探究超長結(jié)構(gòu)的裂縫控制與設計策略

徐德波

摘 要：超長結(jié)構(gòu)無縫設計的裂縫控制方法，是在綜合考慮了混凝土裂縫產(chǎn)生的微觀機理基礎(chǔ)之上，綜合運用材料措施、施工措施、結(jié)構(gòu)措施和保溫措施，使建筑可以在超過規(guī)范規(guī)定最大變形縫間距要求時，避免混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：設計策略；裂縫控制；超長結(jié)構(gòu)

1 前言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對建筑的使用功能和外形審美要求越來越高，“超長、超高、超寬”等超限建筑在國內(nèi)外不斷涌現(xiàn)。這些建筑為了滿足適用性與耐久性的要求，往往避免設置伸縮縫，以防止地下結(jié)構(gòu)滲水等問題。然而，根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)地下部分長度超過55 m，剪力墻結(jié)構(gòu)地下部分長度超過45 m時，需要設置伸縮縫。但是越來越多的工程實際要求結(jié)構(gòu)工程師采取有效技術(shù)措施，對結(jié)構(gòu)方案進行優(yōu)化，以突破規(guī)范對伸縮縫最大允許間距的規(guī)定，在避免混凝土結(jié)構(gòu)開裂的前提下，滿足建筑要求。通過對大量工程實際的分析和經(jīng)驗總結(jié)，隨著新技術(shù)和新工藝的使用，進行超長、超寬結(jié)構(gòu)無縫設計理念逐漸運用成熟。筆者從裂縫產(chǎn)生的原因和結(jié)構(gòu)布置的要點等方面對超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制方法進行了系統(tǒng)闡述。

2 裂縫原因分析

裂縫是固體材料內(nèi)部分布不連續(xù)的一種表現(xiàn)形式，是固體材料的常見缺陷。通?；炷两Y(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生可以從內(nèi)因與外因兩方面入手分析。

2.1 內(nèi)因表現(xiàn)

由于混凝土收縮、徐變或溫度變化等使得結(jié)構(gòu)變形不均勻，而產(chǎn)生內(nèi)部收縮應力，當收縮應力大于混凝土材料的極限抗拉應力后，表面將開裂從而使結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力釋放，此類裂縫可細分為溫度裂縫和塑性收縮裂縫。溫度裂縫經(jīng)常出現(xiàn)在混凝土的養(yǎng)護過程之中，裂縫的寬度受環(huán)境溫度的影響顯著，施工時外部環(huán)境溫度越低，最終裂縫就越寬。對于超長結(jié)構(gòu)，由于澆筑的混凝土體積大，核心區(qū)域混凝土散熱不及時，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫度不同，導致收縮不均最終開裂，且溫差越高裂縫越寬。塑性收縮裂縫是在混凝土初凝后、終凝前，由于結(jié)構(gòu)表面的游離水分蒸發(fā)、表面收縮，而此時的混凝土由于強度較低，不能抵抗這種變形應力，致使混凝土開裂。超長混凝土結(jié)構(gòu)由于表面積大，表面水分蒸發(fā)快，結(jié)構(gòu)總收縮量大，如果養(yǎng)護不及時，極易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。

2.2 外因表現(xiàn)

由于混凝土結(jié)構(gòu)受到荷載作用產(chǎn)生的直接應力，或由不均勻沉降產(chǎn)生的次生應力，當直接應力或者次生應力大于混凝土的極限抗拉應力時，混凝土結(jié)構(gòu)將開裂。通常，外因裂縫是在結(jié)構(gòu)正常使用過程中產(chǎn)生的，業(yè)主隨意改變建筑的使用功能，使得結(jié)構(gòu)實際荷載超過設計荷載，從而導致此類裂縫產(chǎn)生。而對于超長結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)跨度大，地基情況往往比較復雜，基礎(chǔ)的不均勻沉降，地下水位的變化，均會使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較高的附加應力也會造成混凝土構(gòu)件開裂。

3 超長結(jié)構(gòu)無縫設計的優(yōu)勢

超長結(jié)構(gòu)無縫設計是在建筑物的長度超過了現(xiàn)行規(guī)范對伸縮縫、抗震縫基本要求而不設縫的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)行規(guī)范對伸縮縫的要求并不是強制規(guī)定，因此無縫設計并不與國家規(guī)范對立。這種設計可以滿足建筑物結(jié)構(gòu)安全與使用功能上的多種要求，其設計的意義主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 外立面完整性

建筑物正立面設置多道伸縮縫，會影響建筑物立面效果和裝飾風格，而且設縫處往往對墻體外形施工有較高要求，施工處理不當或者維護不及時均會影響建筑的造型。無縫設計可以保證立面的完整性，使得建筑立面設計更易處理。

3.2 避免扭轉(zhuǎn)效應

無縫設計可以避免由縫分開的各個結(jié)構(gòu)單元因質(zhì)心與剛心不重合而引起扭轉(zhuǎn)效應。尤其對于雙拼式高層住宅結(jié)構(gòu)，無縫設計可以使結(jié)構(gòu)對稱布置，在地震作用下，結(jié)構(gòu)一般以平移振動為主振型。

3.3 提升耐久與防火性能

變形縫設置會給結(jié)構(gòu)的防水性、耐火性、耐久性等方面產(chǎn)生影響，從而為設計和施工增加難度。而且變形縫易受到建筑環(huán)境的影響，給維護工作帶來不便，尤其對于隱蔽性較強的地下結(jié)構(gòu)變形縫，其維護更具難度。如果采用無縫設計，就可以從根本上解決此難題。

3.4 便于鋪設管線

機電設備的管線布置需要貫通建筑物墻體，如果建筑中間設置變形縫，為了防止由于縫兩邊結(jié)構(gòu)單元錯動而使管線折損，管線必須采取吸收位移和降低內(nèi)力的措施，從而限制了管線的靈活布置、維護和改造，同時也會影響管線內(nèi)部載體流的通暢。無縫設計為管線安全、靈活、貫通的設計提供便利。

4 超長結(jié)構(gòu)設計要點與策略

針對混凝土裂縫產(chǎn)生的內(nèi)因，即在施工過程中，降低結(jié)構(gòu)的內(nèi)部約束，使構(gòu)件可以自由伸縮，釋放內(nèi)力；通過加強材料自身抗裂能力和結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力，在正常使用時期，使結(jié)構(gòu)抗裂能力高于體系內(nèi)力。兩種方案同時使用，雙管齊下更易達到抗裂的目的。

4.1 材料設計

高強混凝土在凝固過程中與普通混凝土相比，釋放水化熱更多，材料收縮量大，更易產(chǎn)生裂縫。因而，在滿足承載力、結(jié)構(gòu)剛度等要求的前提下，超長結(jié)構(gòu)應盡量降低混凝土強度等級。為降低混凝土的收縮率，可在其中摻加適量膨脹劑，以保證混凝土限制膨脹率和限制干縮率符合規(guī)范要求。同時為改善混凝土脆性，提高混凝土的整體連續(xù)性，還可以摻入適量改性聚丙纖維，此方法可以提升混凝土材料自身的抗拉極限應力，提高結(jié)構(gòu)抗裂能力，滿足“抗”的設計理念。

4.2 施工設計

后澆帶是處理超長結(jié)構(gòu)無縫設計的重要施工措施之一。后澆帶即在結(jié)構(gòu)的相應部位留設臨時施工縫，將結(jié)構(gòu)暫時劃分成幾個獨立的部分，當結(jié)構(gòu)構(gòu)件完成內(nèi)部收縮后，再澆筑施工縫的混凝土，將幾個部分連成整體。后澆帶的設置，可以使在施工縫混凝土澆筑前，結(jié)構(gòu)的各個部分分別完成收縮變形，降低結(jié)構(gòu)對混凝土的約束效應，從而降低混凝土的初始應力。后澆帶內(nèi)鋼筋不斷開或采用搭接方式，并在相鄰結(jié)構(gòu)澆筑60 d后再澆筑。后澆帶混凝土強度高于主體結(jié)構(gòu)混凝土強度一個等級，本工程采用C35，且摻加水泥用量6%的抗裂膨脹纖維防水劑，梁板后澆帶另設加強筋。

4.3 結(jié)構(gòu)設計

從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置方式考慮，盡量釋放結(jié)構(gòu)的次生內(nèi)力。對于抗側(cè)移剛度較強的剪力墻構(gòu)件，不宜集中放置在結(jié)構(gòu)兩側(cè)，以約束結(jié)構(gòu)的溫度變形，增大結(jié)構(gòu)的次生應力。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)持力層宜選在同一土層，或采用地基處理措施，使持力層承載力均衡，避免不同部位產(chǎn)生不均勻壓縮變形，而使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生次生內(nèi)力。同時，合理布置的剪力墻可以抵抗結(jié)構(gòu)的溫度變形，減少裂縫的產(chǎn)生。屋蓋梁板采用雙層雙向配筋并予以加強，或采用雙向布置的無粘結(jié)預應力筋，也是抵抗溫度變形的結(jié)構(gòu)設計措施，符合“抗”的設計理念。

4.4 保溫設計

建筑外墻采用外保溫形式，可以使結(jié)構(gòu)主體在使用階段不外露，降低結(jié)構(gòu)受溫度變化影響，從而降低溫差變形，減少裂縫。在建筑屋頂增加保溫層厚度，或采用坡面的結(jié)構(gòu)架空層屋頂形式，可以降低結(jié)構(gòu)頂面的溫度，控制屋頂橫向變形。尤其注意施工階段中，當建筑物未封頂，且保溫材料未粘結(jié)時，結(jié)構(gòu)暴露在外界環(huán)境中，此階段是超長結(jié)構(gòu)受溫度應力影響最顯著的時期。對于新舊混凝土結(jié)合面處施工縫的處理，更是需要關(guān)注的重點。根據(jù)歷年溫度與溫差記錄，分析結(jié)構(gòu)溫度應力與變形，找出結(jié)構(gòu)在溫度應力作用下的薄弱點，從而有針對性的采取加固處理和技術(shù)措施。

5 結(jié)束語

本文對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的內(nèi)部原因與外部原因進行了理論分析，從避免裂縫產(chǎn)生的微觀機理和宏觀措施入手，提出適于超長結(jié)構(gòu)裂縫控制的設計施工方法，以期為類似工程的設計提供參考。

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