防止和減輕超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的設(shè)計(jì)建議

1　前言

      建筑工程中，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫較為普遍，裂縫的類型也很多，但按成因基本可歸結(jié)為由外荷和變形引起的兩大類裂縫。其中由混凝土收縮和溫度變形引起的收縮裂縫和溫度裂縫以及由這兩種變形共同引起的溫度收縮裂縫則是蘭州地區(qū)實(shí)際工程中最常見的裂縫。隨著建筑向大型化和多功能發(fā)展，超長(zhǎng)（即超過溫度伸縮縫間距）高層或大柱網(wǎng)建筑不斷出現(xiàn)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，施工中泵送混凝土工藝的應(yīng)用，使超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)的溫度收縮裂縫有逐漸增多的趨勢(shì)。雖然這類裂縫屬非結(jié)構(gòu)性裂縫，一般不致影響構(gòu)件承載力和結(jié)構(gòu)安全，但卻會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性和整體性。同時(shí)也會(huì)給使用者感官和心理上造成不良影響。另外由于我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)氣候環(huán)境、溫濕度差異很大，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)防止和減輕溫度收縮裂縫的設(shè)計(jì)措施制定的較為原則和局限。因此不少設(shè)計(jì)人員較重視強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而不太認(rèn)真考慮抗裂的構(gòu)造措施。這樣一旦出現(xiàn)裂縫不僅影響工程質(zhì)量，同時(shí)在進(jìn)入住房商品化，質(zhì)量糾紛日趨增多的今天也不利于保護(hù)自己。

  基于以上原因，筆者感到有必要結(jié)合蘭州地區(qū)溫差大，氣候干燥這一地區(qū)特點(diǎn)，根據(jù)多年的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐和體會(huì)，對(duì)防止和減輕超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮裂縫的設(shè)計(jì)措施提出一些建議，供設(shè)計(jì)人員參考并能有所啟發(fā)。

2　溫度收縮裂縫的基本特點(diǎn)

  混凝土在結(jié)硬的過程中發(fā)生收縮，溫度變化時(shí)會(huì)熱脹冷縮，當(dāng)這兩種變形受到約束后，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力，這兩種應(yīng)力分別超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂而形成收縮裂縫或溫度裂縫。超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中較多見的是在收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力共同作用下所產(chǎn)生的溫度收縮裂縫。要分析溫度收縮裂縫的基本特點(diǎn)，首先應(yīng)掌握收縮和溫度變形的一些基本概念。

2.1　收縮變形的特性及影響因素：

  一般混凝土最終收縮應(yīng)變約3～5×10-4，其特點(diǎn)是早期收縮快，半年可完成第一年收縮量的80～90%，一年后仍發(fā)展但已不明顯。其影響因素主要有混凝土強(qiáng)度等級(jí)，水泥品種，水灰比，坍落度，養(yǎng)護(hù)（保溫，保濕）和體表比。

2.2　溫度變形的特性及影響因素：

  混凝土溫度線脹系數(shù)一般為1.0×10-5/C°，其變形隨溫差而變化，一般發(fā)生在混凝土結(jié)硬一直到房屋使用期間。其影響因素有季節(jié)溫差，內(nèi)外溫差和日照溫差。

2.3　溫度收縮裂縫的基本特點(diǎn)：

  ⑴　該裂縫由收縮和溫度變形共同產(chǎn)生，其分布一般為收縮和溫度兩種裂縫的組合，隨環(huán)境濕度和溫度而變化，隨時(shí)間而發(fā)展，裂縫的開裂和危害程度往往較單一的收縮或溫度裂縫嚴(yán)重。

  ⑵　根據(jù)具體工程裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、發(fā)展與變化、以及分布、形狀、尺寸等特征。一般可分為以收縮變形為主或以溫度變形為主，實(shí)際工程中較常見的是以收縮變形為主的溫度收縮裂縫，一般發(fā)生在混凝土澆筑后一年內(nèi)，但多見半月至數(shù)月之內(nèi)。

  ⑶　主要影響的部位及構(gòu)件是底層和頂部數(shù)層梁板構(gòu)件以及基礎(chǔ)梁、挑檐、欄板等外露構(gòu)件。

  ⑷　梁板裂縫呈現(xiàn)不同分布和特征，梁縫一般垂直于縱向，分布在兩側(cè)面，兩頭細(xì)、中間寬、棗核形。裂縫為表面，深進(jìn)或貫通。單向板縫等間距平行于短邊。雙向板縫較重于單向板縫，兩個(gè)方向板縫縱橫交錯(cuò)，不規(guī)則，縫多為貫通，板面縫一般寬于板底縫。

3　防止和減輕超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮裂縫的設(shè)計(jì)建議

3.1　設(shè)置后澆帶以及控制和抵抗溫度收縮應(yīng)力的措施

3.1.1　有效設(shè)置后澆帶

      后澆帶是列入高規(guī)中的一種目前設(shè)計(jì)人員常采用的方法，它利用了混凝土早期收縮量大的特性，其設(shè)計(jì)思路是“以放為主”。主要作用是釋放早期混凝土收縮應(yīng)力，減小以收縮為主的變形。高規(guī)雖然對(duì)后澆帶的間距、寬度、鋼筋處理、澆筑時(shí)間有較明確要求，不少資料對(duì)此也有所介紹。但是結(jié)合多年來對(duì)蘭州地區(qū)幾個(gè)較大型超長(zhǎng)工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，深感對(duì)后澆帶的做法必須予以重視。如設(shè)計(jì)施工處理不好，不僅起不到予期的效果，還會(huì)留下結(jié)構(gòu)隱患。因此就后澆帶的具體做法提出以下建議和看法：

  ⑴　間距：高規(guī)規(guī)定為30m～40m。建議具體工程應(yīng)結(jié)合建筑物長(zhǎng)度、氣候環(huán)境特點(diǎn)綜合考慮，一般應(yīng)控制在30m左右。
  ⑵　位置：
  ①小跨梁開間或受力較小的部位，一般可在梁跨三分之一處。
  ②平面布置時(shí)要注意梁的布置宜平行于后澆帶以免梁截?cái)嗵唷?BR>  ③視具體情況可沿平面曲折通過。
  ⑶　寬度：高規(guī)規(guī)定800～1000mm。建議預(yù)留的寬度要考慮滿足鋼筋錯(cuò)開搭接要求?？稍试S大于1000mm。
  ⑷　鋼筋：目前對(duì)后澆帶內(nèi)梁縱向鋼筋處理有兩種做法。

     第一種：梁板鋼筋均斷開后搭接(高規(guī)要求)，但由于梁鋼筋搭、焊接處理困難，質(zhì)量不易保證，易給結(jié)構(gòu)造成隱患。

      第二種：板鋼筋斷開，梁鋼筋直通不斷。目前工程采用較多，但由于截?cái)嗔狠^多時(shí)，鋼筋全部不斷會(huì)約束混凝土收縮，達(dá)不到予期效果。

      建議：梁上部鋼筋，腰筋及板墻鋼筋斷后錯(cuò)開搭接或必要時(shí)先搭后補(bǔ)焊。梁下部鋼筋不斷，可適當(dāng)加大配筋。這樣即可大大減小梁鋼筋全部不斷對(duì)混凝土收縮形成的約束，又可避免梁鋼筋全部斷后造成的鋼筋搭、焊接困難，這種處理方法筆者自93年以來已在一些工程中較好的進(jìn)行了使用。

  ⑸　澆筑時(shí)間：高規(guī)要求，宜在兩個(gè)月后且澆筑時(shí)的溫度宜低于主體混凝土澆筑時(shí)的溫度。由于混凝土早期收縮量大，相對(duì)一年的收縮量，半月約占30～40%；1個(gè)月約占45～55%；2個(gè)月約占65～75%；半年約占80～90%，故應(yīng)按規(guī)范執(zhí)行，一般應(yīng)保證兩個(gè)月后澆筑。

  ⑹　后澆混凝土：采用無收縮或微膨脹混凝土，強(qiáng)度較主體混凝土提高C5級(jí)。
  ⑺　設(shè)計(jì)時(shí)要特別交待以下請(qǐng)施工單位注意的問題：
  ① 后澆帶兩側(cè)宜設(shè)鋼筋網(wǎng)片，防止主體混凝土流入后澆帶。
  ② 后澆帶混凝土澆筑前應(yīng)清理鑿毛，澆筑時(shí)振搗密實(shí)，精心養(yǎng)護(hù)。
  ③ 后澆帶兩側(cè)支撐保證穩(wěn)定可靠，后澆帶混凝土達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)方可拆除。

3.1.2、針對(duì)性地采取控制和抵抗溫度收縮應(yīng)力的措施

  ⑴　加強(qiáng)屋面保溫隔熱措施，采用高效保溫材料，嚴(yán)格滿足建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

  ⑵　屋面板、外廊板，陽臺(tái)板等外露室外現(xiàn)澆板（含施工期間主體暴露時(shí)間較長(zhǎng)的室內(nèi)現(xiàn)澆板）以及板跨大于4m且采用泵送混凝土的雙向連續(xù)板等溫度收縮應(yīng)力較大的板，均應(yīng)在板面（即板的受壓區(qū)）配置不小于φ6@200雙向鋼筋網(wǎng)片，或支座鋼筋隔一全跨貫通，但間距不宜大于200mm，每一方向配筋率不宜小于0.1%。以上板在有受力鋼筋處，實(shí)配鋼筋尚應(yīng)考慮溫度收縮應(yīng)力影響予以適當(dāng)增大。

  ⑶　框架梁及所有現(xiàn)澆梁凡高度≥600者（外露梁高度≥500）均設(shè)置不小于2φ12腰筋。腰筋宜細(xì)而密，間距不應(yīng)大于200mm，每側(cè)腰筋配筋率不宜小于0.1%。

  ⑷　檐口板，外露欄板應(yīng)雙面雙向配筋，上下端頭各配≥2φ10溫度抵抗筋，并每隔15～20m設(shè)置一道20mm溫度伸縮縫。

  ⑸　控制現(xiàn)澆板混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜大于C35。

  后澆帶列入高層規(guī)程后已在大量工程中廣泛使用。前已述及，其主要作用是減小混凝土早期以收縮為主的變形。因此，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮裂縫的預(yù)防不能僅靠設(shè)置后澆帶來解決，必須采取上述“放”“防”“抗”相結(jié)合的綜合措施。筆者已在蘭州和西非熱帶地區(qū)一些較大型的超長(zhǎng)建筑中，根據(jù)具體工程各自的特點(diǎn)多次采用了上述綜合措施。實(shí)踐證明比較有效。故認(rèn)為，防止和減輕蘭州地區(qū)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮裂縫目前仍然應(yīng)首先或主要采用設(shè)置后澆帶以及控制和抵抗溫度收縮應(yīng)力的綜合措施?？紤]目前混凝土溫度收縮裂縫的趨于增多以及超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。建議采用上述綜合措施，房屋總長(zhǎng)宜控制在120m內(nèi)。

3.2　采用UEA補(bǔ)償收縮混凝土

3.2.1　方法提出：

  由于后澆帶延長(zhǎng)工期，鋼筋斷后的搭、焊接和清理鑿毛均給填縫施工帶來一定麻煩，處理不好將留下隱患，因此中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院游寶坤等人提出了采用UEA加強(qiáng)帶取代后澆帶連續(xù)澆筑超長(zhǎng)建筑的無縫設(shè)計(jì)施工方法。

3.2.2　設(shè)計(jì)思路：

  “以抗為主”的設(shè)計(jì)原則，利用UEA補(bǔ)償收縮混凝土在硬化過程產(chǎn)生的膨脹作用，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生少量預(yù)壓應(yīng)力用來補(bǔ)償混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的溫度和收縮拉應(yīng)力，從而防止收縮裂縫或把裂縫控制在無害裂縫范圍內(nèi)。

3.2.3　具體做法

    所有樓板均摻10～12%UEA（膨脹率2～3×10-4）。但每間隔50m設(shè)置一條2m寬膨脹加強(qiáng)帶，帶內(nèi)混凝土摻加14～15%UEA（膨脹率4～6×10-4），兩側(cè)設(shè)密孔鋼絲網(wǎng)，防止混凝土流入加強(qiáng)帶，可連續(xù)澆筑100～200m的超長(zhǎng)建筑，具文獻(xiàn)[4]介紹，該技術(shù)已在全國(guó)50多個(gè)重大工程中應(yīng)用。

    由于這種方法，規(guī)范未列入，施工要求嚴(yán)，氣候環(huán)境影響大，潮濕地區(qū)膨脹可保持，干躁地區(qū)會(huì)存在問題。結(jié)合對(duì)福州機(jī)場(chǎng)航站樓采用UEA混凝土后實(shí)際效果的調(diào)研。建議蘭州地區(qū)應(yīng)慎重采用，若采用可做必要計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，測(cè)得一些技術(shù)數(shù)據(jù)，最好在有條件保濕養(yǎng)護(hù)的地下結(jié)構(gòu)中采用。也可考慮在建筑長(zhǎng)度70m以下，設(shè)置后澆帶后影響工期的工程上試用，但對(duì)梁板構(gòu)件仍應(yīng)針對(duì)性地采取3.1.2中介紹的一些必要的控制和抵抗溫度收縮應(yīng)力的設(shè)計(jì)措施。另外特別提請(qǐng)施工時(shí)要嚴(yán)格保濕養(yǎng)護(hù)。

3.3　采用予應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)

     予應(yīng)力混凝土可增強(qiáng)梁板剛度，梁板中所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力可抵消由于混凝土溫度變化和收縮產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力，從而達(dá)到擴(kuò)大溫度伸縮縫間距不設(shè)后澆帶的目的。經(jīng)對(duì)珠海機(jī)場(chǎng)調(diào)研了解到：梁板在采用無粘結(jié)予應(yīng)力混凝土后，平面尺寸84×48m，未設(shè)后澆帶，使用良好。筆者認(rèn)為，當(dāng)為滿足建筑層高要求而采用該技術(shù)時(shí)，可考慮在采用必要的控制和抵抗溫度應(yīng)力的具體措施后增大溫度伸縮縫的間距，但應(yīng)結(jié)合工程收集資料具體分析。