求下，減少單位體積混凝土的水泥用量和用水量?；炷林袚饺敫咝p水劑、緩凝劑等外加劑和適量粉煤灰，改善混凝土的流動(dòng)性、保水性，降低水化熱。

2.2 施工階段控制裂縫

2.2.1 混凝土備料

配制混凝土?xí)r，應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比和水泥用量。控制混凝土的入泵坍落度在140～160 mm范圍內(nèi)，大于160 mm坍落度的混凝土不得超過(guò)10%，嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)加水。因?yàn)榛炷撂涠冗^(guò)大，稍加振搗即出現(xiàn)石子下沉，漿體上浮，容易產(chǎn)生收縮裂縫，同時(shí)由于在混凝土拌合物有多余水量，混凝土硬化后，隨著水分的蒸發(fā)比較容易出現(xiàn)干燥收縮裂縫。

2.2.2 混凝土的澆筑溫度

混凝土的澆筑溫度，是指混凝土從攪拌機(jī)出料后，經(jīng)過(guò)路途運(yùn)輸、泵送澆筑、振搗等工序后的實(shí)際溫度。如果澆筑溫度過(guò)高將會(huì)引起較大的干縮，因此應(yīng)合理組織混凝土的供應(yīng)，降低混凝土的澆筑溫度。在澆筑時(shí)應(yīng)盡量擴(kuò)大澆筑工作面，降低澆筑速度和減小一次澆筑厚度，且在初凝前進(jìn)行第二次振搗，防止混凝土沉落。嚴(yán)格按施工規(guī)范保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間，一般不小于14 d。在冬季施工時(shí)，在混凝土澆筑前，模板外鑲貼聚苯泡沫板，同時(shí)加掛一層阻燃保溫被，在兩模板接縫處再加掛一層保溫被進(jìn)行搭接；混凝土澆筑完畢后在墻體頂部覆蓋保溫被；30 h后拆除模板立即用溫水在混凝土表面噴霧，然后加掛一層較厚的塑料薄膜，塑料薄膜外根據(jù)溫度情況再加掛1～2層阻燃保溫被，保溫被彼此搭接不出縫隙，搭接處用鋼筋綁扎連接，進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù)14 d。

2.2.3 設(shè)置后澆帶、膨脹帶

當(dāng)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫困難時(shí)，可以采用設(shè)置后澆帶的辦法。后澆縫又稱為后澆帶，僅存在于施工期間，間距一般控制在30～40 m，后澆帶應(yīng)貫通頂板、墻板和底板，寬度為700～800 mm。它有效解決設(shè)立永久性伸縮縫帶來(lái)的弊端，且對(duì)結(jié)構(gòu)抗震和防水有利，可釋放部分基礎(chǔ)不均勻沉降引起的應(yīng)力，簡(jiǎn)化了建筑構(gòu)造，便于施工，可節(jié)約一些建筑防水材料，無(wú)伸縮縫結(jié)構(gòu)的漏水處理也比設(shè)伸縮縫漏水處理容易。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)在地下室內(nèi)柱網(wǎng)排列不均勻或建筑平面不規(guī)則，致使部分區(qū)域無(wú)法設(shè)置后澆帶時(shí)，可增設(shè)膨脹加強(qiáng)帶。膨脹加強(qiáng)帶混凝土采用C40的微膨脹混凝土澆筑。

3 溫度作用分析工程實(shí)例

長(zhǎng)?？h城區(qū)應(yīng)急供水工程凈水車間，平面長(zhǎng)79 m，寬41.8 m，地上2層，建筑高度11.35 m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。二層?xùn)|側(cè)12～13軸之間有個(gè)2.35 m高的錯(cuò)層。為滿足水工和工藝流程需要,不能設(shè)置伸縮縫。結(jié)合該工程,從結(jié)構(gòu)布置、溫度作用兩個(gè)方面對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3.1 結(jié)構(gòu)布置

歷年來(lái)對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的研究均強(qiáng)調(diào)合理的結(jié)構(gòu)布置的重要性。此工程利用車間內(nèi)水工構(gòu)筑物，采用周邊樓蓋搭接到池邊的結(jié)構(gòu)布置形式。沿跨度方向布置次梁，并與池邊用30 mm苯板聚硫密封膠填塞，形成一端固定一端交接的受力體系。樓板設(shè)計(jì)成單向板，與次梁整澆，這樣受力方向就降低了溫度應(yīng)力影響，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)“抗”和“放”的設(shè)計(jì)原則。

3.2 溫度作用分析

目前《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，建議采取設(shè)置伸縮縫的辦法來(lái)控制溫度變化的影響。對(duì)無(wú)法設(shè)縫的情況并未給出具體的設(shè)計(jì)方法。此工程結(jié)合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的思路，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析。

梁板式結(jié)構(gòu)如施工期間采取必要的技術(shù)措施時(shí)，可根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》只考慮使用期間的溫度作用。根據(jù)《長(zhǎng)?？h跨海引水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，長(zhǎng)?？h屬北溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。全年無(wú)霜期210～220 d，年平均氣溫9.8℃，最高氣溫33.4℃，最低氣溫-22.5℃。多年平均相對(duì)濕度69%；每年7月份相對(duì)濕度最大，平均達(dá)91%；11月至次年3月相對(duì)濕度在60%左右。

首先，結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用期間所經(jīng)歷的季節(jié)溫度變化可按下式求得：

其中Tpmax=33.4℃，Tpmin=-22.5℃，

再將混凝土收縮等效成收縮當(dāng)量溫差，與最大季節(jié)溫差相疊加,作為最不利溫差施加于結(jié)構(gòu)。對(duì)于此工程：△Ty=εcs（t，ts）/αc，其中 αc：混凝土線膨脹系數(shù)，取 1×10-5。εcs（t，ts）=εcs0βs（t-ts）。

混凝土收縮應(yīng)變的計(jì)算：

混凝土收縮應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖1所示。

收縮當(dāng)量的溫差計(jì)算：

圖1 混凝土收縮應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖

其中：εcs0為名義收縮系數(shù)；t1 取 1 d；h0=150 mm；h 為構(gòu)件理論厚度,h=2A/u=0.02A/u=1.35，其中A為構(gòu)件截面面積，u為構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度；βsc依水泥種類而定的系數(shù),對(duì)一般的硅酸鹽類水泥或快硬水泥為βsc=5；fcm為強(qiáng)度等級(jí)C20～C50混凝土在28 d齡期時(shí)的平均立方體抗壓強(qiáng)度，C30 時(shí) fcm=0.8fcu，k+8 MPa=0.8×30+8=32 MPa；fcm0=10 MPa；ts為收縮開(kāi)始時(shí)的混凝土齡期，可假定為3～7d；RH為環(huán)境年平均相對(duì)濕度，取RH=69%；RH0=100%；βRH為與年平均相對(duì)濕度相關(guān)的系數(shù),適用于40%＜RH＜90%。

對(duì)于此工程，構(gòu)件開(kāi)始受荷時(shí)混凝土齡期t0取為7 d，計(jì)算溫差△T=△Tt+△Ty=55.9+45.8=101.7℃?？捎肕IDAS等軟件通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行溫度計(jì)算，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)直接輸入降溫溫差 101.7×0.35=35.6℃。

3.3 結(jié)論分析

1）底層框架柱受到地基基礎(chǔ)的約束較強(qiáng)，收到到溫度作用產(chǎn)生的抗力也較大，其余層框架柱上下端位移差較小，溫度作用的內(nèi)力也較小?？梢?jiàn)，溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力與構(gòu)件的約束剛度有關(guān)。

2）框架梁溫度內(nèi)力最明顯位置是，縱向變形零點(diǎn)處的框架梁，該處承受溫度作用下的最大軸向拉力。根據(jù)分析結(jié)果，施工時(shí)可在該處設(shè)置后澆帶并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

3）溫度作用在框架的端部較為明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

裂縫控制屬耐久性的重要方面，以前往往被忽視，其中對(duì)裂縫的控制會(huì)影響到工程的后期使用，尤其在水利工程建筑物中，往往都是重要類別的建筑，使用年限也較普通工業(yè)與民用建筑高，這就對(duì)裂縫控制提出了更高的要求。防治大體積混凝土裂縫是一個(gè)綜合的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理以及建設(shè)方共同配合，才能達(dá)到控制裂縫的目的。

［1］GB50108—2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］DLT5057—2009，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)?？h跨海引水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.