淺談高層混凝土結構中主要受力部位的裂縫分析及控制

宋　榮

摘要：本文就高層建筑結構的幾個主要受力部位在混凝土施工中容易產生裂縫的原因進行分析，并從設計與施工兩方面提出裂縫的控制措施。

關鍵詞：混凝土；裂縫；裂縫控制

混凝土工程中材料的特性決定了結構較易產生裂縫，從實踐中來看施工中混凝土出現裂縫的概率也是很大的，相當一部分裂縫對建筑物的受力及正常使用無太大的危害，但裂縫的存在會影響到建筑物的整體性、耐久性，會對鋼筋產生腐蝕，是受力使用期應力集中的隱患，應當盡量在各方面給予重視，以避免裂縫的出現或把裂縫控制在許可的范圍之內。

1 高層建筑施工中幾個特殊部位的裂縫分析

1.1 大體積基礎混凝土板

高層建筑中隨著高度的不斷增加，地下室愈做愈深，底板也愈來愈厚，厚度在3m以上的底板已屢見不鮮。高層建筑中基礎底板為主要的受力結構，整體要求高，一般一次性整體澆筑。國內外大量實踐證明，各種大體積混凝土裂縫主要是溫度變化引起。大體積混凝土澆筑后在升溫階段由于體積大，集聚在內部的水泥水化熱不易散發，混凝土內部溫度將顯著升高，這樣在混凝土內部產生壓應力，在外表面產生拉應力，由于此時混凝土的強度低，有可能產生表面裂縫。在降溫階段新澆混凝土收縮因存在較強的地基或基礎的約束而不能自由收縮。升溫階段快，混凝土彈性模量低，徐變的影響大，所以降溫時產生的拉應力大于升溫時產生的壓應力。差值過大時，將在混凝土內部產生裂縫，最后有可能形成貫穿裂縫。為解決上述二類裂縫問題，必須進行合理的溫度控制。

混凝土溫度控制的主要目的是使因溫差產生的拉應力小于同期混凝土抗拉強度的標準值，并有一定的安全系數。為計算溫差，就要事先計算混凝土內部的最高溫度，它是混凝土澆筑溫度、實際水化熱溫升和混凝土散熱溫度的總和。混凝土內部的最高溫度大多發生在澆筑后的3～7天。混凝土內部的最高溫度Tmax可按下式計算：

Tmax＝To+(WQ)/(Cr)ξ+(F)/(5O) (1)

式中：T0--混凝土的澆筑溫度(℃)

W——每m3混凝土中水泥(礦渣硅酸鹽水泥)的用量(kg/m3)

F——每m3混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)

Q——每kg水泥水化熱(J/kg)

C——混凝土的比熱

r——混凝土的密度

ξ——不同厚度的澆筑塊散熱系數(見表1)

不同厚度的澆筑塊散熱系數

表1

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厚度(m) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ＞4.0

ξ 0.23 0.35 0.48 0.61 0.73 0.83 0.95 1.0

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實測資料顯示，當基礎板厚大于2米時，上述公式的相對誤差在0.1%～1.3%之間，在計算溫差后，即可計算出降溫階段混凝土內部的溫度應力σ(2)xmax

σxmax＝Eα△T(1-(1)/(cosh βL/2))H(t,τ)(2)

式中：E——混凝土的彈性模量(N/mm2)

α——混凝土的線膨脹系數(10-5/℃)

△T——溫差(℃)

L——板長(mm)

β＝Cx／HE

H——板厚(mm) H＞0.2L時，取H＝0.2L

Cx——地基水平阻力系數(N/mm3)

H(t，τ)…考慮徐變后的混凝土松馳系數，

其中，t——產生約束應力時的齡期，

τ——約束應力延續時間。

注意同期內由于混凝土收縮引起的應力應轉化為當量溫差，計入△T一并計算σxmax。

由(1)、(2)分析可知：為避免裂縫出現，主要是減少△T。可采用合理選用材料，降低水泥水化熱，優化混凝土集料的配合比，控制水灰比，減少混凝土的干縮，具體控制措施見后。如有可能，減少澆筑長度L，增加養護時間減少降溫速率以相應減少松馳系數對控制貫穿裂縫也有一定的意義。

1.2 地下室混凝土墻板及樓板的裂縫分析

地下室墻板的裂縫產生與基礎大體積混凝土裂縫產生的原因有相同之處，即混凝土在硬化過程中由于失水會產生收縮應變，在水泥水化熱產生的升溫達到最高點以后的降溫過程會產生溫度應變。但又有其特點：一是墻板受到基礎、外圍樓板受到地下室外墻的極大約束，這種約束遠大于樁基對基礎的約束，產生貫穿裂縫的機率大。二是內墻板及樓板受環境溫度影響較大。三是內外溫差小，產生表面裂縫的機率小。四是養護困難，散熱快、降溫速率大，混凝土的松馳徐變優勢難以利用，在氣溫驟變季節尤應注意。

在計算板內最大拉應力時仍可利用公式(2)，但有以下幾點應注意：

H取0.2L，L為整澆長度；Cx取值應大于1.5N/mm3因為連接部位有較強鋼筋約束；計算溫差△T時，要考慮底板及外墻(兼作圍護情況下)緊靠土體，受環境溫差小，而被它們約束的墻板及周邊樓板在施工過程中基本同外界溫度同步變化。若底板墻板施工間隔過長、外墻兼作圍護時，則在計算混凝土收縮時應注意約束體與被約束體的收縮期不同，收縮量也不相同。

1.3 高強混凝土裂縫分析

目前高層建筑中已廣泛使用C40～C60中高強混凝土，隨著材料科學的迅速發展，C80～C120的高強混凝土在具體工程中已有應用。由于高強混凝土采用的配合比設計多為低水灰比、高標號水泥、高水泥用量、使用高效減小劑及摻加超細礦粉。這樣其收縮機制與普通混凝土就有所不同。

高強混凝土由于其水泥用量大多在450～600kg/m3)，是普通混凝土的1.5～2倍。這樣在混凝土生成過程中由于水泥水化而引起的體積收縮即自縮就大于普通混凝土，出現收縮裂縫的機率也大于普通混凝土。

高強混凝土因采用高標號水泥且用量大，這樣在混凝土硬化過程中，水化放熱量大，將加大混凝土的最高溫升，從而使混凝土的溫度收縮應力加大。在疊加其他因素的情況下，很有可能導致溫度收縮裂縫。由于高強混凝土中水泥石含量是普通混凝土的1.5倍，在硬化早期由于水分蒸發引起的干縮也將大于普通混凝土。

2裂縫的控制措施

2.1設計措施

增配構造筋提高抗裂性能，配筋應采用小直徑、小間距。全截面的配筋率應在0.3～0.5%之間。

避免結構突變產生應力集中，在易產生應力集中的薄弱環節采取加強措施。

在易裂的邊緣部位設置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸。

在結構設計中應充分考慮施工時的氣候特征，合理設置后澆縫，在正常施工條件下，后澆縫間距20～30m，保留時間一般不小于60天。如不能預測施工時的具體條件，也可臨時根據具體情況作設計變更。

2.2施工措施

嚴格控制混凝土原材料的的質量和技術標準，選用低水化熱水泥，粗細骨料的含泥量應盡量減少(1～1.5%以下)。

細致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，減少混凝土的坍落度，合理摻加塑化劑和減少劑。

澆筑時間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在沙、石堆場搭設簡易遮陽裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時向骨料噴冷水。混凝土泵送時，在水平及垂直泵管上加蓋草袋，并噴冷水。

根據工程特點，可以利用混凝土后期強度，這樣可以減少用水量，減少水化熱和收縮。

加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。

混凝土盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應下降15℃以上，混凝土的現場試塊強度不低于C5。

采用兩次振搗技術，改善混凝土強度，提高抗裂性。

根據具體工程特點，采用UEA補償收縮混凝土技術。

對于高強混凝土，應盡量使用中熱微膨脹水泥，摻超細礦粉和膨脹劑，使用高效減水劑。通過試驗摻入粉煤灰，摻量15%～50%。