鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)中的裂縫控制

夏立立

摘要：在給排水及環(huán)境工程等建設(shè)項(xiàng)目中，鋼筋混凝土水池成為設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。考慮到水池的抗?jié)B防裂性能對其正常使用及運(yùn)轉(zhuǎn)有著至關(guān)重要的作用，水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須重視裂縫的控制。文章對鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)中的裂縫控制進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；水池設(shè)計(jì)；裂縫控制

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下出現(xiàn)裂縫是一種普遍存在的現(xiàn)象，如混凝土因荷載作用下的拉應(yīng)力、或是溫度收縮引起的拉應(yīng)力等而出現(xiàn)的裂縫等。一般而言，在普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中要求完全避免出現(xiàn)裂縫，是不現(xiàn)實(shí)也是完全沒有必要的。為了在水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中做好裂縫控制工作，有必要先對水池中易發(fā)生破壞性裂縫的各種情況作一了解。

一、水池裂縫的成因

1、荷載作用造成的裂縫

當(dāng)結(jié)構(gòu)在外部荷載（各種恒、活載；水、土壓力；地基反力等）作用下，因受力性能不足，產(chǎn)生了過大變形，使裂縫發(fā)生并發(fā)展為破壞性裂縫。這種由荷載作用造成的裂縫的產(chǎn)生，主要是由于設(shè)計(jì)時(shí)采用的基礎(chǔ)資料有誤或是設(shè)計(jì)中考慮不周、計(jì)算疏忽等失誤造成。

2、混凝土收縮造成裂縫

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到支座或原有混凝土的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。因此，水池結(jié)構(gòu)中的混凝土早期收縮裂縫主要出現(xiàn)在裸露表面，混凝土硬化后的收縮裂縫出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)件的中部附近較多。

3、溫度變化引起的裂縫

氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力，有時(shí)溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(yīng)力，當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時(shí)即會出現(xiàn)裂縫。這種裂縫一般只在混凝土表面較淺的范圍內(nèi)產(chǎn)生。

4、由于材料質(zhì)量造成的裂縫

混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)脆性材料。要避免水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性裂縫，混凝土用料是否適當(dāng)及材料質(zhì)量能否保證，起著重要的作用。

二、水池設(shè)計(jì)中的裂縫控制

鋼筋混凝土水池在非荷載下的裂縫與設(shè)計(jì)、原材料、施工等幾方面息息相關(guān)，影響因素多而復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)考慮施工措施，并和施工單位密切配合，通過對設(shè)計(jì)過程和施工過程的雙重控制，對水池的裂縫控制一定可以取得令人滿意的效果。

1、荷載作用裂縫的控制

荷載作用裂縫的控制，即在水池設(shè)計(jì)過程中對水池各部位可能產(chǎn)生最大拉應(yīng)力截面的裂縫進(jìn)行計(jì)算分析和驗(yàn)算，使之滿足裂縫寬度限值。完整、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料是避免荷載作用裂縫的重要保障。如地下水位、土層情況均會影響水池的設(shè)計(jì)水土壓力；基礎(chǔ)持力層特性直接影響池體沉降以及變形情況等等。在存在完整、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上，合理的計(jì)算模型和合理的荷載組合是確保計(jì)算結(jié)果與水池的實(shí)際受力狀態(tài)一致的重要保障。在水池的設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意以下問題：（1）合理的地基假定。基礎(chǔ)梁和板計(jì)算過程中應(yīng)選擇合理的地基假定，目前常用的計(jì)算水池地基反力的假定有地基反力直線分布假定、文克爾假定、半無限彈性體假定，但三者的計(jì)算結(jié)果誤差較大。為此，在選擇假定時(shí)應(yīng)綜合考慮假定的適用條件以及水池實(shí)際受力情況。（2）合理的支座假定。水池各板連接部位的支承條件決定了各構(gòu)件的支座假定，合理的支座假定才能保證計(jì)算結(jié)果的正確。（3）正確的最不利工況組合。在進(jìn)行荷載組合時(shí)對施工、試水、檢修階段的荷載較容易疏漏。（4）極端溫差出現(xiàn)的部位及取值是否有誤等。具體設(shè)計(jì)過程如下：（1）結(jié)構(gòu)方案的初步確定；（2）對初定結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行初步的計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果對初定結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行調(diào)整，盡量使水池結(jié)構(gòu)體系合理、結(jié)構(gòu)受力明確、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠；（3）對調(diào)整后的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)計(jì)算分析，確定最不利工況下各控制斷面的內(nèi)力設(shè)計(jì)控制值；（4）進(jìn)行截面配筋設(shè)計(jì)，同時(shí)還有確定需要進(jìn)行裂縫控制設(shè)計(jì)的構(gòu)件；（5）根據(jù)構(gòu)件受力性質(zhì)進(jìn)行抗裂度驗(yàn)算或?qū)α芽p開展寬度驗(yàn)算。裂縫的控制可以通過調(diào)整配筋率、鋼筋規(guī)格、混凝土標(biāo)號、構(gòu)件截面尺寸來實(shí)現(xiàn)。

2、混凝土收縮和溫差造成裂縫的控制

控制這類裂縫首先水池結(jié)構(gòu)所使用的混凝土配合比、用料的規(guī)格和級配應(yīng)滿足規(guī)范要求，同時(shí)混凝土灌筑和養(yǎng)護(hù)除應(yīng)滿足規(guī)范要求外還應(yīng)提出符合實(shí)際情況的設(shè)計(jì)要求。對于大型水池則可設(shè)置伸縮縫、摻添加劑和設(shè)加強(qiáng)帶、后澆帶等措施對裂縫進(jìn)行控制。此類裂縫的控制首先應(yīng)根據(jù)規(guī)范規(guī)定，嚴(yán)格掌握混凝土配比及其用料的品種規(guī)格和級配，同時(shí)，對混凝土灌筑和養(yǎng)護(hù)提出設(shè)計(jì)要求。另外，對大型水池可采取設(shè)伸縮縫、摻添加劑和設(shè)加強(qiáng)帶、后澆帶等措施。下面著重討論大型水池的裂縫控制。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，現(xiàn)澆鋼筋混凝土水池在基底為土基時(shí)，應(yīng)每隔20m（地面式）或30m（地下式或有保溫措施）設(shè)一道伸縮縫，當(dāng)為巖基時(shí)減為15m和20m，當(dāng)為裝配整體式時(shí)可加長5～10m。按此構(gòu)造，一般能解除中面季節(jié)溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力并消減混凝土收縮的影響。由于變形縫的設(shè)置需要采取嚴(yán)密的構(gòu)造措施來保證，對節(jié)點(diǎn)處理、施工及材料等都有相當(dāng)高的要求，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的問題，都會造成較嚴(yán)重的后果。規(guī)范規(guī)定，當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可在混凝土中施加可靠的外加劑或設(shè)后澆帶，減少其收縮變形，從而放寬伸縮縫的最大間距限制。在一些大型水池的設(shè)計(jì)中，已開始越來越多地采用摻加添加劑、增設(shè)加強(qiáng)帶、后澆帶的方法，以減少或取消伸縮縫。摻加添加劑主要是為了增強(qiáng)混凝土的均勻密實(shí)性能并消減混凝土自身結(jié)硬過程中的收縮變形。

3、材料質(zhì)量和構(gòu)造不良造成裂縫的控制

在《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中，對水池結(jié)構(gòu)所使用的混凝土強(qiáng)度、混凝土的抗?jié)B等級、混凝土的抗凍等級、混凝土的水灰比、混凝土的堿含量、混凝土熱工系數(shù)等作了相應(yīng)的規(guī)定，在水池的設(shè)計(jì)過程中除應(yīng)遵守規(guī)范要求外還應(yīng)對實(shí)際項(xiàng)目提出更為明確、具體和嚴(yán)格的要求。合理可靠的構(gòu)造對裂縫的控制至關(guān)重要。合理的構(gòu)造措施能夠使水池計(jì)算模型與其實(shí)際受力情況相一致，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。對于影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的問題，一定要從確定結(jié)構(gòu)方案起，就考慮好相應(yīng)的構(gòu)造措施。理想的計(jì)算模型必須有可靠且可行的構(gòu)造措施來保證，而當(dāng)難以實(shí)施相應(yīng)的構(gòu)造措施時(shí)，應(yīng)調(diào)整計(jì)算模型使之符合實(shí)際受力情況。具體注意三個(gè)方面：首先，澆筑混凝土不應(yīng)使用過期水泥或由于受潮而結(jié)塊的水泥，否則將由于水化不完全而降低混凝土的抗?jié)B性和強(qiáng)度。其次，水灰比越大則混凝土中多余水分蒸發(fā)后形成的毛細(xì)孔也就越多，這些孔隙是造成混凝土開裂的主要原因。砂石粒徑不均勻、級配不良、粗骨料粒徑過大且含量過高、含泥量過高，都會降低混凝土的和易性和密實(shí)度，易使裂縫產(chǎn)生和發(fā)展。另外，水池混凝土中采用的外加劑也應(yīng)滿足一定的要求，以免影響混凝土的抗裂性。

4、溫度變化引起的裂縫的控制

盡量選用低熱或中熱水泥；減少水泥用量；降低水灰比；改善骨料級配，摻加粉煤灰或高效減水劑等來減少水泥用量，降低水化熱；改善混凝土的攪拌加工工藝；在混凝土中摻加一定量的外加劑；高溫季節(jié)澆筑時(shí)采取合理控溫措施；要合理安排施工工序；加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)。

結(jié)論

綜上所述，水池設(shè)計(jì)中的裂縫控制貫穿設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。從完整準(zhǔn)確收集相關(guān)的基礎(chǔ)資料開始，到采用合理的結(jié)構(gòu)受力體系、準(zhǔn)確細(xì)致的分析計(jì)算、全面可靠的結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施，直至最后的復(fù)核出圖，對實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)全過程的裂縫控制都非常重要。同時(shí)，設(shè)計(jì)中也要對材料的使用和水池的施工養(yǎng)護(hù)提出明確要求，以避免引發(fā)裂縫。在設(shè)計(jì)中只有盡可能多地考慮到裂縫可能產(chǎn)生的因素，并通過各種措施消除隱患，才能最大限度地避免水池產(chǎn)生破壞性的裂縫。

參考文獻(xiàn)

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