超高層建筑組合剪力墻裂縫控制分析

李平

天津市美銀房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 天津 300202

1 工程概況

天津平泰大廈項目，地處天津市河西區(qū)小白樓商務(wù)區(qū)，項目地上為兩棟超高層塔樓，其中辦公樓地上56層，建筑高度313m，總建筑面積12.36萬m2，塔樓結(jié)構(gòu)為“核心筒+外框組合結(jié)構(gòu)”形式。核心筒剪力墻內(nèi)配置有型鋼柱、鋼板墻，剪力墻厚度為1300～300mm，隨著樓層的增加在相應(yīng)樓層逐步縮減，剪力墻混凝土強度為C60、C55、C50，強度較高。在施工過程中，核心筒剪力墻施工選用的是液壓爬模系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)層模板選用大鋼模板+鋁模板的形式，在非標(biāo)層模板選用大鋼模板+鋁模板+木模板接高進(jìn)行處理；核心筒水平結(jié)構(gòu)模板選用輪扣滿堂腳手架+木方龍骨+多層板的模板支撐體系[1]。

2 組合剪力墻裂縫影響因素分析

本工程辦公樓為超高層建筑，核心筒墻體設(shè)計為鋼板-混凝土組合剪力墻，混凝土強度高，厚度大，鋼筋布置緊密，澆筑后極易產(chǎn)生裂縫。結(jié)合現(xiàn)場實際，為避免施工過程中組合剪力墻墻體出現(xiàn)有害性裂縫，提前對本項目組合剪力墻墻體裂縫可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，主要如下所述。

2.1 原材料水化熱

本工程辦公樓核心筒剪力墻厚度較厚，強度高，大部分屬于大體積混凝土，且C60屬于高強混凝土。為滿足超高層建筑結(jié)構(gòu)的承載力，高強混凝土在配置時需要的膠凝材料相比普通強度等級混凝土膠凝材料摻量高，膠凝材料摻量的增加，直接導(dǎo)致會產(chǎn)生更多的水化熱量。本工程低樓層墻體厚度超過1m，又屬于大體積混凝土施工，混凝土澆筑后一定時間段內(nèi)，混凝土中心溫度隨著水化熱量的不斷積聚而提高，本工程核心筒剪力墻外墻采用大鋼模，鋼模傳熱效果較好，導(dǎo)致剪力墻外表面溫度基本與大氣環(huán)境溫度一致，剪力墻混凝土內(nèi)外溫差較大。

根據(jù)以往施工經(jīng)驗及相關(guān)研究表明，C60高強混凝土在澆筑后25～48小時時間段內(nèi)構(gòu)件中心溫度將達(dá)到65～70℃間（見圖1）。而天津市當(dāng)?shù)厥彝獯髿鉁囟然咎幱?10～35℃區(qū)間，即造成了核心筒剪力墻混凝土澆筑后，內(nèi)、表溫差超過了25℃，溫差太大造成混凝土表面裂縫產(chǎn)生，綜上所述，高強混凝土的水化熱是導(dǎo)致核心筒剪力墻開裂的原因之一。

圖1 C60墻體中心溫度變化曲線

2.2 鋼結(jié)構(gòu)作用

本工程辦公樓核心筒內(nèi)設(shè)計有型鋼柱、鋼板墻。型鋼柱與鋼板墻交匯多，暗柱、暗梁和連梁部位鋼筋密集，鋼筋綁扎、混凝土澆筑難度大，容易澆筑不均勻。另外，型鋼柱本身鋼板較厚，焊接后穩(wěn)定性較高，鋼柱本身對裂縫產(chǎn)生的影響較小，但本工程鋼板墻厚度設(shè)計為15、10mm厚兩種規(guī)格，標(biāo)準(zhǔn)層高4.4m，非標(biāo)層層高為6.5～7.5m之間，標(biāo)準(zhǔn)層間鋼結(jié)構(gòu)兩層設(shè)置為一節(jié)，鋼板墻高度為8.8m，寬度順墻設(shè)置，一般控制在2～4m間，高寬比最高達(dá)4∶1。相鄰鋼板墻之間通過焊縫連接，雖局部增設(shè)了約束鋼板，但因鋼板板厚較薄，鋼板墻無法支撐自身重量，自身約束度不夠，穩(wěn)定性低，變形較大，且存在焊接后的殘余應(yīng)力。同時，在澆筑混凝土的過程中，因鋼板墻導(dǎo)致墻體兩側(cè)的混凝土不能很好地流通，遇到一側(cè)澆筑高度明顯高于另一側(cè)時，混凝土重力的作用對鋼板墻也會產(chǎn)生一定的擠壓變形?；炷翝仓螅谠缙趶姸炔蛔銜r，澆筑不均勻、鋼板墻自身變形、焊接應(yīng)力、混凝土重力擠壓作用，均會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

2.3 鋼筋安裝定位偏差

本工程辦公樓核心筒剪力墻鋼筋較密且鋼筋直徑較大，在澆筑振搗混凝土?xí)r，個別工人為方便澆筑振搗施工，往往會人為移動鋼筋位置，導(dǎo)致上層鋼筋偏位嚴(yán)重，超過設(shè)計混凝土保護(hù)層15mm的要求，混凝土保護(hù)層間距過大可引起混凝土在凝固過程中里表約束不一致，有鋼筋一側(cè)由于鋼筋的存在約束了混凝土的收縮變形，保護(hù)層過大一側(cè)無鋼筋網(wǎng)進(jìn)行約束，混凝土凝固過程中自由收縮導(dǎo)致里表混凝土變形不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致了混凝土表面開裂。

2.4 混凝土的干縮

本工程施工進(jìn)度較快，核心筒結(jié)構(gòu)施工期間平均4～5天一層，核心筒大鋼?；驹诒緦踊炷翝仓?4小時后開始進(jìn)行退模，進(jìn)入爬模爬升及下一層模板安裝相關(guān)工作。天津地區(qū)氣候相對比較干燥，空氣中水分較少，外側(cè)大鋼模退模后，在自然風(fēng)的作用下，將核心筒剪力墻表面的水分帶走，混凝土表面形成干縮致使混凝土表面容易產(chǎn)生裂縫[2]。

圖2 混凝土表面干縮示意

3 組合剪力墻裂縫控制分析

混凝土裂縫控制措施主要貫徹“防、抗”相結(jié)合的控制原則，從材料、施工等方面綜合考慮。“防”是指減小各種可能產(chǎn)生混凝土早期裂縫的潛在因素?！翱埂笔侵甘┕r在混凝土收縮或溫度應(yīng)力集中的薄弱區(qū)域通過配筋來提高抗裂性能，具體控制措施如下所述。

3.1 優(yōu)化配合比

原設(shè)計選用的C60等混凝土，為保證強度，水泥摻量較大。為控制混凝土凝固過程中的水化熱量，建設(shè)單位、施工單位聯(lián)合設(shè)計院、混凝土生產(chǎn)廠家，對混凝土原配合比進(jìn)行優(yōu)化，主要優(yōu)化方法為在不影響混凝土強度及工作性能的前提下降低水泥摻量，優(yōu)選粉煤灰、緩凝型高效減水劑以及添加特殊添加劑等從混凝土方面降低水化熱和提高材料抵抗變形的能力。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化

經(jīng)分析，在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計階段，通過提前排布鋼筋位置，優(yōu)化箍筋、拉鉤形狀，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果在鋼柱、鋼板墻上對應(yīng)設(shè)置鋼筋接駁器、連接板，現(xiàn)場對照施工后，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋相互約束，能有效地形成一個整體。另，提前在鋼柱、鋼板墻上預(yù)留混凝土流通孔，在澆筑時，鋼板墻兩側(cè)采用下料串筒對稱澆筑混凝土，兩種措施結(jié)合能大幅改善澆筑、振搗質(zhì)量，增加混凝土流動性，減少不均勻澆筑。

為減小焊接應(yīng)力對鋼板墻變形的影響，焊前在焊縫一側(cè)加設(shè)約束鋼板，鋼板采用的30mm×2000mm形式，按照500mm間距垂直焊接在鋼板墻兩側(cè)，安裝時約束鋼板起到臨時支撐作用以減小焊接變形，安裝完成后對約束鋼板進(jìn)行切除并重復(fù)利用。同時，對于10mm厚的鋼板墻，加工階段在鋼板墻的兩側(cè)增加縱向、橫向的加勁肋，加勁肋選用10×100mm的Q345B材質(zhì)鋼板，橫、縱向按每1m～1.5m間距設(shè)置，提高鋼板墻自身的約束強度，可有效防止鋼板墻的自身變形，進(jìn)而控制混凝土裂縫的產(chǎn)生。鋼板肋設(shè)置如下圖所示。

圖3 鋼板墻加勁肋設(shè)置

3.3 增設(shè)鋼筋網(wǎng)片

為避免因鋼筋安裝定位偏差、鋼筋保護(hù)層過大等原因?qū)е碌募袅w裂縫，在施工過程中除加強對施工單位鋼筋安裝定位、安裝質(zhì)量的過程質(zhì)量把控外，對于個別部位出現(xiàn)鋼筋保護(hù)層厚度超過允許范圍時，將在此區(qū)域內(nèi)設(shè)置直徑φ4間距200×200mm的鋼筋網(wǎng)片，同主筋綁扎牢固，以保證鋼筋內(nèi)外層混凝土收縮變形協(xié)調(diào)一致，進(jìn)而避免混凝土由于鋼筋保護(hù)層間距過大導(dǎo)致的混凝土表面開裂情況發(fā)生。

3.4 掛設(shè)防火防風(fēng)布

為降低風(fēng)對于核心筒剪力墻表面水分散失的影響，降低裂縫產(chǎn)生風(fēng)險，經(jīng)研究，在剛拆模樓層的核心筒爬模外防護(hù)鏤空鋼板網(wǎng)片上掛設(shè)防火防風(fēng)布，能有效減小核心筒剪力墻外墻表面的自然風(fēng)的流通，從而減小剪力墻表面水分的流失速率，可降低混凝土表面的干縮裂縫的產(chǎn)生。

3.5 養(yǎng)護(hù)分類優(yōu)化

本工程體量大，工期緊，核心筒施工平均4～5天/層，剪力墻大鋼模在澆筑24h后退模，此時混凝土里表溫差較大，如立即采取灑水養(yǎng)護(hù)，核心筒外圈剪力墻完全暴露在自然風(fēng)力的作用下，水分蒸發(fā)降低混凝土外表溫度的同時，會加劇混凝土里表的溫差，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的裂縫發(fā)生。經(jīng)現(xiàn)場研究，在大鋼模爬升的初期階段（澆筑后約24～48小時）對核心筒外圈剪力墻混凝土表面使用專用養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行噴涂，除能有效控制外表水分的流失外，外表溫度下降也較為緩慢，內(nèi)部剪力墻受風(fēng)力作用較小可采取常規(guī)灑水養(yǎng)護(hù)。在澆筑72小時后，整體采取灑水養(yǎng)護(hù)形式，保持混凝土表面濕潤，用養(yǎng)護(hù)液噴涂和灑水相結(jié)合的分類養(yǎng)護(hù)方式來減少混凝土的收縮裂縫[3]。

4 結(jié)束語

超高層建筑施工中，混凝土裂縫控制一直是控制難點。天津平泰大廈項目通過提前分析可能造成鋼板-混凝土組合剪力墻裂縫的影響因素，并有針對性的對混凝土配合比、鋼結(jié)構(gòu)約束及變形控制、日常施工質(zhì)量管控、分類養(yǎng)護(hù)等幾個方面提出了對應(yīng)解決措施，墻體施工完畢后，墻體裂縫控制效果良好，有效避免了混凝土有害裂縫的產(chǎn)生，保證了本超高層建筑整體結(jié)構(gòu)的安全性，值得借鑒。