大跨鋼梁組合桁架混凝土樓板的裂縫控制

李鳳偉 楊明英 呂冰澤 李 響 石興新

中建三局集團有限公司 北京 100097

1 工程概況

天津大學新校區圖書館工程位于新校區東西主軸線上，分為南北兩區，中間通過兩處跨度35.40 m的大跨鋼梁組合桁架結構連成整體。每榀桁架由3層鋼梁通過2根混凝土鋼管斜撐柱和2根空心鋼管斜撐柱組合形成整體，支撐在兩端的鋼管混凝土柱上，每層鋼梁上均澆筑厚150 mm的混凝土樓板（圖1）。結構下層樓板距室外地坪高10.80 m，樓板模架為高支模，對質量控制有不利影響[1,2]。

圖1 大跨鋼梁組合桁架示意

2 裂縫產生因素分析

2.1 大跨度鋼梁的撓度變形

組合桁架跨度35.40 m，鋼結構撓度變形大，混凝土樓板支撐在大跨鋼梁上方，極易因鋼梁的撓度變形產生形變裂縫。

2.2 組合桁架的受力特點

三層鋼梁與鋼管斜撐柱組合形成整體鋼結構桁架，鋼梁上部的混凝土樓板與鋼結構桁架協同工作。根據組合桁架的受力分析，上層混凝土樓板兩端受拉中部受壓，下層樓板主要承受拉應力，混凝土樓板受拉，極易產生裂縫。

2.3 鋼結構及混凝土樓板臨時支撐拆除引起應力釋放

混凝土樓板施工完成并達到設計強度后，在組合桁架臨時鋼支撐及混凝土樓板滿堂支撐架拆除過程中，組合桁架存在較大的應力釋放及形變過程，造成混凝土樓板開裂。

2.4 臨時支撐及高支模影響

下層混凝土樓板模板支撐架的搭設高度為10.80 m，此高支模落在原狀土和回填土上。組合桁架臨時鋼支撐落在原狀土上。如果施工中對臨時鋼支撐和高支模架體的基礎處理不當，容易引起組合桁架和樓板的不均勻沉降，造成樓板裂縫。

2.5 混凝土結構收縮變形及環境影響

混凝土樓板長35.40 m，東西兩處寬度分別為26.65 m和18.55 m，板厚150 mm?；炷两Y構超長，樓板板薄，無混凝土結構梁加強，混凝土自身收縮容易造成板面裂縫。此外，工程位于郊區，大風天氣多。大跨結構遮擋物少，混凝土澆筑過程易因水分流失過快造成樓板開裂[3,4]。

3 施工技術措施

3.1 適當增加鋼梁預起拱

本部位施工圖紙中要求斜撐與水平鋼梁交點位置及鋼梁跨中位置設置1～3 cm的起拱高度。通過對該部位各施工工況進行電腦仿真模擬，起拱高度在原設計的基礎上增加1.00～1.50 cm，減小混凝土樓板受拉情況，避免混凝土樓板下撓受拉產生裂縫。詳見圖2。

圖2 鋼桁架起拱示意

3.2 合理安排鋼結構桁架施工順序

1）優先施工組合桁架兩端的鋼筋混凝土結構以及桁架支座鋼管柱混凝土，待兩側混凝土達到設計強度后，再進行大跨結構施工，減少大跨結構對兩側混凝土的影響；

2）在鋼梁下設置臨時鋼支撐，減小鋼梁與斜鋼管組合形成整體桁架前兩側支座位置的受力和彎矩；

3）鋼結構施工完畢后，先行澆筑斜向鋼管柱內的混凝土，待其達到設計強度，3層鋼梁與斜向鋼管柱形成整體桁架;

4）在混凝土樓板施工前，拆除鋼結構臨時支撐，釋放鋼桁架應力應變和大跨撓度變形，確保在混凝土樓板施工前鋼桁架結構變形基本完全；

5）混凝土樓板施工從下而上逐層施工，待混凝土達到設計強度后，從上而下逐層拆除混凝土樓板模板支撐架，分級釋放應力應變，避免應力應變突變，減小混凝土裂縫。

3.3 臨時鋼支撐和模板支撐架體的布置及拆除

1）在水平鋼梁和鋼斜撐形成整體桁架前，為避免大跨鋼梁對兩側結構產生較大拉力，造成混凝土結構開裂，在桁架梁的中間位置設置600 mm×200 mm×10 mm×15 mm的H型鋼臨時支撐。型鋼臨時支撐上部設置千斤頂，用以調節鋼結構起拱高度，保證鋼結構起拱高度滿足設計要求。

2）混凝土樓板模板支設方案必須通過專家論證方可施工。設計采用滿堂碗扣支撐架，立桿縱橫間距1.20 m，步距1.50 m。為保證樓板混凝土強度增長順利，在混凝土樓板施工過程中下層架體不拆除，以確保每層的結構自重和施工荷載均能夠傳遞到地基持力層，直至頂層樓板強度達到要求。混凝土樓板支撐架拆除時自上而下逐步拆除，形成“自下而上施工，自上而下拆除”的施工順序。“自下而上施工”保證施工進度；“自上而下拆除”分級釋放應力應變，避免應力應變突變，減小混凝土裂縫。

3.4 優化混凝土原材料性能

3.4.1 優化混凝土材質

大跨鋼梁組合桁架樓板混凝土選用質量穩定、抗裂性能好的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，同時嚴格控制混凝土的水膠比，保證最小水泥用量。該部位混凝土水泥強度等級選用42.5級，水膠比為0.47，水泥用量為300 kg/m2。滿足規范要求的同時具有良好的和易性和可發展強度，并能夠很好地抵抗裂縫的產生。

3.4.2 摻加膨脹劑

此部分樓板混凝土采用微膨脹混凝土，摻加UEA膨脹劑，摻量為10%，補償混凝土的收縮，提高混凝土的抗裂性能，有效減少混凝土裂縫的產生[5]。

3.5 嚴格控制施工質量

針對大跨鋼梁組合桁架混凝土樓板施工編制專項技術方案，在大跨結構中間位置設置寬4 m混凝土微膨脹帶，抵消混凝土自收縮變形；混凝土澆筑前在大跨結構四周搭設防風架，張掛彩條布，減少大風天氣對混凝土澆筑質量的影響；混凝土樓板收面后覆蓋塑料薄膜，做好混凝土保水養護。在采取相應技術措施的基礎上，嚴格落實三級交底制度，確保管理人員和施工工人掌握施工要點。制訂獎罰制度，調動工人積極性，保證混凝土的澆筑質量[6]。

4 施工效果

通過合理安排施工工序、優化施工工藝和建筑材料，采取必要的施工技術措施和施工管理措施，逐項化解可能造成大跨鋼梁組合桁架混凝土樓板開裂的影響因素，使可能出現的樓板裂縫得到了有力控制。

經現場計量，本工程大跨鋼梁組合桁架混凝土樓板的裂縫數量平均為47 mm2/m2，裂縫寬度均小于0.20 mm，遠小于天津市結構“海河杯”對一般混凝土樓板要求的100 mm2/m2，有力地保證了工程施工質量，為工程創優奠定了良好的基礎。