超長混凝土結構設計與實際應用的探討

【摘 要】隨著我國經濟科技不斷發展，人民對生活活動場所所的需求樣式與質量越來越多樣化，在一些大型的地下工程、公共建筑、單元住宅等工程設計中常常因為建筑立面、工程防水、自身平面結構單元建筑等原因而不能設置變形縫，其長度或寬度尺寸超出了國家設計規范規定的限值，便形成超長結構。超長結構的無縫設計對設計和施工都會帶來一些困難，如果處理不當會影響工程的總體質量，引發結構安全事故，以下就結合本人工作經歷進行論述。

【關鍵詞】混凝土；結構設計；控制方法

1.超長結構設計與施工常見問題

根據大量工程施工實踐顯示，影響混凝土見解裂縫的因素很多，不確定性很大，而且間接作用的影響還有增大的形勢，在實際工程中主要存在三個方面的問題：

（1）在混凝土施工澆筑過程中水泥水化熱使混凝土內外溫差在結構內部產生壓應力，表面產生拉應力。當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，混凝土表面產生裂縫。另外在混凝土降溫階段混凝土逐漸散熱冷卻產生冷縮，加上混凝土硬化過程中本身的收縮，就會產生較大的收縮應力，當超過混凝土的極限抗拉強度時也會產生裂縫，有的時候還好貫徹整個截面。

（2）環境溫度的變化引起的結構材料自身的熱脹冷縮所產生的一種溫度應力，這種應力存在工程施工階段和工程完工的使用階段，混凝土收縮和溫度變化，這種簡潔作用引起的變形和位移對于超靜定混凝土結構可能引起很大的約束力，導致結構構件開裂，甚至使得結構受力形態發生改變。

（3）超長結構的另外一個問題就是結構太長，當兼職場地地質情況復雜深度相差較大時，結構兩端的沉降差會很大，如果不設置沉降又未采取相應構造措施時，構造就會傾斜或產生裂縫。超長結構采取有效措施后可避免發生裂縫，如何控制、如何避免結構裂縫在超長結構設計中是很重要的，裂縫控制是一項綜合性很強的系統工程，設計到設計方法，建筑造型，結構形式與構造、施工工藝、建筑材料、氣候環境、工程地質等各種因素。在設計中應綜合考慮個方面因素，采取合理的構造措施。

2.超長建筑無縫設計的控制方法

在不設置永久沉降縫的情況下，不均勻沉降的控制是工程設計關鍵技術之一，為了有效控制差異沉降，并達到安全、經濟的目標，采取以下各項措施：

2.1 控制絕對沉降量

主樓荷載大，裙房部分荷載小，純地下室區域處于抗浮狀態，各區域荷載差異極大，對不均勻沉降十分敏感。因此設計應采用變剛度調平理念，用不同樁參數和樁密度來強化主樓基礎，弱化裙房和純地下室基礎，達到減小主樓與裙房和純地下室的差異沉降。弱化裙房和純地下室基礎，采用樁長相對較短、持力層較弱的樁基，在主樓沉降的同時，帶動相鄰跨較弱的裙房或純地下室基礎產生部分沉降，從而在高低層過渡區形成緩和沉降曲線，減少沉降量突變造成的不良影響。這一原理已在以往的工程沉降實測中得到了驗證。

2.2 設置調節沉降差的沉降后澆帶

主樓與裙房和純地下室的結構及基礎設計成整體，但在施工時用沉降后澆帶把兩部分暫時斷開，一般待主樓結構施工完畢，但若有沉降觀測，根據觀測結果證明主樓結構的沉降在主樓結構完工之前已趨于穩定，也可適當提前或當主樓與裙房之間的沉降差小于設計或規范要求，然后再采用微膨脹混凝土澆灌沉降后澆帶，將高低層連成整體。沉降后澆帶的設置旨在通過沉降后澆帶封閉前，主樓沉降可以大部分獨立完成，以降低主裙樓之間的沉降差，使主裙樓之間的差異沉降控制在可以接受的程度。設置“沉降后澆帶”的基礎，設計時應考慮兩個階段不同的受力狀態，分別進行內力分析。設置沉降后澆帶的大底盤高層建筑的沉降分析，應分兩階段進行：沉降后澆帶封閉前，應根據沉降后澆帶設置位置，按幾個分塊獨立建筑，考慮其相互影響，按《建筑地基基礎設計規范》的方法計算其變形；沉降后澆帶封閉后，根據《建筑地基基礎設計規范》規定，在同一整體大面積基礎上建有多棟高層和低層建筑時，按照上部結構、基礎與地基的共同作用進行變形計算。考慮上下共同作用來協調多塔樓結構的不均勻沉降，使得筏板內力更趨均勻，差異沉降有效減少，設計更合理、更符合實際情況、更經濟。

2.3 預先設定標高差

經沉降計算，把主樓標高定得稍高，裙房或純地下室標高定得稍低，預留兩者沉降差，使最后兩者實際標高基本一致。

3.混凝土收縮應力和溫度應力控制方法

對于超長結構的無縫設計，一般的設計思路是：抗放兼備、以抗為主的原則。新澆混凝土在硬結過程中會收縮，已建成的結構溫度變化時會熱脹冷縮，在正常養護條件下施工后的頭1～2個月混凝土硬結收縮量占年收縮量的45%～75%；而溫度變化對結構的作用則是經常的，當這兩種變形受到約束后，在結構內部就會產生收縮應力和溫度應力，當這兩種應力分別超過混凝土抗拉強度時就會導致混凝土開裂而形成收縮裂縫或溫度裂縫，引起滲漏水。在不設永久伸縮縫的情況下，有：

3.1 設置施工后澆帶

施工后澆帶是傳統的做法，通常每隔30m～40m左右設置一道1m寬后澆帶，以消化收縮變形，減少混凝土收縮應力，上述后澆帶一般在其兩側結構施工完成45d～兩個月后，采用比后澆帶兩側混凝土強度等級高一級的微膨脹混凝土進行澆筑。

3.2 設置施加預應力

對于超長大型地下室底板、側墻及頂板采用預應力混凝土可降低結構鋼筋及混凝土的用量，提高了結構的剛度及抗裂性能。對混凝土結構適當施加預壓應力，用以抵消由于溫度、收縮等原因產生的拉應力，從而達到控制甚至避免結構開裂的目的。其既可提高地下室的防水抗滲性能，也能免除伸縮縫的留設；擴大地下室柱網，提高了工程的實際使用面積和空間布置的靈活性，從而改善了建筑物的使用功能。

3.3 配筋控制

構件配筋考慮溫度影響，且適當提高構件最小配筋率：

（1）基礎底板及地下室頂板的最小配筋率控制在0.3%左右（雙層雙向），中樓板控制在0.25%左右（雙層雙向）。

（2）梁的腰筋配筋率，控制在每側0.20%；且腰筋細而密，間距控制在150mm以內。

3.4 添加抗裂纖維

混凝土作為抗壓強度高、成本低廉、應用最為廣泛的建筑材料，存在著固有的弱點-抗拉強度低、抗裂性差、韌性小等，因此也限制了混凝土性能的充分發揮。目前，在混凝土中添加纖維來提高混凝土耐收縮斷裂性（如鋼纖維、合成纖維、天然纖維等）是近年來研究和應用最為廣泛的途徑之一。考慮到經濟的因素，在以往的工程中摻加價格較低的聚丙烯纖維，取得了預期的效果。所以，在不采用預應力的情況下，在受氣溫和約束影響較大的地下室側墻及地下室頂板添加聚丙烯纖維。

3.5 材料和施工質量控制

混凝土原材料應采用低收縮、低水化熱水泥，控制水泥用量，摻入適當的粉煤灰和外加劑、控制水灰比。控制砂石骨料含泥量和級配、合理選擇混凝土配合比。施工應注意控制混凝土外加劑的品種、質量和劑量。

4.結束語

總之作為設計人員應根據不同的工程采取相應的措施，不斷摸索出具有針對性的設計方案，這是我們作為一名合格的設計人員責無旁貸的責任。

參考文獻：

[1]美國混凝土協會規范.AC1318.

[2]陶學康.后張預應力混凝土設計手冊.北京：中國建筑工業出版社.

[3]徐焱，蘇文元.超長結構中預應力的應用.新世紀預應力技術創新學術交流會論文集.