轉(zhuǎn)換層多層疊澆法施工大體積混凝土裂縫控制

夏旭標

（上海彪瑪建筑工程咨詢有限公司，上海 200336）

轉(zhuǎn)換層多層疊澆法施工大體積混凝土裂縫控制

夏旭標

（上海彪瑪建筑工程咨詢有限公司，上海 200336）

從一般大體積混凝土裂縫控制的原理出發(fā)，就多層疊澆法施工的轉(zhuǎn)換層大體積混凝土裂縫控制計算進行了專門的討論，并給出了一個工程裂縫控制計算實例，從而進一步闡明了大體積混凝土裂縫控制的思路。

轉(zhuǎn)換層，多層疊澆，裂縫，溫度應力

1 概述

近年來國內(nèi)高層建筑發(fā)展很快，高度越來越高、體型越來越大。在同一座建筑中，沿高度方向功能要發(fā)生變化，為了實現(xiàn)結構形式的轉(zhuǎn)換，需要在樓層內(nèi)布置轉(zhuǎn)換層。

目前實際工程中轉(zhuǎn)換梁的截面高度為1.6 m～4.0 m;一般轉(zhuǎn)換厚板的厚度可達2.0 m～2.8 m。對于這種大體積混凝土的澆筑，溫度裂縫的控制是個重要的問題，現(xiàn)在通常采用與地下室底板一樣的方法來控制轉(zhuǎn)換層溫度裂縫。但是由于轉(zhuǎn)換層處于高空，它的裂縫控制也有其自身的特點。

疊合澆筑法是轉(zhuǎn)換層施工中的一種方法，它應用疊合梁原理將轉(zhuǎn)換構件分多次澆筑成型，利用先澆筑的混凝土形成的構件和模板支撐共同工作，一起承受后澆混凝土的自重和施工荷載。這種方法可以降低模板支撐費用，降低造價。但是這種方法要留施工縫，為了保證施工縫的粘結性能和抗剪性能，需要在施工縫處設齒槽和剪力鋼筋等，這使得下層混凝土對新澆筑混凝土有很大的約束，所以很容易出現(xiàn)貫穿裂縫。

2 轉(zhuǎn)換層溫度收縮應力計算

2.1 地基水平阻力系數(shù)

當兩種物體沿水平面接觸并同時產(chǎn)生相對位移時，在接觸面上的粘結阻力和摩擦將產(chǎn)生剪切應力，土力學曾假設該點剪應力和該點水平位移成正比:

其比例系數(shù)在裂縫控制計算中稱為“水平阻力系數(shù)”。從以往的研究可知，Cx與地基性質(zhì)、塑性和徐變以及彈性模量有關，隨徐變而減小，隨彈性模量增大而增大，隨結構幾何尺寸增大而減小，隨變形速度增加而增大，隨垂直壓力增大而增加，并且所有這些因素的影響都是非線性的，難以進行嚴格的定量確定。前人根據(jù)相關試驗數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場試驗和工程裂縫實例的反演，建議使用表1的數(shù)據(jù)。

表1 各類地基以及基礎約束下的Cx值

從水平阻力系數(shù)可以知道，多層疊澆的混凝土受到的約束遠遠大于地基土上的基礎底板，因此疊合澆筑的轉(zhuǎn)換層結構混凝土要比基礎底板更易開裂。

2.2 混凝土收縮徐變

混凝土在結硬過程中會發(fā)生非溫度收縮變形，收縮變形的趨勢與溫度收縮變形的趨勢是一致的，會加重混凝土的裂縫。

標準狀態(tài)下混凝土的最終收縮（極限收縮）應變?yōu)?

任意時間的收縮可以用下列公式計算:

其中，εy（t）為任意時間的收縮，t（時間）以天為單位;為標準狀態(tài)下的極限收縮;M1，M2，…，Mn為考慮非標準條件的修正系數(shù)，見文獻［1］中的表2-1～2-5。

對于混凝土的非溫度收縮變形可以折算成溫度變化，然后與溫度收縮一起計算，當量溫度變化為:

其中，α為混凝土線膨脹系數(shù)，取1.0×10－5。

結構物在內(nèi)力作用下，其變形隨時間延長而增加的現(xiàn)象稱為徐變變形。影響徐變變形的因素與影響收縮變形的因素是相同的，因此將徐變變形與收縮變形一并考慮。

按彈性的假定，可以求出在齡期τ1施加強迫變形εx（τ1）所產(chǎn)生的瞬時彈性應力σx（τ1），再求出隨時間增加而降低的松弛應力σ'x（t，τ1），松弛應力和彈性應力之比即為“松弛系數(shù)”，以H（t，τ1）表示，它與產(chǎn)生約束的齡期τ1以及延續(xù)時間t有關:

H（t，τ1）按理論計算十分復雜，通常可以計算出一般條件下的定量結果并列成表格供工程計算使用，一般條件下應力松弛系數(shù)表相應值可查閱文獻［1］中表5-1。在簡化計算中可以采用忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)表（見表2）。

表2 忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)表

2.3 混凝土溫度收縮應力

混凝土的溫度收縮應力可以采用下列公式計算:

式中幾何參數(shù)意義及結構收縮應力分布如圖1所示。

圖1 式（7）中幾何參數(shù)意義及結構收縮應力分布

新澆筑混凝土產(chǎn)生大量熱量，構件溫度急劇升高，但此時混凝土有較強的塑性，不必計算收縮應力。混凝土構件內(nèi)部溫度并非均勻的，近似的為拋物線分布，但驗算貫穿裂縫時只取截面中部均勻降溫差，這樣取是偏于安全的，在計算中可以不再取安全系數(shù)。有時在工程中為了計算早期混凝土溫度應力，考慮松弛系數(shù)和彈性模量的變化，可以將溫差按時間分為多個區(qū)段，用有限差分法計算各個時間段的溫差，并將該時間段內(nèi)的彈性模量和松弛系數(shù)當作常數(shù)計算本時間段的溫度應力，最后可疊加得到最終溫度應力。

其中，ΔTi為將總降溫差分解為n個降溫段，ΔTi為第i個降溫段的溫差;Hi（t，τi）為第i個降溫段的應力松弛系數(shù)，t為由峰值溫度降低到周圍溫度的時間，τi為第i段的齡期;Ei（t）為第i個降溫段的彈性模量。

3 工程計算實例

蕪湖新百大廈位于安徽蕪湖市，總建筑面積60 800 m2，地上高度113 m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結構。第七層為轉(zhuǎn)換層，大梁尺寸1 m×3 m，跨度8.3 m，連續(xù)長度最長77 m，混凝土設計強度C40。轉(zhuǎn)換層施工采用三次澆筑成型，三次澆筑高度分別為0.8 m，1.35 m和0.85 m。疊合澆筑雖然減少了因水化熱引起的溫差，但是疊合面非常粗糙，對混凝土有較大的約束，并且混凝土一次澆筑長度很長，所以容易產(chǎn)生收縮裂縫。對于這三次澆筑，第一層和第三層配筋率很高（上下均有20Φ32～30Φ32主筋），混凝土收縮受到很大限制，但是第二澆筑層處于梁的中部，配筋率（0.559%）較低，容易產(chǎn)生溫度裂縫，要進行抗裂分析。

3.1 采用普通混凝土澆筑時的抗裂分析

水泥用量:480 kg/m3（普通水泥525號），水灰比:0.4。

3.1.1 水化熱溫升

其中，W為每立方米中水泥含量，kg/m3;Q為每千克散熱量，J/kg;C為比熱;γ為混凝土重度。

考慮混凝土上表面及左右側(cè)三維散熱，散熱系數(shù)0.2～0.3，取0.3，實際溫升:

3.1.2 混凝土一個月最大收縮值

3.1.3 彈性模量

彈性模量隨時間增長而上升，30 d時彈性模量為:

其中，E（t）為任意齡期的混凝土彈性模量;E0為最終的混凝土彈性模量;t為混凝土澆灌到計算時間點的天數(shù)。

3.1.4 收縮應力

Cx=100×10－2kN/m3，H=1.35 m=1 350 mm，L=77 m= 77 000 mm。混凝土結構澆筑20 d后已足夠老化，產(chǎn)生約束變形，在簡化計算中采用忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)，t－τ1=30－20=10 d，取H（t）=0.462。

3.2 采用RPA補償收縮混凝土澆筑時的抗裂分析

水泥用量:446.1 kg/m3（普通水泥525號），水灰比:0.4。

以下計算過程中凡是與3.1采用普通混凝土時的抗裂分析計算中相同的公式不再注明公式中各字母所代表的意義。

3.2.1 水化熱溫升

考慮混凝土上表面及左右側(cè)三維散熱，散熱系數(shù)0.2～0.3，取0.3，實際溫升:

3.2.2 混凝土一個月最大收縮值

3.2.3 彈性模量

彈性模量隨時間增長而上升，30 d時的彈性模量為:

3.2.4 收縮應力

混凝土結構澆筑20 d后已足夠老化，產(chǎn)生約束變形，在簡化計算中采用忽略混凝土齡期影響的松弛系數(shù)，t－τ1=30－20= 10 d，取H（t）=0.462。

4 結語

對于轉(zhuǎn)換層的大體積混凝土施工，除了應該進行裂縫控制計算外，還應當采取合理的施工措施。裂縫計算是近似計算并且計算中的參數(shù)受施工條件的影響，如果施工措施不合理，仍然可能出現(xiàn)貫穿裂縫，或者由于混凝土的自約束作用而產(chǎn)生表面裂縫。

混凝土的溫升主要是由水泥水化熱引起的，所以水泥應使用低水化熱水泥，并且不能使用剛出廠的熱水泥灰配置混凝土。應該充分利用混凝土的后期強度，如60 d，90 d，120 d強度，從而減少水泥用量，減少水化熱和收縮。為保證混凝土的可泵性可以加入適量減水劑和粉煤灰。混凝土中還可以摻入微膨脹劑補償收縮，如本文工程實例使用膨脹劑可以產(chǎn)生20℃的當量降溫，從而保證了構件不出現(xiàn)貫穿裂縫。混凝土養(yǎng)護過程中必須采取有效的措施保證混凝土緩慢降溫。轉(zhuǎn)換層結構裂縫的問題是可認知、可控制的。根據(jù)現(xiàn)有的理論知識和工程實踐經(jīng)驗，我們完全可以把裂縫控制在工程可以接受的范圍之內(nèi)。而如何把裂縫控制在無害的范圍之內(nèi)，這就是結構工程師們的藝術了。

［1］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［3］唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結構設計與施工［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］劉玉榮，周瑢，周聽照.高層建筑結構轉(zhuǎn)換層超長大體積混凝土施工技術［J］.施工技術，1996（5）：89-90.

［5］梁文.簡析大體積混凝土裂縫的控制［J］.山西建筑，2011，37（5）：91-92.

M ass concrete cracking control in the construction w ith multiple-layer grouting method of transformation layer

XIA Xu-biao

（Shanghai Biaoma Construction Engineering Consultation Co.，Ltd，Shanghai200336，China）

Starting from the generalmass concrete cracking control principle，the article discusses themass concrete cracking control and calculation of transformation layer in the construction withmultiple-layer groutingmethod，and shows an engineering crack controlling a calculation example，so as to further illustrate themass concrete cracking control concept.

transformation layer，multiple-layer grouting，crack，temperature stress

TU755.7

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.095

1009-6825（2012）19-0121-03

2012-04-18

夏旭標（1970-），男，工程師