超长重载结构预应力的施工及裂缝控制

贾小倩徐新锋

[摘要]结合实际工程案例，说明了裂缝控制基本原理在工程中的运用。并参考相关文献简要阐述了超长结构温度应力的产生及不设缝的原理，分析了结构的温差变化及收缩过程，并在此基础上说明了裂缝控制的基本原理。可供设计及施工人员参考。

[关键词] 超长结构 预应力 温度应力 裂缝控制

1.工程概况：

上海保税物流园区国际物流中心K5-8仓库工程为钢筋混凝土有粘结预应力结构的框架结构体系，地上二层、局部四层。总建筑面积为76580m2。仓库一层层高为9.0m，二层层为8.3-13.23M不等,建筑物总高度为25.5M，南北宽为168米,东西长为206.4米，两方向柱距都是12m，其中9～10轴间设置一道伸缩缝，将结构分成168m和103.2m的二块。中间J-H间为重型集卡车通道，库区荷载为3吨/M2，且结构的长宽都远远超过规范规定的不设缝的长度，属超长重载结构。结构将会产生较大的温度应力和收缩应力，为了控制结构因温差和收缩可能带来的裂缝，采取早期裂缝控制措施控制混凝土早期收缩和水化热产生的较大的温度应力，同时对结构施加预应力一方面满足结构超长重载的要求，另一方面通过预应力控制结构后期温度裂缝，满足使用要求。

K5-8仓库工程施工分区布置图

2.主要技术原理

2.1、超长结构温度应力的产生及不设缝的原理。

考虑一两端嵌固的结构的温度应力如图所示，在一温差T的作用下，结构将发生变形αTL，同时由于固端约束的作用，结构将产生内应力：

其中E—结构材料的弹性模量；

α—材料的线膨胀系数

由上式可见，对两端嵌固的结构，其温度应力与结构的长度无关，而实际结构不存在绝对的两端固端约束，因而实际的结构温度应力总是要小于σmax。对以上分析可见，任何结构的温度应力都存在一个有限的最大值，只要采取措施使结构能够抵抗这一最大应力，就可以不设温度缝，这就是工程中不留伸缩缝的“抗”的原则，利用对结构施加预应力来抵抗结构的温度应力就是利用这一原则的一个例子。

2.2、结构温差变化和收缩的过程分析

对超长大跨预应力结构，根据其梁板柱的混凝土的尺寸一般可以归为中体积混凝土结构，而与如大坝的大体积混凝土相区别。其裂缝的出现过程可以分为三个活动期。结构的温差主要由于气温变化，水化热及生产散发热等因素产生。裂缝早期活动阶段，从混凝土入模大约经过24～30小时可以达到最高温度，最高水化热引起的温度比入模温度高约30～35度以后开始根据不同的速度开始降，温一般经10～30天可以降至周围的气温，此期间大约还有15%～25%的收缩，地基也可能出现早期不均匀的沉降。往后3～6个月收缩完成60%～80%，可能出现“中期裂缝”，这便是中期裂缝活动阶段。到一年左右的时间，收缩完成约95%，可能出现“后期裂缝”。结构的裂缝的出现与降温和收缩有直接的关系。此后，结构的裂缝将处于一个比较稳定的时期，，正常情况下裂缝出现的几率很小。由以上分析可见，结构遭受的最大温差，收缩及沉降等作用主要是在施工期间发生，在这以后温差将比较小，收缩只剩下一部分。工程的实践表明，对现浇混凝土结构来说，裂缝大多出现在早期活动阶段。

2.3、 超长结构裂缝控制措施

（1）利用“抗”的原则进行裂缝控制

所谓“抗”就是采取措施抵抗混凝土中可能会产生的拉应力。由于混凝土的抗拉强度低而抗压强度相对较高，所以如果预先在混凝土中建立一定的压应力，这样就可以全部或部分抵消混凝土中将要产生的拉应力，因而可以在混凝土中建立预应力来控制裂缝的开展。在混凝土中建立预应力的方法通常有两种。

○1通过张拉在混凝土中设置的预应力钢筋建立预应力，文献[2]中通过将因温度及收缩产生的内力参与荷载组合的方法，采用预应力钢筋控制混凝土中的应力从而达到超长结构的裂缝控制的目的，文中的实例证明了施加预应力控制裂缝的可行性。

○2可以在混凝土中加入膨胀济，或使用膨胀水泥，从20世纪80年代至今，以UEA混凝土为主导的膨胀混凝土在结构自防水和结构裂缝控制等方面得到了较大的运用文献[4] 中，对膨胀水泥膨胀剂的的品种性能及其使用作了比较详细的说明，文献[5]中，对补偿收缩混凝土（SCC）的的性能作了较为详细的试验研究，并对膨胀混凝土的设计给出了较好的参考图表。膨胀混凝土的使用对于抵抗因收缩应力引起的收缩裂缝有显著的效果，通过UEA混凝土的运用在超长结构中设置膨胀加强带，取消伸缩缝和后浇带的工程实例在文献[6]中有较好的介绍。尽管膨胀剂在混凝土结构中运用的总体效果良好，但在有些工程中斌没有取得明显的效果，有时甚至出现负面作用因而在工程中要根据实际情况选择使用，并且特别要注意施工的质量。

○3除了在混凝土中建立预应力，还可以采用其他“抗”的方法，采用一些构造措施，在混凝土中配置细钢筋，或在一些特殊部位设置钢筋网片，来抵抗温度收缩应力，还可以使用纤维混凝土，提高混凝土的抗拉强度等措施。

（2）利用“放”的原则进行裂缝控制

○1后浇带控制开裂的原理。在实际工程中，可以将结构分段施工，段与段之间留一道缝，经过一段时间后在将各段浇成整体。这样就避开了结构的最大温差，而且早期不均匀沉降已经发生，避开结构早期不均匀沉降产生的应力，收缩也发生了一部分，减小了收缩应力。可见设置了后浇带后一定程度减小了结构的变形应力。这便是工程中控制裂缝“放”的原则。然而在后浇带的处理，在施工中本来就不是一件比较容易的事情，处理不好，反而可能导致裂缝，这就完全违背了设后浇带的初衷。因而后浇带的处理要慎重，在有条件的情况下最好取消后浇带，在大面积施工中通常还要设施工缝，应尽可能将施工缝与后浇带重合。关于后浇带的间距，形式及有关构造措施，可以查阅有关文献。

○2通过合理布置施工顺序可以在一定程度上起到后浇带的作用来控制裂缝。利用与后浇带同样的原理基础上产生了“跳仓打”的施工方法。文献[7]中介绍了超长结构工程实例通过采用跳仓施工方法，取消了原定设计的伸缩缝，加快了施工进度，取得了很好的经济效益，下图为该工程BC两区的跳仓施工顺序。跳仓施工与设后浇带的思想是一致的，不同点仅在于后浇带中放任两块相邻混凝土自由收缩的时间更长一些，都可以释放最大温度应力，使收缩部分发生，只是后浇带的程度通常要大一些。由以上分析，可以根据“放”的原理将后浇带，跳仓施工等方法扩展，即在施工中，要灵活利用各种情况，调整工序（如在预应力结构中），利用施工中的间歇等因素，在条件可能的情况下，避开混凝土的大面积连续浇注，都可以起到“放”的作用。

3、施工方案部署

根据本工程特点，结合工期、预应力施工方法、支撑模板材料的周转及施工单位的经验，在J-H轴间，设置一条膨胀加强带，决定采用加强带将结构整体平面分成8个区进行施工，施工分区布置如上图所示。每个区混凝土一次性随浇捣随抹光。混凝土一次性浇筑面积大，约4900m2，施工及成品保护难度较大，混凝土在温度与收缩作用下易产生较大的温度应力与收缩应力。施工中采取散热、面层保护及保温、温度监测等相应措施。为控制早期裂缝，从以下三方面考虑：

3.1、认真选择原材料，严格控制混凝土施工配合比。

混凝土设计为强度C40，采用低水化热水泥，7天的水化热指标不超过275KJ/Kg，尽量减少水泥用量，每立方混凝土水泥用量为305Kg，掺入一级粉煤灰，掺量不超过15%，粗骨料采用5～31.5mm与20-40mm石子合理搭配使用,力求达到级配的最佳效果，含泥量不得大于1%，孔隙控制在39%以内。中粗砂细度模数2.5～3.0，砂率宜控制在40%以内，减少水灰比使其控制在0.55以下，同时为保证混凝土的和易性使用高效减水济3301，具体的配合比如图所示。

结构C40混凝土配合比

3.2、加强带的留置方法及时间。加强带混凝土强度等级C45比梁扳主体高一级，并掺入HEA微膨胀剂，根据梁扳混凝土的升降温曲线，當混凝土内外温差降至一定阶段后将加强带浇上，一般为主体浇筑20天左右后浇筑加强带。混凝土水化热绝对升温计算：

Tmax=mcQ/cρ

其中Tmax—最终升温值

mc—每立方米水泥用量

Q—每千克水泥28天的水化热

C—混凝土的比热0.97KJ/Kg·K

ρ—混凝土的质量密度

通过计算Tmax =49.1℃ 考虑到天气、养护、模板等具体情况，根据有关公式可以算得混凝土的升降温线如下图所示：

中心混凝土升降温曲线图

由上图可以看出，梁中心混凝土在浇筑6天时温度上升至最高，此后开始降温，一般约20天左右可以降至周围温度。所以在混凝土浇后20天封闭加强带时已经释放了混凝土的早期温差应力。

3.3、加强对结构混凝土的养护措施。在混凝土浇筑好以后12小时以内上面覆盖一层塑料薄膜并加上一层土工布，上面铺一层模板做为面层的保护措施，浇水养护时间不少于14天，同时结构侧模板推迟拆模时间，并保持湿润。

3.4、经过验算在混凝土达到设计强度80%后立即进行张拉，此时混凝土的内外温度基本相同，但混凝土的收缩才完成20%左右，施加预应力后，可以防止混凝土的收缩开裂，也达到缩短工期的目的。

4、 结 语

4.1、同样的结构施工会有多种施工方案，方案的选择对施工工期及整体的效益会有较大的影响，所以施工方案制定时要仔细考虑各方面的因素，优选比较，选择综合效益高的方案施工。

4.2、对于超长结构的裂缝控制可以采用多种措施综合处理，对早期裂缝控制可以用放的原理设置后浇带，但后浇带也有其弊端，即处理麻烦，且影响工期，因而建议在条件允许的情况下取消后浇带，通常根据实际情况设置加强带会取得较好的效益。

4.3、通过对混凝土的配合比的设计可以对温度收缩应力起到很好的控制作用，如在本文的工程中后浇带间距就远远突破了通长20m～30m的长度，与加强带接合起来达到了不设后浇带的目的。

4.4、通过施加预应力不仅可以解决结构大跨重载的问题，还可以起到较好地控制超长结构后期裂缝的目的，同时在一定程度上还可以控制混凝土的早期收缩裂缝。

4.5、我们通过以上各种方法的综合运用，经过大型集卡实际运行5年的观察分析，有效控制了超长钢砼及重载结构的裂缝，并取得了较好的实际效果。

参考文献

[1]王铁梦..工程结构裂缝控制. 中国建筑工业出版社，1997.

[2]吴开成，庄一舟，干钢. 大跨预应力超长结构无缝设计及控制研究.空间结构. 2004. 9

[3]熊学玉，刘华良. 重庆机场指廊超长预应力结构设计与施工. 施工技术.2003.7

[4]冯乃谦. 实用混凝土大全.科学出版社.2001.2

[5] 张建国，李思慧，王力波. UEA混凝土膨胀加强带无缝设计在工程中的应用.煤炭工程.2003.10

[6]、游宝坤. 混凝土膨胀剂及其应用. 中国建材工业出版社. 2002.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。