從結構設計角度談超長混凝土結構裂縫控制

劉巧茹

摘要：混凝土產生裂縫的原因很多，本文結合實例，分析其產生原因，并從結構設計方面采取措施，控制裂縫產生。

關鍵詞：混凝土；裂縫原因；抗與放

中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）14-208-02

前言

當前，許多建筑工程如住宅小區、商用建筑包括辦公大樓、商場等，均建有地下室，用作車庫和人防設施，當地下室面積過長過大時，必須要設置伸縮縫，否則容易產生裂縫。

1超長混凝土結構的溫度及收縮裂縫產生機理

混凝土形成過程中，受到多方面因素的影響，其中，混凝土因變形作用引起的裂縫以及因和溫度變化引起的約束裂縫，通常被稱為溫度及收縮裂縫。在上述二種因素的影響下，混凝土結構中的豎向構件（包括剪力墻、柱等）均會出現豎向變形，由于豎向約束力非常小，能自由變形；而結構的水平構件（如：梁、板）的變形將受豎向構件的約束，在水平構件中將產生較大的約束應力，這種約束應力通常稱為溫度及收縮應力，也叫間接應力。

此可以表明，由于變形作用產生混凝土溫度及收縮應力，這種應力不同于荷載作用產生的應力，其差別見圖1。

上圖清楚顯示，因荷載作用而產生應力主要機理是由荷載直接對結構構件做功導致構件內能增加而產生應力的，具有直接性；溫度及收縮作用下產生應力的機理是在溫度及收縮作用下，先使構件發生變形，后在約束作用下使這種變形受到限制轉化為內能而產生約束應力，具有間接性。

從有關的工程結構設計的人員都明白，混凝土抗拉伸能力都比較小，但混凝土結構在施工過程和使用過程中，均受到溫差及約束作用的影響，致使混凝土結構產生約束應力。當這種約束應力也就是收縮和溫度應力大于其抗拉強度時，就出現裂縫，這種情況，在超長混凝土結構中尤其突出。

2控制裂縫措施

混凝土裂縫產生的主要原因是受到溫度及收縮作用影響，導致結構產生的拉應力高于其抗拉強度。這樣我們可以在結構設計方面考慮，采用“抗”與“放”的設計方法，控制裂縫發生。

（1）設計中采用“抗”，其設計原則就是通過增加混凝土結構的能力使其足以抵抗來自溫度及收縮引起的變形，讓結構材料具有足夠的極限拉伸和抗拉強度，抵抗來自溫度及收縮的約束拉應力。

在這種設計原則基礎上，可在混凝土結構施加預應力、膨脹加強帶等做法，都能達到“抗”的效果。

（2）設計中采用“放”，其設計原則就是通過減少或釋放結構約束，使到結構減少來自溫度及收縮作用而產生的溫度及收縮拉應力，使結構構件的相互約束減少，防止結構產生應力過大。

在這種設計原則基礎上，可在施工過程中安設滑動支座、留設后澆帶、采取跳倉施工等方法，均可以取得“放”的效果。通過采用“抗”或“放”的方法，可達到控制裂縫的目的。在具體工程施工中，普遍按照“抗放兼備”原則，通過采用多種措施，達到控制裂縫的目的。

3工程實例介紹

廣東河源市某建筑工程，一共有3幢商住樓，為15層建筑。工程用途為商業、酒店、辦公、住宅等，采用大底盤一層地下室連成整體。地下室總建筑面積為14393m，層高5.4m，為框架一剪力墻結構體系，地下室用途為設備用房、車庫等，戰時按核6級常6級人防設計。地下室平面布置見圖1。

由于考慮到工程所采用的施工方案和施工技術，采用的施工材料以及地基變形等多種因素，如果在地下室設置變形縫，容易產生滲漏問題，業主方要求能找出更好方法，有效降低地下室滲漏機率。

經過充分論證多方比選，最終決定放棄地下室設縫方案，改用不設縫施工，但由于地下室在x、y方向分別為112.5m和144.5m，超長超寬程度較為嚴重，為確保地下室施工質量、安全和正常使用壽命，避免因受外墻出現裂縫導致地下室滲漏，影響使用功能，結構耐久性降低，工程施工中采用多種技術措施，通過“抗、放、補、防”相結合方法，有效控制地下室外墻裂縫。

4地下室外墻裂縫特征與產生的原因

4.1常見地下室外墻裂縫的主要特征

（1）外墻裂縫多呈豎向狀，縫的長度和墻高接近，縫的中間比兩頭稍寬。裂縫多數分布在外墻中間位置，外墻兩端位置裂縫較小。

（2）受到氣溫等因素影響，裂縫多數在拆模后不久出現。

（3）地下室外墻暴露在自然環境時間越長，裂縫數量增加越多，但裂縫寬度變化不大。

（4）地下室完成回填土作業后，裂縫寬度稍大處有少量滲漏，但水流量不大。

4.2分析裂縫產生原因

（1）設計問題

根據《混凝土結構設計規范》中相關要求，進行地下室現澆鋼筋混凝土施工時，墻壁伸縮縫的最大間距為20m（露天）、30m（室內或土中）。但在具體工程中，許多工程的墻長度都超出長述規定，但進行結構設計時，有些設計人員設計時沒有考慮到實際情況，地下室外墻水平鋼筋仍按構造配置，這樣會容易導致外墻產生裂縫。

（2）環境問題

和梁、柱構件構件相比，地下室外墻為薄壁構件，這種又薄又長的構件，容易受到溫度、濕度變化的影響，因約束而產生較大內應力；在實際施工過程中，許多工程在墻體施工完成后都未能及時進行回填土作業或完成頂板澆筑，導致地下室墻體暴露時間過長，承受來自氣候環境溫差變化的影響。

地下室外墻溫差可以采用平均溫差T=（T1+T2）/2和溫差梯度△T=T1-T2進行計算。平均溫差會使墻板產生軸力，引起貫穿裂縫；溫差梯度使墻板產生彎矩，引起非貫穿裂縫。兩種裂縫當中，貫穿裂縫對地下室外墻危害更大。

（3）材料問題

配合比不準確、施工材料質量不合格、使用不當也會導致裂縫產生。如采用的水泥用量與品種不正確、所滲入的摻合料、外加劑質量不合格、粗細骨料不達標等；配合比沒有進行準確設計，導致水灰比過高；施工用的UEA微膨脹劑不達標等，都會引發混凝土收縮產生裂縫。

（4）施工問題

采用泵送混凝土需要較大的坍落度，因此在混凝土拌合物配制過程中摻加了緩凝型高效減水劑和同時加大了粉煤灰的用量，但卻影響混凝土早期的抗拉強度和彈性模量，降低混凝土早期的抗裂能力。另外，拆模時間和混凝土養護方法對裂縫開展也有影響。

5地下室外墻裂縫控制措施

5.1設計方面

（1）地下室外墻計算模型

假定地下室底板作為地下室外墻的嵌固端，則外墻底部彎矩與相鄰的底板彎矩大小一樣，底板的抗彎能力不應小于外墻的抗彎能力，其厚度和配筋量應相匹配。

（2）地下室外墻配筋計算

除與鋼筋混凝土內隔墻相連的外墻按雙向板計算配筋外，其余的外墻按豎向單向板計算配筋，同時還應進行地下室外墻抗裂性驗算，控制裂縫寬度，使之滿足規范要求。

（3）加強水平鋼筋的配置做到“抗”的原則

由于水平鋼筋對墻體的抗裂作用十分明顯，適當增加水平鋼筋的配筋率可減輕墻體開裂程度；同時鋼筋的外形對墻體開裂也有很大的影響，光圓鋼筋與帶肋鋼筋相比，帶肋鋼筋與混凝土的黏結力較強，裂縫開展較小。因此配置水平鋼筋時應注意四個問題：①水平鋼筋保護層應盡可能小些，以減小素混凝土出現開裂；②防裂鋼筋的間距不宜太大，可采用小直徑密分布的配筋方式；③考慮溫度收縮應力的變化加強配筋率；④采用帶肋鋼筋比光圓鋼筋好。故該地下室工程外墻采用φ14mm@150mm水平筋。

5.2材料方面

（1）地下室混凝土構件包括底板、頂板、外墻等，全部采用補償收縮混凝土，補償收縮混凝土在水中養護14d的限制膨脹率0.020%；后澆帶和膨脹混凝土帶的混凝土在水中養護14d的限制膨脹率應≥0.025%。

（2）采用中、粗砂。石子采用粒徑較大、級配良好、含泥量≤1%的碎石或卵石。

（3）為了提高混凝土的抗裂性能，地下室頂板、外墻和底板均摻聚丙烯纖維（摻量0.9kg/m3）。

（4）在滿足泵送混凝土施工工藝的前提下，采用熱礦渣硅酸鹽水泥，以降低水泥水化熱。

5.3施工方面

（1）制定施工質量控制措施，保證混凝土施工過程的工序質量，提高混凝土均勻性。制備和運輸混凝土要嚴格按照相關規定進行；避免混凝土澆筑時出現離析問題。施工單位在澆筑混凝土時，要在距離底板面500mm處留設水平施工縫的方法，做好混凝土振搗工作，防止外墻出現薄弱部位而產生裂縫。

（2）由于沒有設變形縫，因此需要在地下室設置后澆帶，每隔35m設一道，帶的寬度為0.8m；另外設置膨脹混凝土帶，每隔約30m設一道，帶的寬度為2.0m，布設二者時要錯開位置，使混凝土收縮應力減小，達到“放”的效果。

（3）拆模時間要根據天氣變化情況和測溫記錄而定，使到混凝土的“應力松弛效應”能充分發揮，減小溫度收縮應力，實現“防”的效果。具體實施時，要制定措施，保證混凝土內外溫差不能超過25℃，溫度陡降控制在10℃以內，并根據實際情況及時調整保溫和保濕養護措施，把混凝土溫差梯度和濕度控制在允許范圍內。

（4）如施工處于夏季，氣溫炎熱，混凝土拆模后要及時用塑料薄膜覆蓋或覆蓋麻袋并灑水養護，使持混凝土表面保持濕潤，并根據施工規定確定養護時間。

（5）拆模養護周期完成后以及時回填，避免混凝土外墻外露時間過長。

（6）對混凝土外墻出現少量滲漏的地方，采用墻外內側涂4層聚氨酯涂膜防水材料，并在第2至第3層之間進行化學灌漿，取得良好效果。

6結論

上述工程進行地下室外墻施工時，為避免出現有害裂縫，進行結構設計時，通過增加水平筋的配筋率、混凝土內摻纖維，實現了“抗”的原則；施工技術通過布設溫度后澆帶，實現了“放”的原則；通過膨脹混凝土帶實現了“補”的原則；拆模時間合理、養護措施得當，實現了“防”的原則，在上述措施共同作用下，有效控制了裂縫的產生和發展。