超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因及控制方法研究

朱守萍++王勇

摘 要：近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國大中城市出現(xiàn)了許多大型建筑，這些建筑物平面尺寸超大，多采用超長混凝土結(jié)構(gòu)。由于超長混凝土結(jié)構(gòu)中未設(shè)置伸縮縫，溫度變形及混凝土收縮等因素將引起結(jié)構(gòu)大面積的開裂，必須通過采取合理的設(shè)計(jì)及施工措施以達(dá)到裂縫控制的目的，本文將從裂縫的成因及控制方法兩個(gè)方面進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：超長混凝土結(jié)構(gòu) 裂縫 控制措施 應(yīng)力

中圖分類號：TU77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0052-01

1 超長混凝土結(jié)構(gòu)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市建設(shè)的不斷加快，各種超大型的建筑物越來越多的出現(xiàn)。這些建筑物平面尺寸大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）所規(guī)定的伸縮縫間距限定值。我們將這種建筑物長度超過規(guī)范規(guī)定的設(shè)置溫度伸縮縫或防震縫的最大長度，但是不設(shè)置任何形式永久縫的混凝土結(jié)構(gòu)稱為“超長混凝土結(jié)構(gòu)”。

大型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫，不僅會給建筑的抗震要求、設(shè)備安裝等帶來了很多問題，另外對結(jié)構(gòu)的耐久性、耐火性、水密性、施工性和維修性等方面也會產(chǎn)生問題，影響結(jié)構(gòu)使用功能、立面造型、象征意義的要求。同時(shí)，設(shè)縫的結(jié)構(gòu)不利于抗震，關(guān)于多次地震震害統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示，設(shè)縫的高層建筑在地震時(shí)大都發(fā)生了相互碰撞，產(chǎn)生不同程度的震害。所以，在大型建筑物中采用超長不設(shè)縫混凝土結(jié)構(gòu)對建筑結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義，是未來的發(fā)展趨勢。

2 超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是指混凝土硬化過程中，由于混凝土脫水，引起收縮，或者受溫度、濕度、不均勻沉降等變形荷載的影響而產(chǎn)生的裂縫。我們在工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，很多結(jié)構(gòu)，雖然長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求不設(shè)縫的長度，但是在使用過程中卻沒有產(chǎn)生裂縫；與之相反的是，有些結(jié)構(gòu)雖然長度不大，符合規(guī)范不設(shè)縫要求，但是卻產(chǎn)生了裂縫。由此得出，結(jié)構(gòu)是否會產(chǎn)生裂縫，并不取決于結(jié)構(gòu)的單體長度，而是由約束條件、幾何形式、環(huán)境溫度、收縮情況等因素共同影響。

理論研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因比較復(fù)雜，按其成因有兩大類。

2.1 直接荷載作用引起的裂縫

直接荷載引起的裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，當(dāng)荷載應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會產(chǎn)生裂縫。

2.2 非直接荷載因素引起的裂縫

2.2.1 溫度的影響

混凝土?xí)S著溫度的變化而發(fā)生體積變形，在變形時(shí)會受到一定的“約束”或“抑制”的作用而產(chǎn)生應(yīng)力。對于超長混凝土來說，它總是置于一定的基底之上，必然受到約束，當(dāng)約束產(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面發(fā)生強(qiáng)度破壞，產(chǎn)生裂縫。

2.2.2 濕度的影響

混凝土在干燥過程中會產(chǎn)生水分蒸發(fā)，另由于其內(nèi)部含濕量的不均勻分布，會形成濕度變化梯度即結(jié)構(gòu)的濕度場，引起收縮應(yīng)力，并使混凝土結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生裂縫。

2.2.3 混凝土收縮

在混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的收縮變形受到基礎(chǔ)、豎向構(gòu)件及混凝土內(nèi)部鋼筋的約束，會在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度或拉應(yīng)變超過其極限拉應(yīng)變，結(jié)構(gòu)就會開裂。混凝土收縮的影響因素有很多：水泥等級、水泥質(zhì)量、配合比、混凝土密實(shí)度、環(huán)境溫濕度、養(yǎng)護(hù)方法、體表面積比、外加劑的品種、性質(zhì)和用量等都會產(chǎn)生影響。

2.2.4 約束

混凝土溫度和變化收縮引起的裂縫是由于變形受到約束引起的，沒有約束就不會有裂縫產(chǎn)生。按照作用性質(zhì)約束可分為兩種：（1）外約束—— 結(jié)構(gòu)之間、構(gòu)件之間的相互作用；（2）內(nèi)約束—— 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部在變形過程中的相互作用。在超長混凝土結(jié)構(gòu)中，多數(shù)情況構(gòu)件受到外約束與內(nèi)約束的共同作用。

3 裂縫控制方法分析

對于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制措施，總結(jié)處理裂縫的經(jīng)驗(yàn)，王鐵夢教授提出了“抗”與“放”的設(shè)計(jì)原則。所謂“放”就是采取措施減少溫度及混凝土收縮應(yīng)變的措施，比如設(shè)置后澆帶減少混凝土早期收縮和溫度應(yīng)變；而所謂“抗”就是通過采取各種措施抵抗溫度應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部的應(yīng)力小于開裂應(yīng)力，以達(dá)到控制裂縫的目的。

3.1 施加預(yù)應(yīng)力

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）中指出，為了控制超長結(jié)構(gòu)因?yàn)闇囟扔绊懠盎炷潦湛s而產(chǎn)生的裂縫，可通過施加預(yù)應(yīng)力減少其在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，這里提到的預(yù)應(yīng)力措施，是指專門用來抵消溫度及混凝土收縮應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力措施。呂志濤院士指出：“預(yù)應(yīng)力技術(shù)在解決大、高、重、新建筑工程的設(shè)計(jì)和建造難題中將繼續(xù)發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢，并且它也是調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，減少甚至取消大面積工程伸縮縫，防止開裂的重要手段。”施加預(yù)應(yīng)力是超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的有效方法，其施加的預(yù)應(yīng)力與溫度及混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力相互抵消，減小混凝土開裂的可能。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可根據(jù)規(guī)范中裂縫控制等級的要求，采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)公式并同時(shí)解決由于預(yù)應(yīng)力的增加而產(chǎn)生的不利影響。

3.2 設(shè)置后澆帶

從結(jié)構(gòu)裂縫控制角度來看，混凝土的收縮計(jì)算相對來說具有一定的不確定性，可以通過設(shè)置后澆帶，減小收縮應(yīng)力來減小收縮計(jì)算不確定性的影響，同時(shí)可以盡可能采取定性的措施減少混凝土結(jié)構(gòu)的收縮。設(shè)置后澆帶，是將結(jié)構(gòu)劃分為幾個(gè)小部分，在后澆帶封閉前，結(jié)構(gòu)可自由完成收縮變形，一段時(shí)間之后澆筑后澆帶，可減少混凝土收縮變形對結(jié)構(gòu)的影響。

3.3 優(yōu)化混凝土材料控制裂縫出現(xiàn)

減少混凝土收縮值、提高混凝土材料本身的抗裂能力有助于解決超長混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制問題。優(yōu)化混凝土的配合比，配置低收縮混凝土或采用補(bǔ)償收縮混凝土，減少混凝土收縮；采用摻加各種纖維的纖維混凝土，提高混凝土的抗裂能力；對水平構(gòu)件梁板等采用低中強(qiáng)度等級混凝土，減少混凝土的開裂可能性。

3.4 加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)條件、養(yǎng)護(hù)效果對混凝土的收縮影響很大，環(huán)境的相對濕度越大，混凝土的收縮越小，對于補(bǔ)償收縮混凝土更是如此。在補(bǔ)償收縮混混凝土澆筑后，須在潮濕的環(huán)境中才能發(fā)生膨脹，一般要求在澆筑完成后連續(xù)澆水養(yǎng)護(hù)，只有養(yǎng)護(hù)措施到位，才可充分發(fā)揮補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹補(bǔ)償作用，避免或減少超長結(jié)構(gòu)的裂縫出現(xiàn)。

4 結(jié)論

對于超長結(jié)構(gòu)的裂縫控制來說，采用綜合控制方法，應(yīng)從減小溫度及收縮作用，及從利用預(yù)應(yīng)力或其他措施抵抗溫度及收縮拉應(yīng)力這兩方面為切入點(diǎn)，解決混凝土抗裂問題。這就要求工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)、施工全過程中綜合各類影響因素，采取相應(yīng)措施，進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制，才能徹底解決超長混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制問題。

參考文獻(xiàn)

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