超长结构无缝设计控制裂缝的措施__墨水学术,论文发表,发表论文,

所属栏目：工业设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:264

副标题#e#
　　（此篇不需单位）
　　超长结构无缝设计控制裂缝的措施
　　吴建华
　　摘要：随着建筑业的迅猛发展，经常会遇到超长结构中无缝设计和施工的问题，在超长结构施工中，裂缝的控制是一个很重要的课题。本文引用了超长结构的定义,详细地剖析了裂缝形成的原因,概述了裂缝的类型,提出了裂缝控制的无缝设计与施工的技术措施，并在实际工程中得到了应用。
　　关键词：超长结构裂缝无缝设计控制措施
　　1结构裂缝产生的原因及分类
　　建筑工程中，混凝土结构的裂缝问题较为普遍。建筑物产生裂缝的原因很多，使用荷载、温度变化、混凝土收缩、施工过程中养护不当、不均匀沉降等都可以引起裂缝的出现，它给使用者感官和心理上造成不良影响。并困扰着大批工程技术人员。它是国际上钢筋混凝土界一个迫切需要解决的技术难题。
　　随着建筑向大型化和多功能发展，超长（即超过温度伸缩缝间距）高层或大柱网建筑不断出现，混凝土强度等级的提高，施工中泵送混凝土工艺的应用。都导致超长结构更容易产生裂缝。其裂缝，按成因基本可归结为由外荷和变形引起的两大类裂缝。其中由混凝土收缩和温度变形引起的收缩裂缝和温度裂缝以及由这两种变形共同引起的温度收缩裂缝是实际工程中最常见的裂缝。但是通过大量的调查和实测研究发现，工程实践中的许多裂缝现象并非与荷载作用有直接关系，而是由变形作用引起的。这种变形作用包括温度变形(水化热、气温变化、太阳辐射等)，收缩变形(干燥收缩、碳化收缩、塑性收缩等)，地基不均匀沉降(膨胀)变形。因此，对于超长结构，要考虑的主要问题是由变形作用可能引起的裂缝，这其中又以温度变形和收缩变形为主。
　　2超长结构无缝设计的概述
　　在现浇钢筋混凝土结构中，当建筑物平面某个方向达到一定长度时，由于环境温度的变化以及混凝土本身的变形等都会引发裂缝的产生。因此，规范规定，须每隔一定长度设置伸缩缝。目前，混凝土规范中有关伸缩缝最大间距的规定是根据我国大部分地区在过去几十年的城市建设中，在一般正常的施工技术条件下，建筑物受温度影响可能产生危害的经验和大多数建筑物的开裂统计资料，经过综合分析之后得出的。限定建筑物设缝的最大长度，目的是要控制温度变化及混凝土收缩产生的有害应力，吸收和适应建筑物的各种变形需要。
　　伸缩缝的设置虽然能够较好地解决上述问题，但同时也带来许多其它问题。它不仅对整个建筑的连续不断的立面效果和装饰风格产生不同程度的负面影响，而且使结构的处理变得复杂化，施工难度增大，装修较困难，地下室容易渗漏等，且不利于抗震，设缝处容易受到碰撞而产生震害。因此，一种新的无缝设计技术应运而生，它是指建筑物超过规范规定的设置温度伸缩缝或防震缝的最大长度而不设置任何形式永久缝的结构设计方法。所谓“无缝设计”只是个相对概念，根据结构情况，可无缝或少缝，它不包括沉降缝或带有沉降性质的后浇缝。大量工程实践证明，结构留缝与否并不是决定结构变形开裂与否的唯一条件。按照规范要求设置伸缩缝的建筑物开裂的不占少数，而超过规范的限制，超过最大伸缩间距的建筑，由于采取了相应的技术措施，建筑物建成后没有产生任何有害裂缝的也有很多成功的例子。由于超长结构无缝设计克服了设置变形缝可能带来的负面影响，因此正在被广大结构设计人员逐渐接受并推广。
　　3超长结构无缝设计控制裂缝的措施
　　超长结构无缝设计的裂缝控制是一门综合技术，它涉及建筑材料、气候环境、施工工艺、设计方法、结构造型等各个方面，各种因素相互影响，相互制约。对于钢筋混凝土结构来说，裂缝的产生是不可避免的，但其有害程度是可以控制的，有害与无害的界限是由结构的使用功能来决定的。对于超长结构的无缝设计，裂缝控制的主要方法是通过设计、施#p#副标题#e#工、材料等方面综合技术措施将裂缝控制在无害范围内。
　　3.1设计技术措施
　　3.1.1采用补偿收缩混凝土
　　在普通混凝土中加入一定比例的微膨胀剂后，混凝土在水化过程中会产生适量膨胀，这时混凝土中的钢筋会对它的膨胀产生限制作用，钢筋本身也因与混凝土一起膨胀而产生拉应力，同时混凝土中就产生相应的预压应力σC：
　　σc=μ•Es•ε2(1)
　　式中：μ———混凝土的配筋率(%)；
　　Es———钢筋的弹性模量(MPa)；
　　ε2———混凝土的限制膨胀率(%)
　　一般来说，普通混凝土在空气中产生的总收缩值εy为4~6×10-4，而混凝土的极限拉伸值εp为1~2×10-4。由式(1)可见，σc与ε2成正比关系，而限制膨胀率ε2可以通过调整外加剂的掺量来控制。根据补偿收缩混凝土的技术要求，混凝土在湿养期间，它产生的限制膨胀率ε2应大于1.5×10-4，一般为2~4×10-4，相应的预压应力σc为0.2MPa～0.7MPa，这一预压应力能够抵消导致混凝土开裂的全部或大部分应力，从而使结构不裂或把裂缝控制在无害裂缝范围内(小于0.1mm)。
　　3.1.2合理设置膨胀加强带和后浇加强带
　　后浇带是目前设计人员常采用的一种扩大伸缩缝间距和取消伸缩缝的有效措施，它既是施工措施，也是设计手段。它利用了混凝土早期收缩量大的特性，主要作用是释放早期混凝土收缩应力，减小以收缩为主的变形。但这种缝只在施工期间存在，施工完毕后，后浇带对混凝土由于温差所引起的伸缩就不起任何作用了。而且后浇带一般需经两个月左右才能填缝，使工期延长，如果填缝不好，还会留下渗漏的隐患，同时也会影响结构物的整体质量。因此，在超长结构工程中，我们可以采用无缝设计技术，即在结构收缩应力最大的地方设置膨胀加强带或后浇加强带来取消后浇带。膨胀加强带或后浇加强带的位置与数量设计与后浇带的设计方法相同，带宽为2.0m，间距可控制在40m~60m，加强带内混凝土提高一个标号，并增加10%~15%的温度钢筋，要求分布均匀，且钢筋伸入两侧各1m。带的两侧架设密孔铁丝网，防止带外混凝土流入带内。施工时，先浇灌带外混凝土，再浇加强带内混凝土，且带内混凝土外加剂的掺量比带外混凝土相对提高，整个施工过程是连续的。
　　这种方法通过调整外加剂的掺量，使混凝土获得不同的限制膨胀率，加强带处的膨胀率较大，一般为4~6×10-4，而两侧混凝土的膨胀率较小，一般为2~4×10-4，形成中部大两边小的膨胀区，从而使结构的收缩应力得到大小适宜的补偿，达到防止结构开裂的目的。目前，国内已有多个重大工程成功应用此法[3]，都取得了较为满意的效果。
　　对于混凝土墙体，由于墙体薄、面积大、养护困难，容易出现收缩裂缝，因此，可采用后浇加强带(2m宽)，即先分段浇筑完带外各区，两周后再用大膨胀混凝土填缝，且带内要设置止水钢板、止水条或将加强带设成阶梯形。
　　3.1.3采用预应力混凝土结构
　　预应力混凝土结构能在梁板中产生一定的预压应力，可以抵消由于混凝土温度变化和收缩产生的轴向拉应力，从而达到扩大温度伸缩缝间距的目的。有条件的工程建议在主体结构的顶部和首层楼板双向布置无粘接预应力筋，按照裂缝控制的技术要求施加预应力。
　　3.1.4加强构造措施
　　①对于超长结构楼板，鉴于泵送混凝土的收缩值比现浇混凝土大20%～30%，为减少有害裂缝，可采用补偿收缩混凝土浇筑，并在板的未配筋表面每方向增配0.2%左右的控制温度收缩裂缝的构造钢筋。抗温度、收缩钢筋宜采用直径细而间距密的方法配置，其间距不宜大于100mm，即可利用板内原有的钢筋贯通布置，也可另外设置构造钢筋网，并与原有钢筋按受拉钢筋的要求搭接或在周边构件中锚固。在有受力钢筋处，实配钢筋尚应考虑温度收缩应力影响予以适当增大。
　　②框架梁及所有现浇梁，当梁腹板高度≥4#p#副标题#e#50mm时，均应设置腰筋，腰筋宜细而密，间距不应大于200mm，每侧腰筋的截面面积不应小于扣除板的厚度以后梁截面面积的0.1%。
　　③剪力墙结构不宜超长。为了控制温差和干缩引起的竖向裂缝，剪力墙中水平分布钢筋的配筋率宜在0.4%～0.6%，并采用带肋钢筋，钢筋间距不宜大于150mm，采取细而密的配筋原则。由于墙体受底板或楼板的约束较大，混凝土胀缩不一致，宜在墙体中部1m范围内，将水平筋的间距加密为100mm，形成一道“水平暗梁”，以平衡收缩应力。在剪力墙的首层及屋顶层水平分布钢筋，尚应按相应抗震等级的加强部位要求进行配筋。
　　④当柱子与剪力墙连在一起时，由于柱子的截面和配筋率都比墙体大得多，往往在相连部位出现过大的应力集中而开裂。为了分散应力，应该在此处增加水平筋φ8~φ10@200长，度1000mm，200mm插入柱中，800mm插入墙体中。
　　⑤在孔洞和转角部位，由于荷载或温度收缩作用，会引起应力集中，导致裂缝产生。应在转角处增配放射状钢筋或网片，在孔洞周边设置加强钢筋等。
　　3.1.5控制现浇板的混凝土强度等级
　　现浇板的混凝土强度等级不宜太高，在满足承载力和防水要求的条件下，宜在C35以下选用。混凝土强度等级高，水泥用量多，硬化过程中水化热高，收缩大，容易引起裂缝。特别是对厚大体积混凝土，这种现象更加明显。
　　3.1.6采用高效保温材料
　　采用高效保温材料，加强屋面保温隔热措施，加厚保温层，或增设带有微坡的结构架空层，以产生一定的气压差，形成空气流通，降低直接作用到结构顶面上的温度，起到隔热作用。保证主体建筑大部分结构构件不外露，使主体结构构件受温度变化的影响降到最低，减少温度裂缝的产生。
　　3.2施工技术措施
　　①严格控制混凝土原材料的质量和技术指标，粗细骨料的含泥量应尽量减少(1%~1.5%)。水泥优先选用水化热低的品种，如矿渣硅酸盐水泥。采用粉煤灰，它可以改善混凝土的黏塑性，并可代替部分水泥，减少混凝土的用水量和水泥用量，从而减少水化热及混凝土中的孔隙，提高密实性和强度，提高抗裂性。
　　②混凝土的浇筑振捣技术对混凝土密实度是很重要的，要引起充分重视。最适宜的振捣时间是5s~15s，泵送流态混凝土仍然需要振捣。混凝土的浇筑应尽量采用低温入模，低温养护，使混凝土终凝时温度尽量降低，减少水化热和收缩。研究表明，当混凝土内外温差为10℃时，产生的冷缩值为0.01%，如温差为20℃～30℃时，其冷缩值为0.02%～0.03%，当其大于混凝土的极限拉伸值时，则引起结构开裂。混凝土的养护对控制裂缝的产生也十分重要，浇筑后应及时采用塑料薄膜或喷养护剂及草帘进行保湿和保温养护。
　　③基础底板等大体积混凝土，应采取分层浇筑，阶梯式推进，每层混凝土在初凝前完成上层浇筑，新旧混凝土接槎时间应根据具体工程情况确定，但应避免出现施工冷缝。对墙、梁板等结构构件应分层散热浇筑，其后做好保湿养护，不得提早拆模，避免混凝土过早失水。
　　④主体结构与填充墙以及其他非结构构件之间的连接采用钢丝网加砂浆过渡，防止出现任何形式的非主体结构裂缝，影响外观和使用。
　　⑤对于跨季节施工的超长结构，临时保温隔热措施一定要跟进，以防止主体结构长期暴露在高温或寒冷之下，出现裂缝。
　　4工程实例
　　某商业广场，地下2层，地上6层，现浇钢筋混凝土框架结构，总长140m，宽85m。根据使用功能和立面效果的要求，不能设伸缩缝，此值已经大大超过了规范规定的设置伸缩缝间距的允许值。本工程采用了超长结构无缝设计裂缝控制的综合技术措施，较好的解决了该超长结构的裂缝控制问题。
　　具体做法如下：在主体结构长度方向设置了3条加强带，宽度方向设置了两条加强带。对于地下室外墙，在对应底板加强带处的外墙上采用后浇加强带。混凝土采用低#p#副标题#e#水化热的商品混凝土，基础底板及地下室外墙的混凝土中均掺加HA类高效抗裂防水剂，抗渗等级为S8。在楼层板中也掺加HA类高效抗裂防水剂。加强带内混凝土提高一个标号，增配15%的温度钢筋，且外加剂的掺量比带外混凝土大2%~3%。控制外加剂的掺量，使加强带处混凝土的膨胀率为(4~6)×10-4，非加强带处为(2~3)×10-4。外加剂的选用及施工严格按照《混凝土外加剂应用技术》规范(GB50119-2003)的规定执行。加强带混凝土与非加强带混凝土同时连续浇筑，不留施工缝，地下室外墙的后浇加强带在养护14d后再浇筑。结构的楼层板及屋面板配筋，除满足计算要求外，均增配0.2%的温度构造钢筋。屋顶采用保温性能好的聚苯板，保证在使用阶段，结构屋顶受外界温度的影响最小。施工阶段，对混凝土的配料、搅拌、运输、浇筑分别设置专职人员与设备进行管理，严格控制进场材料的质量，通过计算及试配确定混凝土各组成材料之间的配合比，在满足混凝土强度等级的前提下，严格控制水灰比不大于0.5。浇筑混凝土时，预留测温孔，根据其内部的温度变化及时调整温控措施。对浇筑完毕的混凝土，及时进行覆盖，严格监控前28d的养护，使其处于淋水保湿状态。目前，该商业广场即将投入使用，实测数据显示，该结构基本未出现有害裂缝，具有较高的抗裂可靠度。在使用过程中，我们将继续监测该结构的裂缝产生情况，及时总结经验教训。
　　5结语
　　上述各种技术措施的综合运用，可以较好的解决不同类型的超长结构无缝设计的裂缝控制问题。国内的研究成果和工程实例表明，对于长度在150m以下的超长无缝结构，采用以上的综合控制措施后，对裂缝的控制效果都是比较理想的。
　　超长结构无缝设计裂缝控制的综合技术，通过在多个工程实践中的应用，被证明是行之有效的，也逐渐被广大设计人员所采用。但其中的一些措施主要是基于概念设计和定性分析，如何通过进一步的定量计算及实验验证，尚需作深入工作。具体工程在采用时应根据其各自特点，并结合本地区的抗震设防要求综合考虑。当然，我们相信，随着建筑技术的不断进步，新材料、新工艺的不断涌现，建筑物的裂缝控制技术将会不断完善，这一技术难题也一定会被圆满解决。