超長結構設計裂縫控制方法

江炬康

廈門合立道工程設計集團股份有限公司（361006）

超長結構設計裂縫控制方法

江炬康

廈門合立道工程設計集團股份有限公司（361006）

結合某超長結構工程設計，簡要論述超長結構裂縫控制若干方法。通過結構設計分析和采取設計措施，實現超長結構的裂縫控制。

超長結構；控制縫；跳倉法

1 工程概述

本工程位于福建省廈門市新開發區五緣灣片區，由一棟商業購物中心、兩棟辦公樓、一棟酒店及其配套裙樓組成，計容建筑面積176 320 m2。其中商業購物中心為超長建筑，建筑長度約為248 m，寬度120～70 m；總建筑面積3 0710 m2；地下2層，地上3層；結構總高度為32.3 m（如圖1所示）。

圖1 建筑效果圖

2 設計參數

本工程建筑設計使用年限50年，建筑結構安全等級為二級，地基基礎設計等級甲級，建筑抗震設防類別為重點設防類，所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15 g。設計地震分組：第二組。場地類別：Ⅱ類。特征周期Tg=0.40 s。建筑類別調整后用于結構抗震驗算的烈度7度，建筑結構的阻尼比5%。采用框架結構，框架抗震等級一級。50年一遇的基本風壓為0.80 kN/m2,地面粗糙度為B類。廈門市基本氣溫：最高35℃,最低5℃[1]。

3 工程中常用的裂縫控制方法

3.1 設置后澆帶

后澆帶主要作用在于減小施工階段的結構長度，以減少混凝土的收縮應力，消除施工期間的差異沉降。后澆帶不直接減少使用期間的溫度應力。習慣上將后澆帶分為沉降后澆帶和伸縮后澆帶。沉降后澆帶主要用于消除施工期間建筑物差異沉降對結構的影響。后澆帶的澆筑時間應有足夠的保證，一般應在建筑主體封頂、全部填充墻完成后，根據沉降觀測記錄確定澆筑時間。伸縮后澆帶主要用于減少早期混凝土收縮對結構的影響，混凝土收縮需要相當長的時間才能完成，一般其澆筑后60 d大致可完成收縮量的70%。《建筑防水工程技術規范》指出，混凝土的收縮變形在齡期為6周后才能基本穩定。因此，伸縮后澆帶的澆筑時間可適當前移。一般情況下，伸縮后澆帶是在過長的建筑物中，每30～40 m間距設寬度為700～1 000 mm的施工后澆帶。后澆帶內鋼筋采用直通加彎或搭接做法。后澆帶混凝土宜采用早強、補償收縮的微膨脹混凝土，其混凝土強度等級應比設計強度等級提高一級。后澆帶混凝土宜在兩側混凝土澆筑兩個月后澆灌[2]。

3.2 改善配筋形式

實踐證明，在混凝土構件的受拉區域配置鋼筋可以有效控制裂縫，并且裂縫的形式和裂縫的寬度與鋼筋的配置方式有關。細而密的配筋以及黏結錨固性能較好的變形鋼筋,控制裂縫的效果比較好，這點也可以從《混凝土結構設計規范》[3]第7.1.2條中體現。故采用細筋密配的形式布置鋼筋，可以改善裂縫的分布形態。

3.3 采用施加預應力的配筋形式

采用施加預應力的配筋形式,利用預應力抵消、減小混凝土的拉應力，是常用控制裂縫的有效手段。但是本工程建筑平面為弧形，一方面預應力鋼筋布置不易；另一方面，預應力的施加可能對弧形平面外側產生拉應力，不僅不能抵消、減小混凝土的拉應力，反而增加混凝土的拉應力。故本工程未采用此構造方式。

3.4 設置控制縫[4]

控制縫也可以稱為引導縫，是結構縫的一種形式。它是人為地將混凝土結構的某些截面削弱，以誘導在間接作用下的裂縫沿著這些預先選擇好的截面，按規定的形式開裂。同時，通過預先采取的有效措施,消除裂縫可能帶來的不利影響，減小到可以接受的程度。在不能自由變形的超靜定混凝土結構中，間接作用引起的拉應力可以通過控制縫得到釋放。引導開裂的間接裂縫出現以后，周邊一定范圍內集聚起來的拉應力將得到釋放，是一種解決裂縫的有效手段。

3.5 跳倉法[5]施工

跳倉法是由我國著名裂縫控制專家王鐵夢教授提出和推廣的。王教授提出“抗與放”的設計正是基于這個原則。跳倉法施工對于減少超長、超厚、超薄大體積混凝土的裂縫效果顯著。跳倉法是為縮短施工周期、解決超長結構混凝土中收縮應力及溫度應力的有效措施。它是將建筑物地基或大面積混凝土平面機構劃分成若干區域，早期隔塊跳倉澆筑，后期分塊封倉，將建筑連為一體。封倉時間為早期混凝土澆筑完7～10 d，跳倉法起到早期混凝土主要靠分塊釋放溫度應力、后期主要靠混凝土的抗拉能力吸收溫度應力的效果，這樣就不用留后澆帶了。

3.6 控制溫度裂縫

根據《建筑結構荷載規范》對結構進行溫度應力分析，在溫度應力超過混凝土抗拉強度區域，采用鋼筋抵抗溫度變化產生的溫度應力（主要是拉應力），從而控制由溫度變化產生的溫度裂縫。

4 本工程結構單體超長設計方面的解決措施

本工程相對于一般工程的主要特點就是超長（長度約為248 m，當時在福建省內無類似工程案例），超長建筑的主要問題就是裂縫問題，目前混凝土工程中的裂縫絕大多數都是由于混凝土收縮、溫度變化、強迫位移（基礎不均勻沉降等）等非常規荷載作用造成的間接裂縫。

4.1 結構選型

混凝土結構總的構件,除了少數是靜定構件（如簡支板、簡支梁、懸臂構件等）以外,絕大多數是超靜定結構。超靜定結構具有很好的整體穩固性和抗震性能,對結構的安全是有利的。但是,這種穩固性使構件的變形、位移受到制約,往往在某些非荷載因素作用下（例如混凝土收縮、溫度變化、強迫位移等）產生約束并引起約束應力。剛度越大的超靜定結構,其約束作用越強。而約束作用引起的拉應力集聚到一定程度以后，就會在抗拉性能很差的混凝土中引起裂縫。故本工程采用剛度相對較弱的框架結構。

4.2 結構計算分析

根據《建筑結構荷載規范》GB 5009-2012，溫度作用的主要荷載組合如下。

應力控制的主要組合：

4.2.1 計算程序

本工程主體結構采用中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部開發的PKPM系列軟件SATWE計算,并采用PMSAP軟件補充計算、校核溫度應力。

4.2.2 計算輸入

采用三維空間分析程序PMSAP，考慮溫度作用。廈門市基本氣溫最高35℃，最低5℃，計算按± 15輸入，進行整體結構內力、變形及位移的計算分析。為保證實際情況可以符合計算假定，考慮升溫工況下溫度應力為壓應力，對結構裂縫控制有利。施工時，控制結構后澆帶澆筑時間里當月平均氣溫不高于20℃。

4.2.3 計算結果

經過計算結果對比分析，溫度拉應力最大為結構3層（建筑1層）的X向，以上樓層逐層降低，同樓層Y向小于X向。如圖2～5所示。）

圖2 3層溫荷1 X向正應力

圖3 3層溫荷1 Y向正應力

圖4 3層溫荷2 X向正應力

圖5 3層溫荷2 Y向正應力

4.2.4 結果后處理

對于板的配筋，溫度工況下的樓板應力見“溫度單工況下的等值線圖”。假定溫度應力為1 500 kN/m2，板厚為130 mm，若不考慮混凝土承擔拉力作用，拉力由樓板鋼筋承擔，每米寬度內所需承擔溫度應力的鋼筋為1 500×0.13×1.0×1 000/360=542 mm2，即板上下兩層鋼筋面積總和不小于500 mm2。考慮溫度作用的組合系數0.6，上下兩層鋼筋面積為325 mm2，板跨中（板面通長筋）實際配筋為325/ 2=163 mm2，板支座實際配筋及板底筋實際配筋為PMCAD計算的板低筋面積與溫度作用下的附加板底筋面積（325/2=163 mm2）疊加。

對于梁的配筋，采用PMSAP及SATWE計算結果取包絡值。梁頂跨中根據需要設置不少于兩根通長鋼筋，梁兩側設置腰筋，腰筋與腰筋、腰筋與主筋之間間距S≤200 mm。腰筋在框架梁兩端支座按受拉錨固設計，即滿足抗扭縱筋的錨固要求。

4.3 構造措施

在頂層、底層、山墻和縱墻端開間等溫度變化較大的部位提高配筋率。

合理設置結構的溫度縫，適當減小結構的溫度區段長度。本工程每隔40 m左右，設置一道溫度后澆帶,帶寬1 000 mm。后澆帶鋼筋采用搭接接頭，后澆帶混凝土強度等級應比設計強度等級提高一級。后澆帶混凝土在兩側混凝土澆筑兩個月后澆灌，釋放施工階段的大部分溫度應力。

結合建筑要求，本工程設置覆土為600 mm厚的種植屋面，有利于減小室內外溫差，從而降低屋面溫度應力。

通過PMSAP分析可知，在樓板平面洞邊、頸部、凹角等部位均存在應力集中情況，本工程通過增加板厚、加大板通長鋼筋、增設角部斜筋及放射筋等構造措施來控制溫度裂縫的產生。

5 結語

混凝土作為復合型的建筑材料，是一種多相態的混合體。其本身具有的不連續性就決定了裂縫是混凝土與生俱來的特性。影響結構溫度應力的因素很多，目前情況下，對結構的溫度應力計算結果一般都大于實測值。對受溫度變化影響比較大的結構及構件,應采取加強措施。這里通過實際工程，從結構設計角度淺述控制裂縫的若干方法，供設計同行借鑒。

[1]GB 50009-2012,建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2012.

[2]朱炳寅.建筑結構設計問答及分析（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社,2013.

[3]GB 50010-2010,混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[4]徐有鄰,顧祥林,劉剛,林峰.混凝土結構工程裂縫的判斷與處理[M].北京：中國建筑工業出版社,2016.

[5]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社,2000.