混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘要】通過(guò)分析混凝土水化過(guò)程特點(diǎn)、脹縮裂縫形成機(jī)制，總結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)可采取的措施以避免混凝土開(kāi)裂。

【關(guān)鍵詞】混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)超過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的伸縮縫最大間距的結(jié)構(gòu)越來(lái)越多。在許多公共建筑如辦公、商業(yè)等，多有采用，如有的多層框架結(jié)構(gòu)，已做到了100多米甚至200多米未設(shè)伸縮縫。

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的好處，是減去了伸縮縫的處理，以及結(jié)構(gòu)上不再要設(shè)雙梁雙柱等，但問(wèn)題是要解決施工期間以及使用期間混凝土的開(kāi)裂。

混凝土的重要組成部分是水泥和水，通過(guò)水泥和水的水化作用，形成膠接材料，將松散的砂石骨料膠合成為人工石?；炷林泻写罅靠障?、粗孔及毛細(xì)孔，這些孔隙中存在水分，水分的活動(dòng)影響到混凝土的一系列性質(zhì)，特別是產(chǎn)生溫度變形對(duì)裂縫控制有重要作用，混凝土中的水分有化學(xué)結(jié)合水、物理化學(xué)結(jié)合水和物理力學(xué)結(jié)合水?；瘜W(xué)結(jié)合水是以嚴(yán)格的定量參加水泥水化的水，它使水泥漿形成結(jié)晶固體，它不參與混凝土與外界溫度交換作用，不引起收縮與膨脹變形。物理化學(xué)結(jié)合水在混凝土中以不嚴(yán)格的定量存在，它在混凝土中起擴(kuò)散及溶解水泥顆粒的作用，是一種吸附水，容易受到水分蒸發(fā)，積極地參與混凝土與環(huán)境的溫度交換作用。物理力學(xué)結(jié)合水是混凝土中各晶格間及粗、細(xì)毛細(xì)孔中的自由水，也即游離水，含量不穩(wěn)定，結(jié)合強(qiáng)度很低，極容易受水分蒸發(fā)影響而破壞結(jié)合，它是積極參與 外界進(jìn)行溫度交換的水。

水泥漿的水化過(guò)程是一種物理化學(xué)過(guò)程，化學(xué)結(jié)合水與水泥一起在早期硬化過(guò)程中產(chǎn)生少量的收縮，即是硬化收縮。這種收縮與外界溫度變化無(wú)關(guān)。這種收縮可能是縮小的正變形，也可能是膨脹的負(fù)變形，普通硅酸鹽水泥混凝土的硬化收縮是縮小變形，而礦碴水泥混凝土的硬化收縮是膨脹變形，摻用粉煤灰的硬化收縮也是膨脹變形。

混凝土干燥時(shí)，首先是大空隙及粗毛細(xì)孔中的自由水分因物理力學(xué)結(jié)合受到破壞而蒸發(fā)，這種失水不會(huì)引起收縮。環(huán)境的干燥作用使得細(xì)孔及微毛細(xì)孔中的水產(chǎn)生毛細(xì)壓力，水泥石承受這種壓力后產(chǎn)生壓縮變形而收縮，這種收縮也叫毛細(xì)收縮，是混凝土收縮變形的一部分。待毛細(xì)水蒸發(fā)以后，開(kāi)始進(jìn)一步蒸發(fā)物理化學(xué)結(jié)合的吸附水，首先蒸發(fā)晶格間水分，其次蒸發(fā)分子層中的吸附水，這些水分的蒸發(fā)引起顯著的水泥石壓縮，產(chǎn)生吸附收縮，是收縮變形的主要部分。工程中最常見(jiàn)的混凝土收縮變形引起裂縫是與溫度變化有關(guān)的毛細(xì)收縮及吸附收縮。此外，由于混凝土的水分蒸發(fā)及含濕量的不均勻分布，形成濕度變化梯度，引起收縮應(yīng)力，這也是引起混凝土表面開(kāi)裂的最常見(jiàn)原因之一。

混凝土澆筑后4～15小時(shí)左右，水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)現(xiàn)象，引起失水收縮，這在初凝過(guò)程中發(fā)生，此時(shí)骨料與膠合料之間也產(chǎn)生不均勻的沉縮變形，這都是發(fā)生在混凝土終凝之前，稱為塑性收縮。這種收縮量大，在混凝土表面上特別是在養(yǎng)護(hù)不良的部位，出現(xiàn)龜裂，裂縫無(wú)規(guī)則，即寬又密。由于沉縮作用，這些裂縫往往沿鋼筋分布。水灰比大，水泥用量多，外摻劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環(huán)境溫度高，表面失水大等等都會(huì)導(dǎo)致塑性收縮表面開(kāi)裂。

混凝土所處的大氣環(huán)境，如溫度、溫度、風(fēng)速等都對(duì)收縮有影響，例如風(fēng)速的影響不可忽視，風(fēng)速增大則加速了混凝土水分蒸發(fā)速度，也即增加了干縮速度，容易收起早期表面裂縫。

熱脹冷縮也是影響之一。建筑物的環(huán)境溫度由空氣溫度和太陽(yáng)熱輻射在建筑物表面產(chǎn)生的日照溫度組成。溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形受約束時(shí)將引起應(yīng)力。結(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)裂不僅因?yàn)榛炷量估瓘?qiáng)度不足，更重要是變形超過(guò)了極限拉伸。鋼筋混凝土構(gòu)件在一般配筋率情況下能夠提高混凝土的極限拉伸，當(dāng)配筋率過(guò)大時(shí)，由于引起過(guò)大自約束應(yīng)力而導(dǎo)致開(kāi)裂。

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要也就是要解決由變形而引起的裂縫。現(xiàn)在在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要采取以下幾方面的措施來(lái)解決此問(wèn)題。

1、混凝土強(qiáng)度等級(jí)不能過(guò)高，在滿足承載力等要求的情況下，不宜超過(guò)C35.混凝土強(qiáng)度高，則水泥用量也就多，在硬化過(guò)程中水化熱也就高，從而收縮大而引起裂縫的產(chǎn)生。

2、水泥優(yōu)選水化熱低的品種，如礦碴硅酸鹽水泥，嚴(yán)格控制砂石骨料的含泥量和級(jí)配。控制水化熱的升溫，混凝土構(gòu)件中心與外表的最大溫差不大于25度，以及控制降溫速度。混凝土澆筑后，及時(shí)采取措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3、采用粉煤灰，改善混凝土的粘塑性，并可取代部分水泥，減少混凝土的用水量和水泥用量，從而減少水化熱，還可以減少混凝土中的孔隙，提高密實(shí)性和強(qiáng)度，提高抗裂性。粉煤灰的摻量一般為水泥量的15%～30%。

4、設(shè)置后澆帶，減少混凝土硬化過(guò)程中的收縮應(yīng)力。混凝土澆筑后，于24～30小時(shí)達(dá)到最高溫度，最高水化熱引起的溫度比入模溫度高約30～35度，然后根據(jù)不同的速度降溫，經(jīng)10～30天降至周?chē)鷼鉁?，在此期間大約有15%～25%的收縮，此后到3～6個(gè)月收縮完成60～80%，一年左右，收縮完成95%。故施工一年后，除維護(hù)不好、惡劣環(huán)境條件等引起激烈溫差而導(dǎo)致開(kāi)裂外，一般結(jié)構(gòu)已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5、采用補(bǔ)償收縮混凝土，樓板配筋原則為細(xì)而密，小直徑、小間距，對(duì)屋面等直接暴露于日照下的板，可考慮雙層配筋或采用小直徑鋼筋作構(gòu)造于未配筋表面連接受力鋼筋。樓板厚度大于160mm時(shí)，跨中上部宜將支座縱筋的50%拉通，或用小直徑鋼筋連接，并與支座縱向鋼筋按搭接長(zhǎng)度連接。梁則加大腰筋直徑，減小間距，并將腰筋按受拉錨固和搭接。梁每側(cè)腰筋截面面積不應(yīng)小于扣除板厚度后的截面面積的0.1%，腰筋間距不宜大于200mm。

6、屋面采用輕質(zhì)高效吸水率低的材料作好保溫隔熱。

7、外露的挑檐、陽(yáng)臺(tái)、鋼筋混凝土女兒墻等，每隔12m左右設(shè)置伸縮縫，寬度10mm，采用防水膠嵌縫。

1.在混凝土中摻加纖維，可更好地控制裂縫的發(fā)生與開(kāi)展。

2.按結(jié)構(gòu)使用期可能遭遇的溫差，進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析，找到受應(yīng)力集中影響敏感的位置及溫度應(yīng)力較大的位置，加強(qiáng)其配筋。

另外，地下室多數(shù)情況下，其長(zhǎng)度是超過(guò)混凝土規(guī)范設(shè)伸縮縫的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的。經(jīng)常在地下室側(cè)墻發(fā)現(xiàn)裂縫。

為控制地下室鋼筋混凝土側(cè)墻的裂縫，可采取以下措施：

（1）采用較低的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，如不高于C35。有些工程地下室外墻與上部高層轉(zhuǎn)換柱或落地剪力墻相連，為施工方便，常常一體采用較高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，是不利于控制裂縫的。

（2）由于墻體受施工和環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，容易出現(xiàn)縱向收縮裂縫。混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，開(kāi)裂的可能性也越高。所以墻體的水平構(gòu)造鋼筋的配筋率宜控制在0.4～0.6%，水平鋼筋的間距小于150mm，同樣配筋應(yīng)是細(xì)而密。

（3）對(duì)于墻體與柱相連的，因墻與柱的配筋率相差較大，混凝土脹縮變形與限制條件有關(guān)，由于應(yīng)力集中的原因，在離柱1至2米的墻體上容易出現(xiàn)縱向收縮裂縫。在墻柱連接處設(shè)水平附加鋼筋，其長(zhǎng)度1500～2000mm，伸入柱內(nèi)200～300mm，伸入墻內(nèi)1200～1600mm，此處配筋率提高10～15%，則利于分散墻柱間的應(yīng)力集中，避免縱向裂縫的發(fā)生。

總之，混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度做出的要求，也說(shuō)明了采取可靠措施或確有把握時(shí)，可適當(dāng)放寬設(shè)縱距離。

作者簡(jiǎn)介：

吳正華，性別：男，出生年月：1969年3月26日，民族：漢，籍貫（如貴州貴陽(yáng)人），學(xué)歷：研究生，現(xiàn)任職稱（如工程師）：高級(jí)工程師，主要從事：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、巖土工程設(shè)計(jì)。