轉(zhuǎn)換層多層疊澆法施工大體積混凝土裂縫控制

夏旭標(biāo)

（上海彪瑪建筑工程咨詢有限公司，上海 200336）

轉(zhuǎn)換層多層疊澆法施工大體積混凝土裂縫控制

夏旭標(biāo)

（上海彪瑪建筑工程咨詢有限公司，上海 200336）

從一般大體積混凝土裂縫控制的原理出發(fā)，就多層疊澆法施工的轉(zhuǎn)換層大體積混凝土裂縫控制計(jì)算進(jìn)行了專門的討論，并給出了一個(gè)工程裂縫控制計(jì)算實(shí)例，從而進(jìn)一步闡明了大體積混凝土裂縫控制的思路。

轉(zhuǎn)換層，多層疊澆，裂縫，溫度應(yīng)力

1 概述

近年來國內(nèi)高層建筑發(fā)展很快，高度越來越高、體型越來越大。在同一座建筑中，沿高度方向功能要發(fā)生變化，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換，需要在樓層內(nèi)布置轉(zhuǎn)換層。

目前實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換梁的截面高度為1.6 m～4.0 m;一般轉(zhuǎn)換厚板的厚度可達(dá)2.0 m～2.8 m。對于這種大體積混凝土的澆筑，溫度裂縫的控制是個(gè)重要的問題，現(xiàn)在通常采用與地下室底板一樣的方法來控制轉(zhuǎn)換層溫度裂縫。但是由于轉(zhuǎn)換層處于高空，它的裂縫控制也有其自身的特點(diǎn)。

疊合澆筑法是轉(zhuǎn)換層施工中的一種方法，它應(yīng)用疊合梁原理將轉(zhuǎn)換構(gòu)件分多次澆筑成型，利用先澆筑的混凝土形成的構(gòu)件和模板支撐共同工作，一起承受后澆混凝土的自重和施工荷載。這種方法可以降低模板支撐費(fèi)用，降低造價(jià)。但是這種方法要留施工縫，為了保證施工縫的粘結(jié)性能和抗剪性能，需要在施工縫處設(shè)齒槽和剪力鋼筋等，這使得下層混凝土對新澆筑混凝土有很大的約束，所以很容易出現(xiàn)貫穿裂縫。

2 轉(zhuǎn)換層溫度收縮應(yīng)力計(jì)算

2.1 地基水平阻力系數(shù)

當(dāng)兩種物體沿水平面接觸并同時(shí)產(chǎn)生相對位移時(shí)，在接觸面上的粘結(jié)阻力和摩擦將產(chǎn)生剪切應(yīng)力，土力學(xué)曾假設(shè)該點(diǎn)剪應(yīng)力和該點(diǎn)水平位移成正比:

其比例系數(shù)在裂縫控制計(jì)算中稱為“水平阻力系數(shù)”。從以往的研究可知，Cx與地基性質(zhì)、塑性和徐變以及彈性模量有關(guān)，隨徐變而減小，隨彈性模量增大而增大，隨結(jié)構(gòu)幾何尺寸增大而減小，隨變形速度增加而增大，隨垂直壓力增大而增加，并且所有這些因素的影響都是非線性的，難以進(jìn)行嚴(yán)格的定量確定。前人根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)和工程裂縫實(shí)例的反演，建議使用表1的數(shù)據(jù)。

表1 各類地基以及基礎(chǔ)約束下的Cx值

從水平阻力系數(shù)可以知道，多層疊澆的混凝土受到的約束遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地基土上的基礎(chǔ)底板，因此疊合澆筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)混凝土要比基礎(chǔ)底板更易開裂。

2.2 混凝土收縮徐變

混凝土在結(jié)硬過程中會發(fā)生非溫度收縮變形，收縮變形的趨勢與溫度收縮變形的趨勢是一致的，會加重混凝土的裂縫。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的最終收縮（極限收縮）應(yīng)變?yōu)?

任意時(shí)間的收縮可以用下列公式計(jì)算:

其中，εy（t）為任意時(shí)間的收縮，t（時(shí)間）以天為單位;為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的極限收縮;M1，M2，…，Mn為考慮非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，見文獻(xiàn)［1］中的表2-1～2-5。

對于混凝土的非溫度收縮變形可以折算成溫度變化，然后與溫度收縮一起計(jì)算，當(dāng)量溫度變化為:

其中，α為混凝土線膨脹系數(shù)，取1.0×10－5。

結(jié)構(gòu)物在內(nèi)力作用下，其變形隨時(shí)間延長而增加的現(xiàn)象稱為徐變變形。影響徐變變形的因素與影響收縮變形的因素是相同的，因此將徐變變形與收縮變形一并考慮。

按彈性的假定，可以求出在齡期τ1施加強(qiáng)迫變形εx（τ1）所產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)力σx（τ1），再求出隨時(shí)間增加而降低的松弛應(yīng)力σ'x（t，τ1），松弛應(yīng)力和彈性應(yīng)力之比即為“松弛系數(shù)”，以H（t，τ1）表示，它與產(chǎn)生約束的齡期τ1以及延續(xù)時(shí)間t有關(guān):

H（t，τ1）按理論計(jì)算十分復(fù)雜，通常可以計(jì)算出一般條件下的定量結(jié)果并列成表格供工程計(jì)算使用，一般條件下應(yīng)力松弛系數(shù)表相應(yīng)值可查閱文獻(xiàn)［1］中表5-1。在簡化計(jì)算中可以采用忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)表（見表2）。

表2 忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)表

2.3 混凝土溫度收縮應(yīng)力

混凝土的溫度收縮應(yīng)力可以采用下列公式計(jì)算:

式中幾何參數(shù)意義及結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 式（7）中幾何參數(shù)意義及結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力分布

新澆筑混凝土產(chǎn)生大量熱量，構(gòu)件溫度急劇升高，但此時(shí)混凝土有較強(qiáng)的塑性，不必計(jì)算收縮應(yīng)力。混凝土構(gòu)件內(nèi)部溫度并非均勻的，近似的為拋物線分布，但驗(yàn)算貫穿裂縫時(shí)只取截面中部均勻降溫差，這樣取是偏于安全的，在計(jì)算中可以不再取安全系數(shù)。有時(shí)在工程中為了計(jì)算早期混凝土溫度應(yīng)力，考慮松弛系數(shù)和彈性模量的變化，可以將溫差按時(shí)間分為多個(gè)區(qū)段，用有限差分法計(jì)算各個(gè)時(shí)間段的溫差，并將該時(shí)間段內(nèi)的彈性模量和松弛系數(shù)當(dāng)作常數(shù)計(jì)算本時(shí)間段的溫度應(yīng)力，最后可疊加得到最終溫度應(yīng)力。

其中，ΔTi為將總降溫差分解為n個(gè)降溫段，ΔTi為第i個(gè)降溫段的溫差;Hi（t，τi）為第i個(gè)降溫段的應(yīng)力松弛系數(shù)，t為由峰值溫度降低到周圍溫度的時(shí)間，τi為第i段的齡期;Ei（t）為第i個(gè)降溫段的彈性模量。

3 工程計(jì)算實(shí)例

蕪湖新百大廈位于安徽蕪湖市，總建筑面積60 800 m2，地上高度113 m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。第七層為轉(zhuǎn)換層，大梁尺寸1 m×3 m，跨度8.3 m，連續(xù)長度最長77 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40。轉(zhuǎn)換層施工采用三次澆筑成型，三次澆筑高度分別為0.8 m，1.35 m和0.85 m。疊合澆筑雖然減少了因水化熱引起的溫差，但是疊合面非常粗糙，對混凝土有較大的約束，并且混凝土一次澆筑長度很長，所以容易產(chǎn)生收縮裂縫。對于這三次澆筑，第一層和第三層配筋率很高（上下均有20Φ32～30Φ32主筋），混凝土收縮受到很大限制，但是第二澆筑層處于梁的中部，配筋率（0.559%）較低，容易產(chǎn)生溫度裂縫，要進(jìn)行抗裂分析。

3.1 采用普通混凝土澆筑時(shí)的抗裂分析

水泥用量:480 kg/m3（普通水泥525號），水灰比:0.4。

3.1.1 水化熱溫升

其中，W為每立方米中水泥含量，kg/m3;Q為每千克散熱量，J/kg;C為比熱;γ為混凝土重度。

考慮混凝土上表面及左右側(cè)三維散熱，散熱系數(shù)0.2～0.3，取0.3，實(shí)際溫升:

3.1.2 混凝土一個(gè)月最大收縮值

3.1.3 彈性模量

彈性模量隨時(shí)間增長而上升，30 d時(shí)彈性模量為:

其中，E（t）為任意齡期的混凝土彈性模量;E0為最終的混凝土彈性模量;t為混凝土澆灌到計(jì)算時(shí)間點(diǎn)的天數(shù)。

3.1.4 收縮應(yīng)力

Cx=100×10－2kN/m3，H=1.35 m=1 350 mm，L=77 m= 77 000 mm。混凝土結(jié)構(gòu)澆筑20 d后已足夠老化，產(chǎn)生約束變形，在簡化計(jì)算中采用忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)，t－τ1=30－20=10 d，取H（t）=0.462。

3.2 采用RPA補(bǔ)償收縮混凝土澆筑時(shí)的抗裂分析

水泥用量:446.1 kg/m3（普通水泥525號），水灰比:0.4。

以下計(jì)算過程中凡是與3.1采用普通混凝土?xí)r的抗裂分析計(jì)算中相同的公式不再注明公式中各字母所代表的意義。

3.2.1 水化熱溫升

考慮混凝土上表面及左右側(cè)三維散熱，散熱系數(shù)0.2～0.3，取0.3，實(shí)際溫升:

3.2.2 混凝土一個(gè)月最大收縮值

3.2.3 彈性模量

彈性模量隨時(shí)間增長而上升，30 d時(shí)的彈性模量為:

3.2.4 收縮應(yīng)力

混凝土結(jié)構(gòu)澆筑20 d后已足夠老化，產(chǎn)生約束變形，在簡化計(jì)算中采用忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)，t－τ1=30－20= 10 d，取H（t）=0.462。

4 結(jié)語

對于轉(zhuǎn)換層的大體積混凝土施工，除了應(yīng)該進(jìn)行裂縫控制計(jì)算外，還應(yīng)當(dāng)采取合理的施工措施。裂縫計(jì)算是近似計(jì)算并且計(jì)算中的參數(shù)受施工條件的影響，如果施工措施不合理，仍然可能出現(xiàn)貫穿裂縫，或者由于混凝土的自約束作用而產(chǎn)生表面裂縫。

混凝土的溫升主要是由水泥水化熱引起的，所以水泥應(yīng)使用低水化熱水泥，并且不能使用剛出廠的熱水泥灰配置混凝土。應(yīng)該充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，如60 d，90 d，120 d強(qiáng)度，從而減少水泥用量，減少水化熱和收縮。為保證混凝土的可泵性可以加入適量減水劑和粉煤灰。混凝土中還可以摻入微膨脹劑補(bǔ)償收縮，如本文工程實(shí)例使用膨脹劑可以產(chǎn)生20℃的當(dāng)量降溫，從而保證了構(gòu)件不出現(xiàn)貫穿裂縫。混凝土養(yǎng)護(hù)過程中必須采取有效的措施保證混凝土緩慢降溫。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)裂縫的問題是可認(rèn)知、可控制的。根據(jù)現(xiàn)有的理論知識和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們完全可以把裂縫控制在工程可以接受的范圍之內(nèi)。而如何把裂縫控制在無害的范圍之內(nèi)，這就是結(jié)構(gòu)工程師們的藝術(shù)了。

［1］王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［3］唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］劉玉榮，周瑢，周聽照.高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層超長大體積混凝土施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，1996（5）：89-90.

［5］梁文.簡析大體積混凝土裂縫的控制［J］.山西建筑，2011，37（5）：91-92.

M ass concrete cracking control in the construction w ith multiple-layer grouting method of transformation layer

XIA Xu-biao

（Shanghai Biaoma Construction Engineering Consultation Co.，Ltd，Shanghai200336，China）

Starting from the generalmass concrete cracking control principle，the article discusses themass concrete cracking control and calculation of transformation layer in the construction withmultiple-layer groutingmethod，and shows an engineering crack controlling a calculation example，so as to further illustrate themass concrete cracking control concept.

transformation layer，multiple-layer grouting，crack，temperature stress

TU755.7

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.095

1009-6825（2012）19-0121-03

2012-04-18

夏旭標(biāo)（1970-），男，工程師