从结构设计角度谈超长混凝土结构裂缝控制

刘巧茹

摘要：混凝土产生裂缝的原因很多，本文结合实例，分析其产生原因，并从结构设计方面采取措施，控制裂缝产生。

关键词：混凝土；裂缝原因；抗与放

中图分类号：TU755 文献标识码：A 文章编号：1674-3024（2016）14-208-02

前言

当前，许多建筑工程如住宅小区、商用建筑包括办公大楼、商场等，均建有地下室，用作车库和人防设施，当地下室面积过长过大时，必须要设置伸缩缝，否则容易产生裂缝。

1超长混凝土结构的温度及收缩裂缝产生机理

混凝土形成过程中，受到多方面因素的影响，其中，混凝土因变形作用引起的裂缝以及因和温度变化引起的约束裂缝，通常被称为温度及收缩裂缝。在上述二种因素的影响下，混凝土结构中的竖向构件（包括剪力墙、柱等）均会出现竖向变形，由于竖向约束力非常小，能自由变形；而结构的水平构件（如：梁、板）的变形将受竖向构件的约束，在水平构件中将产生较大的约束应力，这种约束应力通常称为温度及收缩应力，也叫间接应力。

此可以表明，由于变形作用产生混凝土温度及收缩应力，这种应力不同于荷载作用产生的应力，其差别见图1。

上图清楚显示，因荷载作用而产生应力主要机理是由荷载直接对结构构件做功导致构件内能增加而产生应力的，具有直接性；温度及收缩作用下产生应力的机理是在温度及收缩作用下，先使构件发生变形，后在约束作用下使这种变形受到限制转化为内能而产生约束应力，具有间接性。

从有关的工程结构设计的人员都明白，混凝土抗拉伸能力都比较小，但混凝土结构在施工过程和使用过程中，均受到温差及约束作用的影响，致使混凝土结构产生约束应力。当这种约束应力也就是收缩和温度应力大于其抗拉强度时，就出现裂缝，这种情况，在超长混凝土结构中尤其突出。

2控制裂缝措施

混凝土裂缝产生的主要原因是受到温度及收缩作用影响，导致结构产生的拉应力高于其抗拉强度。这样我们可以在结构设计方面考虑，采用“抗”与“放”的设计方法，控制裂缝发生。

（1）设计中采用“抗”，其设计原则就是通过增加混凝土结构的能力使其足以抵抗来自温度及收缩引起的变形，让结构材料具有足够的极限拉伸和抗拉强度，抵抗来自温度及收缩的约束拉应力。

在这种设计原则基础上，可在混凝土结构施加预应力、膨胀加强带等做法，都能达到“抗”的效果。

（2）设计中采用“放”，其设计原则就是通过减少或释放结构约束，使到结构减少来自温度及收缩作用而产生的温度及收缩拉应力，使结构构件的相互约束减少，防止结构产生应力过大。

在这种设计原则基础上，可在施工过程中安设滑动支座、留设后浇带、采取跳仓施工等方法，均可以取得“放”的效果。通过采用“抗”或“放”的方法，可达到控制裂缝的目的。在具体工程施工中，普遍按照“抗放兼备”原则，通过采用多种措施，达到控制裂缝的目的。

3工程实例介绍

广东河源市某建筑工程，一共有3幢商住楼，为15层建筑。工程用途为商业、酒店、办公、住宅等，采用大底盘一层地下室连成整体。地下室总建筑面积为14393m，层高5.4m，为框架一剪力墙结构体系，地下室用途为设备用房、车库等，战时按核6级常6级人防设计。地下室平面布置见图1。

由于考虑到工程所采用的施工方案和施工技术，采用的施工材料以及地基变形等多种因素，如果在地下室设置变形缝，容易产生渗漏问题，业主方要求能找出更好方法，有效降低地下室渗漏机率。

经过充分论证多方比选，最终决定放弃地下室设缝方案，改用不设缝施工，但由于地下室在x、y方向分别为112.5m和144.5m，超长超宽程度较为严重，为确保地下室施工质量、安全和正常使用寿命，避免因受外墙出现裂缝导致地下室渗漏，影响使用功能，结构耐久性降低，工程施工中采用多种技术措施，通过“抗、放、补、防”相结合方法，有效控制地下室外墙裂缝。

4地下室外墙裂缝特征与产生的原因

4.1常见地下室外墙裂缝的主要特征

（1）外墙裂缝多呈竖向状，缝的长度和墙高接近，缝的中间比两头稍宽。裂缝多数分布在外墙中间位置，外墙两端位置裂缝较小。

（2）受到气温等因素影响，裂缝多数在拆模后不久出现。

（3）地下室外墙暴露在自然环境时间越长，裂缝数量增加越多，但裂缝宽度变化不大。

（4）地下室完成回填土作业后，裂缝宽度稍大处有少量渗漏，但水流量不大。

4.2分析裂缝产生原因

（1）设计问题

根据《混凝土结构设计规范》中相关要求，进行地下室现浇钢筋混凝土施工时，墙壁伸缩缝的最大间距为20m（露天）、30m（室内或土中）。但在具体工程中，许多工程的墙长度都超出长述规定，但进行结构设计时，有些设计人员设计时没有考虑到实际情况，地下室外墙水平钢筋仍按构造配置，这样会容易导致外墙产生裂缝。

（2）环境问题

和梁、柱构件构件相比，地下室外墙为薄壁构件，这种又薄又长的构件，容易受到温度、湿度变化的影响，因约束而产生较大内应力；在实际施工过程中，许多工程在墙体施工完成后都未能及时进行回填土作业或完成顶板浇筑，导致地下室墙体暴露时间过长，承受来自气候环境温差变化的影响。

地下室外墙温差可以采用平均温差T=（T1+T2）/2和温差梯度△T=T1-T2进行计算。平均温差会使墙板产生轴力，引起贯穿裂缝；温差梯度使墙板产生弯矩，引起非贯穿裂缝。两种裂缝当中，贯穿裂缝对地下室外墙危害更大。

（3）材料问题

配合比不准确、施工材料质量不合格、使用不当也会导致裂缝产生。如采用的水泥用量与品种不正确、所渗入的掺合料、外加剂质量不合格、粗细骨料不达标等；配合比没有进行准确设计，导致水灰比过高；施工用的UEA微膨胀剂不达标等，都会引发混凝土收缩产生裂缝。

（4）施工问题

采用泵送混凝土需要较大的坍落度，因此在混凝土拌合物配制过程中掺加了缓凝型高效减水剂和同时加大了粉煤灰的用量，但却影响混凝土早期的抗拉强度和弹性模量，降低混凝土早期的抗裂能力。另外，拆模时间和混凝土养护方法对裂缝开展也有影响。

5地下室外墙裂缝控制措施

5.1设计方面

（1）地下室外墙计算模型

假定地下室底板作为地下室外墙的嵌固端，则外墙底部弯矩与相邻的底板弯矩大小一样，底板的抗弯能力不应小于外墙的抗弯能力，其厚度和配筋量应相匹配。

（2）地下室外墙配筋计算

除与钢筋混凝土内隔墙相连的外墙按双向板计算配筋外，其余的外墙按竖向单向板计算配筋，同时还应进行地下室外墙抗裂性验算，控制裂缝宽度，使之满足规范要求。

（3）加强水平钢筋的配置做到“抗”的原则

由于水平钢筋对墙体的抗裂作用十分明显，适当增加水平钢筋的配筋率可减轻墙体开裂程度；同时钢筋的外形对墙体开裂也有很大的影响，光圆钢筋与带肋钢筋相比，带肋钢筋与混凝土的黏结力较强，裂缝开展较小。因此配置水平钢筋时应注意四个问题：①水平钢筋保护层应尽可能小些，以减小素混凝土出现开裂；②防裂钢筋的间距不宜太大，可采用小直径密分布的配筋方式；③考虑温度收缩应力的变化加强配筋率；④采用带肋钢筋比光圆钢筋好。故该地下室工程外墙采用φ14mm@150mm水平筋。

5.2材料方面

（1）地下室混凝土构件包括底板、顶板、外墙等，全部采用补偿收缩混凝土，补偿收缩混凝土在水中养护14d的限制膨胀率0.020%；后浇带和膨胀混凝土带的混凝土在水中养护14d的限制膨胀率应≥0.025%。

（2）采用中、粗砂。石子采用粒径较大、级配良好、含泥量≤1%的碎石或卵石。

（3）为了提高混凝土的抗裂性能，地下室顶板、外墙和底板均掺聚丙烯纤维（掺量0.9kg/m3）。

（4）在满足泵送混凝土施工工艺的前提下，采用热矿渣硅酸盐水泥，以降低水泥水化热。

5.3施工方面

（1）制定施工质量控制措施，保证混凝土施工过程的工序质量，提高混凝土均匀性。制备和运输混凝土要严格按照相关规定进行；避免混凝土浇筑时出现离析问题。施工单位在浇筑混凝土时，要在距离底板面500mm处留设水平施工缝的方法，做好混凝土振捣工作，防止外墙出现薄弱部位而产生裂缝。

（2）由于没有设变形缝，因此需要在地下室设置后浇带，每隔35m设一道，带的宽度为0.8m；另外设置膨胀混凝土带，每隔约30m设一道，带的宽度为2.0m，布设二者时要错开位置，使混凝土收缩应力减小，达到“放”的效果。

（3）拆模时间要根据天气变化情况和测温记录而定，使到混凝土的“应力松弛效应”能充分发挥，减小温度收缩应力，实现“防”的效果。具体实施时，要制定措施，保证混凝土内外温差不能超过25℃，温度陡降控制在10℃以内，并根据实际情况及时调整保温和保湿养护措施，把混凝土温差梯度和湿度控制在允许范围内。

（4）如施工处于夏季，气温炎热，混凝土拆模后要及时用塑料薄膜覆盖或覆盖麻袋并洒水养护，使持混凝土表面保持湿润，并根据施工规定确定养护时间。

（5）拆模养护周期完成后以及时回填，避免混凝土外墙外露时间过长。

（6）对混凝土外墙出现少量渗漏的地方，采用墙外内侧涂4层聚氨酯涂膜防水材料，并在第2至第3层之间进行化学灌浆，取得良好效果。

6结论

上述工程进行地下室外墙施工时，为避免出现有害裂缝，进行结构设计时，通过增加水平筋的配筋率、混凝土内掺纤维，实现了“抗”的原则；施工技术通过布设温度后浇带，实现了“放”的原则；通过膨胀混凝土带实现了“补”的原则；拆模时间合理、养护措施得当，实现了“防”的原则，在上述措施共同作用下，有效控制了裂缝的产生和发展。