超長混凝土結構無縫設計研究

孫 寧，厲玲玲

(商丘師范學院土木工程學院，河南 商丘 476000)

0 引言

近年來，隨著我國社會經濟的迅速發展和綜合國力的不斷增強，我國城市建設進程不斷加快，為適應新的城市功能，我國建筑向大型化和多功能化發展，面積過萬平方米、尺寸超百米的鋼筋混凝土結構比比皆是。若按傳統的設計方法，必然需要設置多條甚至數十條后澆帶或伸縮縫以防止結構收縮開裂。如此多的后澆帶或伸縮縫無疑會給設計和施工帶來很大麻煩，同時還可能對結構整體抗震性能造成一定的影響。因此，在超長混凝土結構工程中，如何取消后澆帶或伸縮縫采用“無縫設計、施工”，成為一個亟待解決的問題。

1 無縫設計的技術原理

混凝土受到各種因素的影響，都會產生收縮，但在收縮與膨脹的過程中受到鋼筋和外約束作用，使收縮受到限制，在內部產生“內聚力”和外界的“限制力”等間接應力，造成混凝土開裂。無縫設計就是充分利用補償混凝土的化學補償能，并將其轉化為構件的預壓應力，以抵消混凝土內的間接應力，從而防止或減少混凝土收縮開裂，連續澆筑大尺度混凝土結構的一種新技術。

研究表明，在鋼筋和外約束下補償混凝土在硬化過程中膨脹作功，使鋼筋受拉，而混凝土受壓。當鋼筋拉力和混凝土壓力平衡時則有:

其中:σc——混凝土預壓應力(MPa);

Ac——混凝土截面積(mm2);

σs—— 鋼筋拉應力(MPa);

As——鋼筋截面積(mm2);

Es——鋼筋彈性模量。

公式(2)表明補償收縮混凝土的預壓應力σc與截面配筋率ρ、鋼筋的彈性模量ES及補償收縮混凝土的限制膨脹率ε2有關。限制膨脹率ε2隨膨脹劑摻量增加而增加，所以可以通過調整膨脹劑的摻量來獲得不同的預壓應力。

因此，要有效控制超長混凝土結構的裂縫，需在一定的間距范圍內削弱溫度等間接應力的作用。根據參考文獻，當結構長度大于55m時，結構用混凝土就應用補償混凝土或在結構間接應力較大的位置設置膨脹加強帶，由于膨脹帶摻入了大量的膨脹劑，產生較大的膨脹率，而兩側混凝土膨脹較小，形成中間大兩端小的膨脹補償區。

圖1 混凝土膨脹加強帶模型示意圖

2 無縫設計的技術措施

超長混凝土結構隨著溫降和收縮的產生，溫度收縮應力從結構的兩端向中間逐漸增大，結構的中間部位收縮應力最大，當最大溫度收縮應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土結構就從中部開裂，形成貫穿性結構裂縫，影響結構的抗震性能及防水質量。為了既防止超長混凝土結構的開裂，又不顯著增加材料費用，除了采用補償混凝土技術外，還可以在混凝土結構的適當部位提高膨脹劑的摻量，形成一個較兩側膨脹量更大的混凝土膨脹加強帶。

從圖1可知，超長混凝土結構使用普通混凝土的溫度收縮曲線為ABCDE，其應力從兩端向中部增大到B、D兩點時，即σ≥ftk(混凝土立方體強度抗拉標準值)，開始發生開裂，釋放能量;當超長混凝土結構采用小摻量膨脹劑的補償收縮混凝土時，能夠抵消部分溫度收縮應力，其溫度收縮應力曲線為AFGHE，其應力仍從兩端向中部隨結構長度的延伸而增加，達到F、H兩點時開始開裂。可見，小摻量膨脹劑的補償收縮混凝土達到結構開裂時的結構長度較普通混凝土延長，起到一定的補償作用。當大面積采用小摻量膨脹劑的補償收縮混凝土、并在適當部位F、H處局部加大膨脹劑摻量形成膨脹加強帶時，對混凝土結構進行疊加式重復補償，其溫度收縮應力曲線為AIJKE。當小摻量補償收縮混凝土的溫度收縮應力從兩邊向中間逐漸增長到F、H處，兩點的拉應力達到混凝土的抗拉強度，如果應力繼續增長混凝土結構就會發生開裂，為避免開裂，必須在F、H處設置膨脹加強帶，由于在加強帶增大膨脹劑摻量，加強帶部位儲存了較大預壓應力對其進行補償，使其應力分別降低至I、K，溫度收縮應力從I、K兩點開始重新增長。區間I、K應力隨長度增加而增加，到達中點J處應力達到最大值，此時σmax≤ftk，這就保證結構不會開裂。

這樣F、H、J三個臨界點拉應力為:

其中:n——膨脹加強帶的數量;

ftk——混凝土的抗拉強度標準值(MPa);

ε＇2、ε＇2—— 分別為小摻量、大摻量補償混凝土的限制膨脹率;

α——混凝土的線膨脹系數1×10－5/℃;

ch——雙曲余弦函數;

l——結構長條板的長度(mm)。

設F點為中點，則由式σF≤ftk得:

又F、H兩點對稱，可求出F點到H點的水平距離為:

在F、H兩點設置膨脹帶，其余n－2條膨脹帶平均分配。

3 工程實例

北京地區某六層辦公用房，平面尺寸為90×22.5m，柱網尺寸為7.5m ×7.5m，框架柱截面b×h=600mm×600mm，框架梁截面b×h=300mm×550mm，層高H=4.8m，150mm厚現澆混凝土板，梁板柱混凝土強度等級均為C30，因使用功能和建筑需要，要求采用無縫設計。C30補償混凝土配合比，見表1。

表1 C30補償混凝土配合比(kg)

3.1 設計方案

結構長度達到90m，遠遠超出了規范規定的55m，應設溫度縫或后澆帶，但由于功能和建筑需要，要求采用無縫設計;寬度未超過規范規定長度。因此在水平構件混凝土選擇補償收縮混凝土，并在長度方向的合適位置設置膨脹加強帶。混凝土采用42.5普通硅酸鹽水泥，摻12%UEA，加強帶處摻15%UEA，梁板平均配筋率，澆筑混凝土時溫度為20℃，見表2～表4。

3.2 溫度計算

混凝土在澆筑完成后，由于水化熱的作用，在內部產生一個較大的溫升過程，

混凝土結構的計算厚度H(m)，雙面散熱按下式計算:

板:H=h+2h＇=0.15+2 × 0.802=1.754m

梁:H=h+2h＇=0.55+2 × 0.802=2.154m

齡期t時，混凝土中心溫度與外界氣溫之差△T(t):

由混凝土的收縮公式:

由表4可知，在第30天時，綜合溫差達到最大值為－ 15.2℃。

表2 各齡期混凝土構件溫度計算值

表3 各齡期混凝土構件收縮溫差當量值

表4 各齡期混凝土構件綜合溫差值

3.3 限制膨脹率測定

筆者曾在該工程開工前，會同施工單位和商品混凝土供應商對膨脹加強帶的作用在實驗室進行模擬實驗，即采用100 mm×100 mm×300mm的限制架，中間三分之一裝入膨脹加強帶混凝土，兩邊各三分之一裝入普通膨脹混凝土，試驗結果如表5所示，從表5可見，普通膨脹混凝土(內摻UEA12%) 的14d水中限制膨脹率為2.3 ×10－4，而膨脹加強帶混凝土(內摻UEA15%)限制膨脹率為3.6×10－4，明顯高于普通膨脹混凝土。二者復合后限制膨脹率達到3.0×10－4，證明膨脹加強帶混凝土對兩側混凝土有補償收縮作用，使總體膨脹率由2.3 ×10－4提高到3.0 ×10－4，使混凝土溫度收縮應力減小，防止超長混凝土結構的開裂。

表5 膨脹加強帶混凝土的試驗結果

由式(6):

取n=1，即在不動點處設置一條膨脹加強帶。

3.4 應力計算

由公式(5)計算距結構中點x=0m，x=20m，x=40m處的應力，見表6。

表6 早期施工及硬化階段溫度應力計算結果表(MPa)

顯然，間接應力均未達到混凝土的抗拉強度標準值，混凝土未發生開裂;因此，采用混凝土膨脹加強帶作為控制超長結構的溫度收縮應力，減少或避免混凝土開裂是有效的。

4 結論

綜上所述，從理論上可知，在超長混凝土結構中充分利用補償收縮混凝土的補償性能，能做到較長范圍內的無縫設計和施工，但由于建筑工程的特性所決定，受外界的影響較大，不可能做到無限長的無縫設計和施工。

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