地下室超长混凝土结构裂缝控制技术探讨

潘玉珀，高善友，续宗广，王 帅，朱永涛，张海旭，邵珠令（中国建筑第八工程局第二建设有限公司，山东 济南 250014）

通过在混凝土结构中增加预应力筋和添加抗裂纤维，可以抵抗混凝土后期收缩和温度引起变形产生的拉应力，避免受力裂缝的产生，同时通过优化混凝土原材料及配合比设计，设置膨胀加强带，采取适当施工工艺和养护措施等进一步控制裂缝的产生，可以有效解决结构的抗裂问题。

1 工程概况

石家庄某展览中心位于河北省石家庄市中心商务区东北部正定新区，项目占地为 64.4 万 m2，总建筑面积 35.9 万 m2，是大型综合性的多功能会展建筑，也是目前北方较大会展中心，世界较大悬索结构建筑。该工程地下室主要由会议中心和中央大厅地下结构以及 A、D 标准展厅地下结构组成（图 1），会议中心和中央大厅地下结构长 663.0 m，南北宽 133.2 m，A、D 标准展厅部分地下结构长 180.6 m，宽 153.5 m，虽然该工程结构超长，但考虑到结构整体性要求，整个地下室未设置任何永久性结构缝。本工程地下室底板及顶板外墙均为超大超长钢筋混凝土结构，且变截面部位易产生应力集中，如何保证超大超长结构的结构安全性和结构的抗裂防水效果，是本工程的施工技术难点。

鉴于本工程的复杂性和技术难度，采用了优化混凝土配比和后浇带设置，增加预应力，添加高性能纤维复合膨胀剂等综合抗裂措施，来控制结构有害裂缝的产生。

图1 地下室结构平面组成

2 超长混凝土结构控制裂缝的措施

混凝土结构物的裂缝类型主要有干缩裂缝、塑性收缩裂缝、沉降裂缝、温差裂缝、荷载裂缝以及化学反应引起的裂缝。在混凝土结构中裂缝无法完全避免，只是应将裂缝控制在符合规范要求范围内，使其不致发展成有害裂缝。实际设计施工中着重从提高混凝土自身抗裂能力、释放引起混凝土裂缝的应力两方面解决混凝土结构裂缝问题。石家庄国际展览中心从配比设计优化、外加剂选用、施加预应力、合理设置施工后浇带以及适当的养护及施工工艺等方面综合考虑。

2.1 混凝土配比设计优化

由于建筑功能及使用要求，本工程混凝土结构未设置任何永久性结构缝，设计对混凝土自身抗渗防裂提出了更高的要求。混凝土收缩是引起超长大面积混凝土结构开裂的主要原因之一，混凝土原材料及配合比决定了混凝土的收缩变形和力学性能，为降低大体积混凝土收缩影响，合理选择凝土原材料和优化配合比设计，对材料自身的收缩和抗裂性能实施有效控制，是混凝土结构裂缝控制的最基本途径。本工程底板及外墙混凝土选用了强度等级为 C 40，抗渗等级为 P 6的混凝土，同时应符合以下要求。

(1) 选用水化热低和凝结时间长的水泥(低热矿渣硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥等)，并掺入一定量的粉煤灰、缓凝剂及高效减水剂，粉煤灰的等级应 ≥I 级。掺加粉煤灰能在保证混凝土强度有效地减小水化热，延迟峰温出现的时间。所用外加剂应具有标明产品主要成分的产品说明书、出厂检验报告和合格证、掺外加剂混凝土的性能检验报告。

(2) 严格控制粗、细集料的含泥量和级配，采用碎石集料配置混凝土，粗集料选用粒径为 5～31.5 mm 连续级配、干湿变形小的石灰岩碎石。细集料选用细度模数 2.30～2.90 左右的中砂，砂率在 41%～45% 之间，在满足可泵性的前提下，尽量降低砂率。坍落度在满足泵送条件下尽量选用小值，减少收缩变形，砂含泥量控制在 2% 以下。

(3) 利用混凝土后期强度（60 d）代替 28 d 强度进行配合比设计，减少水泥用量。

2.2 添加高性能纤维混合混凝土膨胀剂

混凝土的温度和收缩应力是造成混凝土产生裂缝的主要原因之一。石家庄某展览中心的地下室外墙、筏板基础、地下室顶板混凝土内均掺加了约 8%～10% 的高性能纤维复合膨胀剂，后浇带内混凝土内高性能纤维复合膨胀剂掺量提高至 12%，要求聚丙烯纤维含量为 100%，φ≤40 μm，抗拉强度 ≥600 MPa。添加抗裂膨胀剂后的混凝土可在水化硬化过程中产生一定量预压应力，由此抵抗混凝土收缩变形产生的拉应力。同时在混凝土中均匀分布的聚丙烯纤维，具有较高的抗拉强度和弹性模量，同时降低了混凝土内部的孔隙率，亦增强了混凝土的韧性和凝聚力，起到了物理抗裂作用。添加高性能纤维复合膨胀剂后的混凝土抗拉强度显著增大，抗冲击和抗裂性能亦显著改善，可以有效防止混凝土维系裂缝的产生和发展。

2.3 施加预应力抵消混凝土拉应力

在混凝土中加入抗裂纤维后对预防混凝土的塑性收缩裂缝有利，但对于温度应力作用下所产生的裂缝作用有限。通过在混凝土结构中施加预应力的方式，使混凝土构件产生预压应力，在增强混凝土构件整体性的同时，还可以抵消混凝土硬化过程中因收缩而产生的拉应力，使结构不出现裂缝或推迟裂缝出现的时间，增加构件的耐久性。

石家庄国际展览中心工程在地下室底板、外墙和顶板设计中增加了缓黏结预应力筋，钢绞线总量约 3 300 t，选用 1 X 7-15.2 Φs 15.2 高强度低松弛预应力筋，最长达到 60 m以上。预应力分布范围详见图 2 所示的阴影区域，阴影线条代表预应力筋方向。

图2 地下室基础底板无黏结预应力筋布置

应当注意的是，超长混凝土结构的预应力张拉，应考虑各施工段张拉顺序的影响，避免张拉过程中，造成应力集中或分布不均造成混凝土开裂。石家庄国际展览中心地下室底板按照后浇带总共划分为 33 个施工段，为保证张拉过程中预应力的平稳安全，并减少预应力张拉过程中对后浇带的影响，各施工段的预应力的张拉首先从中间开始，南北对称张拉施工段内的纵向预应力筋，待后浇带混凝土强度达到要求后，以中间施工段为中心，东西两侧对称张拉横向预应力筋（图 3）。B 区以 B 12 施工段为中心，向东西两侧对称张拉横向预应力筋，张拉具体顺序：B 12、B 11、B 13、B 10、B 14、B 9、B 15、B 8、B 16、B 7、B 17、B 6、B 18、B 5、B 19、B 4、B 20、B 3、B 21、B 3、B 22、B 2、B 23、B 1。A 区以 A 3 施工段为中心，向东西两侧对称张拉横向预应力筋，具体张拉顺序：A 3、A 2、A 4、A 1、A 5。D 区以 D 3 施工段为中心，向东西两侧对称张拉横向预应力筋，具体顺序：D 3、D 2、D 、D 1、D 5。

图3 预应力张拉顺序

2.4 合理设置后浇带和加强带

通过合理设置施工后浇带，减少每次浇筑长度，可以防止混凝土的水化热堆积，减少温度应力的产生。设置施工后浇带的初衷是防止混凝土裂缝的产生，但后浇带混凝土的干缩极易在新老混凝土的连接处产生裂缝。为保证混凝土整体质量，需要对后浇带划分进行合理布置，并在必要时用膨胀加强带代替后浇带。

石家庄国际展览中心地下室按照结构形式，满足设计和规范的前提下，同时为便于施工，合理划分后浇带。地下室筏板上总共设置了 33 个施工段，施工段间设 800 mm 宽后浇带，施工段宽度在 25～54 m 之间。同时在便于施工的条件下，为提高混凝土结构整体性，在南北向不宜设置后浇带的部位，根据收缩应力，每个施工段设置1～3 道 2 m 宽膨胀加强带。为减少后浇带间裂缝的产生，后浇带位置适当增加 15% 的水平构造钢筋进行加强。

2.5 采取适当的养护及施工工艺

混凝土的运输时间要尽量缩短，保证入模温度＞5 ℃。筏板和顶板混凝土浇筑时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热，采用“分段定点，一个坡度，薄层浇筑，循序渐进，一次到顶的方法”，同时为避免冷缝产生，上下层混凝土浇筑间隔不能超过初凝时间。为保证混凝土浇筑质量，在每个浇筑带位置要同时布置两道以上振捣器，同时需要注意加强混凝土的二次振捣和二次抹压，在初凝前利用磨光机打磨压实，减少混凝土的收缩裂缝。

混凝土浇筑后及时采取保温保湿措施，防止表面失水过快造成混凝土表面产生收缩变形裂缝，可采用塑料薄膜包裹和毛毡覆盖；也可采用蓄水养护，同时应特别应注意混凝土浇筑的早期养护，尽量利用混凝土的自身特性比如应力松弛效应，使混凝土抗拉强度及早生成；不过早拆模，防止混凝土裂缝的产生。

2.6 加强混凝土测温

控制混凝土内部的温升对于大体积混凝土施工非常重要，为掌握大体积混凝土内部温度变化情况，随时调节控制混凝土内的温度，石家庄国际展览中心在地下室共分了 33 个区进行测温，每个区布置 4 个测温点，测温点放置测量混凝土底部（筏板底面上 50 mm 处）、中部和上表面温度（筏板顶面下 50 mm 处），且厚度方向测温点间距 ≤600 mm。通过混凝土监测结果，及时反馈现场大体积混凝土内温度变化实际情况，根据检测情况，为工程技术和施工人员及时调整养护措施提供科学依据。

2.7 其他措施

混凝土结构成型后，在条件允许时应尽快回填，回填土对混凝土结构养护非常有利，可以有利预防裂缝产生。同时混凝土浇筑过程中应加强成品保护，可以采取铺设道路等方式避免对钢筋扰动导致的混凝土裂缝出现。此外混凝土结构成型后应避免过早施加荷载，防止任意踩踏以及大型设备及车辆的碾压，因为过早施加荷载也是导致混凝土裂缝产生的一大因素。

3 结 语

本工程通过混凝土配比设计优化、添加高性能纤维混合混凝土膨胀剂、施加预应力、合理设置后浇带和加强带等一系列的综合抗裂技术措施，以及适当的养护及施工工艺，对超长混凝土结构的整体性和耐久性起到了非常重要作用，有效地改善了混凝土的内在质量，大大地减少了超长混凝土裂缝的产生。经过两年使用后，整个地下室区域内的混凝土均未出现明显裂缝，应用效果良好。该综合施工技术为同类超长超宽混凝土施工提供了技术依据和施工经验，具有很好的推广意义。