大體積混凝土結構的裂縫控制設計

楊小東 馮亮波

0 引言

根據國內外的資料表明，工程結構裂縫的產生原因中，屬于由變形變化(溫度、濕度、地基變形)引起的約占80%以上，屬于荷載引起的約占20%［1］。然而現行《混凝土結構設計規范》中由溫度、收縮等變形引起的裂縫控制，除對溫度伸縮縫的設置以及現澆混凝土板的構造配筋有明確的要求外［2］，混凝土結構裂縫控制設計的其他方面尚應靠設計人員的經驗來確定。基于此，本文就大體積混凝土結構的裂縫控制設計作一些簡要的探討。

1 大體積混凝土的定義

作為結構設計者要對大體積混凝土結構的概念和特征有一個清楚的理解，以便有針對性的進行裂縫控制設計。目前世界各國對大體積混凝土結構有如下的幾種定義:

美國混凝土協會的定義:“任何現澆混凝土，其尺寸達到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響的，這類結構稱為大體積混凝土”。

日本建筑學會標準規定:“結構斷面最小尺寸在80 cm以上，同時水化熱引起混凝土內的最高溫度和外界氣溫之差預計超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土”。

我國即將發布的《大體積混凝土施工技術規范》定義為:“混凝土結構實體最小幾何尺寸大于1 m，體積大于1 000 m3，或預計會因混凝土中水泥水化熱引起的溫度和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土工程，都稱為大體積混凝土”。

2 裂縫的成因及影響因素

大體積混凝土結構裂縫的產生是由多種因素引起的，主要是溫度、干濕、徐變等作用使混凝土產生膨脹或收縮變形，當混凝土的變形受到約束，則在混凝土內產生了壓應力或拉應力，若拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，混凝土便產生裂縫。影響各類裂縫產生的主要因素如下。

2.1 水泥水化熱的影響

混凝土澆筑初期，水泥水化過程中放出的熱量主要集中在澆筑后的7 d左右，每立方米混凝土將放出17 500 kJ～27 500 kJ的熱量，從而使混凝土的內部溫度很快上升。這種現象對于大體積混凝土來講，更為嚴重。但由于混凝土表面散熱條件較好，熱量可向大氣中散發，因而溫度上升較少;而混凝土內部由于散熱條件較差，熱量散發少，而溫度上升較多，這樣就會形成溫度梯度，使混凝土內部產生壓應力，面層產生拉應力，當該拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土表面就產生裂縫。

2.2 混凝土收縮變形的影響

混凝土在澆筑數日之后，水泥水化熱基本上已釋放，從最高溫度逐漸降溫，降溫的結果引起混凝土收縮，再加上由于混凝土中多余水分蒸發、碳化等引起的體積收縮變形，受到地基和結構邊界條件的約束，不能自由變形，導致產生拉應力，當拉應力超過混凝土抗拉強度時，形成收縮裂縫。收縮裂縫的種類主要有自身收縮、塑性收縮、碳化收縮、失水收縮。

2.3 內外約束的影響

各種混凝土結構在變形變化中，必然受到一定的約束，約束又分為內約束和外約束。

外約束一般是指物體之間、構件之間以及地下結構與地基之間變形不一致時相互的牽制作用。如基礎對柱、柱對框架梁的約束等。由外部約束引起的裂縫通常是貫穿性裂縫，如果處理不好將影響結構的正常使用和耐久性。

內約束則是指物體或構件截面各點由于出現不同的溫度產生不同的收縮變形。如大體積混凝土由于水化熱作用在混凝土中產生內外溫差，其溫度較低的區域限制了溫度較高區域的膨脹變形，從而在溫度較低區域的混凝土中產生拉應力，當拉應力超過抗拉強度時引起混凝土開裂。

2.4 外界環境氣溫變化的影響

大體積混凝土結構在施工階段，外界環境氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高;而如果氣溫驟降，會極大的增加混凝土外部與內部的溫度梯度，從而會造成過渡的溫度應力，易使大體積混凝土出現裂縫。混凝土的內部溫度是由水化熱的絕熱溫升、澆筑溫度和結構物的散熱溫度等疊加組成的。溫差愈大，溫度應力也就愈大。因此，防止混凝土內外溫差引起的過大溫度應力，對于防止混凝土裂縫的產生非常重要。

3 大體積混凝土結構裂縫的控制設計

3.1 確定裂縫的控制等級

《混凝土結構設計規范》將裂縫控制等級分為三級。一級即嚴格要求構件不出現裂縫;二級即一般要求構件不出現裂縫;三級即允許構件出現裂縫，但最大裂縫寬度不應超過規定的限值。而對于大多數工業與民用建筑結構，按三級來控制，允許結構出現裂縫，但裂縫寬度應在允許的范圍以內，以滿足使用要求。

3.2 裂縫控制設計方法的確定

大體積混凝土結構的裂縫控制不是單純的結構理論問題，它涉及到設計、施工、材料等方面，因此應根據各個工程的具體情況采取相應的裂縫控制方法，目前國內外所采用的方法主要有兩種:

1)以放為主。“放”就是釋放或減少約束，對于由外約束引起的應力一般采用“放”的方法解決。如設計中常采用設置沉降縫、伸縮縫、后澆帶來釋放變形;通過在基礎底面設滑動層、截面突變處設減阻層來降低混凝土中的約束應力。一般對于露天結構和主要受外約束的構件采用“以放為主”的方法。

2)以抗為主。“抗”就是在優化結構方案、改善結構使用環境的基礎上，通過優化混凝土材料的選擇、增配構造鋼筋、摻加纖維材料等措施，提高混凝土的抗拉強度和極限拉伸能力。如采用設置后澆帶或“跳倉法”施工，在釋放掉早期大量溫差和收縮變形之后，通過混凝土自身強度來抵抗剩余部分溫差和收縮應力。“抗”的方法適用于結構變形主要受到內約束時的裂縫控制。對于地下、半地下結構通常采用“以抗為主，先放后抗”的方法。

3.3 溫度應力的計算

對于靜定結構，溫度作用不產生內力，但在構件截面上會產生自成平衡的應力，且會產生較大的位移。對于超靜定結構，溫度作用并不影響結構的安全，在溫度應力作用下，混凝土一旦開裂，應力便會自行松弛，但若不采取措施將使裂縫過寬。

混凝土澆筑初期，溫度作用的計算由施工技術設計進行，可以采用有限元法或簡化的“雙控計算”法來計算出溫度應力，判斷是否會產生溫度裂縫。

3.4 混凝土原材料的優選

在進行裂縫控制時，也可以從混凝土的組成成分入手，達到控制裂縫的目的，包括合理選擇水泥的種類、優良的骨料級配和選擇合適的外加劑及其用量。

盡管選擇材料是由施工設計來確定的，然而作為一個結構設計者也需要掌握其選擇的原則，主要有以下幾個方面:

1)應盡量采用中低熱水泥品種，如礦渣水泥、普通硅酸鹽水泥，確定合理的混凝土配合比，充分利用混凝土的后期強度，減少水泥用量。

2)適當摻用混合材可降低混凝土的絕熱溫升、提高混凝土抗裂能力，如摻合成纖維時，其體積率一般不大于0.15%。

3)大體積混凝土施工時宜使用緩凝型高效減水劑，使混凝土具有較高的早期強度，有利于混凝土前期抗裂。

4)大體積混凝土宜優先選擇以自然連續級配的粗料配制，適當選用較大集料粒徑，粒徑不大于40 mm，細集料采用優質的中、粗砂為宜，細度模數宜在2.6～2.9范圍內。

3.5 構造方面的設計

1)適當增配承受因水泥水化熱引起的溫度鋼筋，以構造鋼筋來控制裂縫。在相同配筋量的前提下，鋼筋的直徑較細、間距較密能有效提高混凝土的抗裂。鋼筋直徑8 mm～14 mm和間距100 mm～150 mm是比較合理的。2)結構設計時應盡量避免出現剛度突變、應力集中嚴重的結構形式，在斷面突變、構件開洞等應力集中部位，應配置抗裂鋼筋并適量增配附加鋼筋。3)大塊式基礎、其他筏式、箱式基礎可采用“后澆帶”或“跳倉法”來控制施工期間的較大溫差及收縮應力。后澆帶的位置應靠近截面或剛度突變部位，后澆縫寬度不大于10 mm，最大間距不大于40 mm。4)在高低底板交接處、底板地梁處等設置緩沖層，用聚苯乙烯泡沫塑料作垂直隔離，以緩沖基礎收縮時的側向壓力，其厚度為30 mm～50 mm。5)設置應力緩和溝，即在混凝土結構的表面，每隔一定距離(結構厚度的1/5)設置一條溝。工程應用的結果表明，此種方法可將結構表面的拉應力減少20%～50%，能有效地防止結構表面裂縫的產生［3］。

3.6 與施工的密切配合

設計人員除作好抗裂設計外，還應與施工單位密切配合，才能達到裂縫控制的目標。如在設計中應注明“后澆帶”盡量設在梁或墻中內力較小的位置;跳倉法施工時，分倉的劃分和寬度應根據結構的受力情況、剛度變化情況以及施工條件與施工單位進行協商確定;當厚度較大的基礎分層澆筑且停歇時間較長以及下層混凝土已凝固再澆上層混凝土時，宜在新澆混凝土底面配置鋼筋直徑不大于12 mm，間距不大于150 mm的限裂鋼筋網。

4 結語

根據我國的大體積混凝土結構裂縫控制設計經驗，防止大體積混凝土出現裂縫應選擇“抗放兼施”的裂縫控制方法，一方面應從控制溫度、改善約束，即從減小溫度應力著手;另一方面應盡可能提高混凝土自身的抗裂能力，改善混凝土性能。除此之外，設計與施工只有密切配合，考慮全面、細致才能保證裂縫控制目標的實現。

［1］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997.

［2］GB 50010-2002，混凝土結構設計規范［S］.

［3］何立民.大體積混凝土裂縫控制研究［D］.大慶:大慶石油學院工程碩士論文，2008.