劉睿

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006）

混凝土抗裂性能差，出現(xiàn)裂縫的概率較大?；炷灵_裂會導(dǎo)致構(gòu)筑物的耐久性降低、功能失效等問題，嚴(yán)重時還會影響結(jié)構(gòu)的強度與使用性能。所以從設(shè)計到施工到養(yǎng)護都要給予高度重視，把裂縫控制在國家現(xiàn)行規(guī)范允許的范圍內(nèi)。潮濕、腐蝕侵蝕、水壓力水位變化等等因素，由于環(huán)境類別較高，對地下結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，GB50108—20081《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》和GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》嚴(yán)格規(guī)定裂縫寬度不得大于0.2 mm。

1 超長混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫成因

許多混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同形式的裂縫，這是一個比較普遍的現(xiàn)象。近代科學(xué)關(guān)于混凝土強度的研究及大量工程實踐所提供的經(jīng)驗表明，結(jié)構(gòu)物的裂縫是不可避免的。肉眼可見的裂縫范圍一般為0.05 mm，不小于0.05 mm的裂縫稱為宏觀裂縫，宏觀裂縫是微觀裂縫擴展的結(jié)果。一般工業(yè)與民用建筑中寬度小于0.05 mm的裂縫對使用都無危險性，故假定具有小于0.05 mm裂縫的結(jié)構(gòu)為無縫結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)混凝土裂縫成因主要有以下幾種：1）混凝內(nèi)外溫差過大時會產(chǎn)生溫度裂縫，也是裂縫產(chǎn)生的主要因素之一。水泥水化是個放熱過程，其水化熱為165～250 J/g，隨混凝土水泥用量提高，其絕熱溫升可達(dá)50～80℃?；炷猎跐仓?，由于體積大，集聚在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，這樣在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，在外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于此時混凝土的強度低，有可能產(chǎn)生表面裂縫。在降溫變化時，混凝土澆筑后經(jīng)過一段時間，混凝土從較高溫度逐漸降溫，引起混凝土收縮，同時由于混凝土中多余水分蒸發(fā)、碳化等引起的體積收縮變形，受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束，不能自由變形，導(dǎo)致產(chǎn)生開裂。2）由荷載作用產(chǎn)生的裂縫。當(dāng)荷載產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力其大于混凝土的極限拉伸值時，則引起結(jié)構(gòu)開裂。這一類裂縫在設(shè)計階段均進行了核算和控制。3）施工縫，后澆帶，變形縫等設(shè)置不合理，甚至取消設(shè)置，照成結(jié)構(gòu)超長，容易引起混凝土開裂。4）施工沒嚴(yán)格按設(shè)計的配合比進行計量配料，混凝土振搗不到位，養(yǎng)護時間不夠等因素。

2 裂縫控制對策

2.1 設(shè)計階段控制裂縫

2.1.1 鋼筋的配置

根據(jù)經(jīng)驗，在溫度應(yīng)力較大處配置一定數(shù)量的溫度構(gòu)造鋼筋；在應(yīng)力復(fù)雜位置，如突出的墻體、突變的墻段、開孔洞及埋套管的部位適當(dāng)增加一些構(gòu)造鋼筋，作局部增強處理。另外，對受力鋼筋進行優(yōu)化，遵循“小直徑、小間距”有利抗裂的原則，在通過鋼筋等強度代換后，建議將水平鋼筋間距控制在100 mm左右，一般不宜超過150 mm；水平鋼筋常放在豎筋外側(cè)有利于減少墻體豎向裂縫開裂。

2.1.2 水泥的選擇

宜選用中、低水化熱、干縮性小的品種，宜選用普通硅酸鹽非早強型水泥或礦渣硅酸鹽水泥，不宜用硅酸鹽（純硅）水泥。在滿足強度、抗?jié)B及和易性要求下，減少單位體積混凝土的水泥用量和用水量。混凝土中摻入高效減水劑、緩凝劑等外加劑和適量粉煤灰，改善混凝土的流動性、保水性，降低水化熱。

2.2 施工階段控制裂縫

2.2.1 混凝土備料

配制混凝土?xí)r，應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比和水泥用量?？刂苹炷恋娜氡锰涠仍?40～160 mm范圍內(nèi)，大于160 mm坍落度的混凝土不得超過10%，嚴(yán)禁現(xiàn)場加水。因為混凝土坍落度過大，稍加振搗即出現(xiàn)石子下沉，漿體上浮，容易產(chǎn)生收縮裂縫，同時由于在混凝土拌合物有多余水量，混凝土硬化后，隨著水分的蒸發(fā)比較容易出現(xiàn)干燥收縮裂縫。

2.2.2 混凝土的澆筑溫度

混凝土的澆筑溫度，是指混凝土從攪拌機出料后，經(jīng)過路途運輸、泵送澆筑、振搗等工序后的實際溫度。如果澆筑溫度過高將會引起較大的干縮，因此應(yīng)合理組織混凝土的供應(yīng)，降低混凝土的澆筑溫度。在澆筑時應(yīng)盡量擴大澆筑工作面，降低澆筑速度和減小一次澆筑厚度，且在初凝前進行第二次振搗，防止混凝土沉落。嚴(yán)格按施工規(guī)范保證養(yǎng)護時間，一般不小于14 d。在冬季施工時，在混凝土澆筑前，模板外鑲貼聚苯泡沫板，同時加掛一層阻燃保溫被，在兩模板接縫處再加掛一層保溫被進行搭接；混凝土澆筑完畢后在墻體頂部覆蓋保溫被；30 h后拆除模板立即用溫水在混凝土表面噴霧，然后加掛一層較厚的塑料薄膜，塑料薄膜外根據(jù)溫度情況再加掛1～2層阻燃保溫被，保溫被彼此搭接不出縫隙，搭接處用鋼筋綁扎連接，進行保溫、保濕養(yǎng)護14 d。

2.2.3 設(shè)置后澆帶、膨脹帶

當(dāng)超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫困難時，可以采用設(shè)置后澆帶的辦法。后澆縫又稱為后澆帶，僅存在于施工期間，間距一般控制在30～40 m，后澆帶應(yīng)貫通頂板、墻板和底板，寬度為700～800 mm。它有效解決設(shè)立永久性伸縮縫帶來的弊端，且對結(jié)構(gòu)抗震和防水有利，可釋放部分基礎(chǔ)不均勻沉降引起的應(yīng)力，簡化了建筑構(gòu)造，便于施工，可節(jié)約一些建筑防水材料，無伸縮縫結(jié)構(gòu)的漏水處理也比設(shè)伸縮縫漏水處理容易。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)在地下室內(nèi)柱網(wǎng)排列不均勻或建筑平面不規(guī)則，致使部分區(qū)域無法設(shè)置后澆帶時，可增設(shè)膨脹加強帶。膨脹加強帶混凝土采用C40的微膨脹混凝土澆筑。

3 溫度作用分析工程實例

長?？h城區(qū)應(yīng)急供水工程凈水車間，平面長79 m，寬41.8 m，地上2層，建筑高度11.35 m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)。二層?xùn)|側(cè)12～13軸之間有個2.35 m高的錯層。為滿足水工和工藝流程需要,不能設(shè)置伸縮縫。結(jié)合該工程,從結(jié)構(gòu)布置、溫度作用兩個方面對超長混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行分析。

3.1 結(jié)構(gòu)布置

歷年來對超長結(jié)構(gòu)的研究均強調(diào)合理的結(jié)構(gòu)布置的重要性。此工程利用車間內(nèi)水工構(gòu)筑物，采用周邊樓蓋搭接到池邊的結(jié)構(gòu)布置形式。沿跨度方向布置次梁，并與池邊用30 mm苯板聚硫密封膠填塞，形成一端固定一端交接的受力體系。樓板設(shè)計成單向板，與次梁整澆，這樣受力方向就降低了溫度應(yīng)力影響，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)“抗”和“放”的設(shè)計原則。

3.2 溫度作用分析

目前《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對超長結(jié)構(gòu)，建議采取設(shè)置伸縮縫的辦法來控制溫度變化的影響。對無法設(shè)縫的情況并未給出具體的設(shè)計方法。此工程結(jié)合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的思路，對框架結(jié)構(gòu)進行溫度變化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析。

梁板式結(jié)構(gòu)如施工期間采取必要的技術(shù)措施時，可根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》只考慮使用期間的溫度作用。根據(jù)《長?？h跨海引水工程初步設(shè)計報告》，長?？h屬北溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。全年無霜期210～220 d，年平均氣溫9.8℃，最高氣溫33.4℃，最低氣溫-22.5℃。多年平均相對濕度69%；每年7月份相對濕度最大，平均達(dá)91%；11月至次年3月相對濕度在60%左右。

首先，結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用期間所經(jīng)歷的季節(jié)溫度變化可按下式求得：

其中Tpmax=33.4℃，Tpmin=-22.5℃，

再將混凝土收縮等效成收縮當(dāng)量溫差，與最大季節(jié)溫差相疊加,作為最不利溫差施加于結(jié)構(gòu)。對于此工程：△Ty=εcs（t，ts）/αc，其中 αc：混凝土線膨脹系數(shù)，取 1×10-5。εcs（t，ts）=εcs0βs（t-ts）。

混凝土收縮應(yīng)變的計算：

混凝土收縮應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線如圖1所示。

收縮當(dāng)量的溫差計算：

圖1 混凝土收縮應(yīng)變與時間的關(guān)系圖

其中：εcs0為名義收縮系數(shù)；t1 取 1 d；h0=150 mm；h 為構(gòu)件理論厚度,h=2A/u=0.02A/u=1.35，其中A為構(gòu)件截面面積，u為構(gòu)件與大氣接觸的周邊長度；βsc依水泥種類而定的系數(shù),對一般的硅酸鹽類水泥或快硬水泥為βsc=5；fcm為強度等級C20～C50混凝土在28 d齡期時的平均立方體抗壓強度，C30 時 fcm=0.8fcu，k+8 MPa=0.8×30+8=32 MPa；fcm0=10 MPa；ts為收縮開始時的混凝土齡期，可假定為3～7d；RH為環(huán)境年平均相對濕度，取RH=69%；RH0=100%；βRH為與年平均相對濕度相關(guān)的系數(shù),適用于40%＜RH＜90%。

對于此工程，構(gòu)件開始受荷時混凝土齡期t0取為7 d，計算溫差△T=△Tt+△Ty=55.9+45.8=101.7℃?？捎肕IDAS等軟件通過上述計算結(jié)果進行溫度計算，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體分析時直接輸入降溫溫差 101.7×0.35=35.6℃。

3.3 結(jié)論分析

1）底層框架柱受到地基基礎(chǔ)的約束較強，收到到溫度作用產(chǎn)生的抗力也較大，其余層框架柱上下端位移差較小，溫度作用的內(nèi)力也較小。可見，溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力與構(gòu)件的約束剛度有關(guān)。

2）框架梁溫度內(nèi)力最明顯位置是，縱向變形零點處的框架梁，該處承受溫度作用下的最大軸向拉力。根據(jù)分析結(jié)果，施工時可在該處設(shè)置后澆帶并加強養(yǎng)護。

3）溫度作用在框架的端部較為明顯。

4 結(jié)語

裂縫控制屬耐久性的重要方面，以前往往被忽視，其中對裂縫的控制會影響到工程的后期使用，尤其在水利工程建筑物中，往往都是重要類別的建筑，使用年限也較普通工業(yè)與民用建筑高，這就對裂縫控制提出了更高的要求。防治大體積混凝土裂縫是一個綜合的問題，需要設(shè)計、施工、監(jiān)理以及建設(shè)方共同配合，才能達(dá)到控制裂縫的目的。

［1］GB50108—2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］DLT5057—2009，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，中交天津港灣工程設(shè)計院有限公司，長海縣跨海引水工程初步設(shè)計報告［R］.