大跨鋼梁組合桁架混凝土樓板的裂縫控制

李鳳偉 楊明英 呂冰澤 李 響 石興新

中建三局集團(tuán)有限公司 北京 100097

1 工程概況

天津大學(xué)新校區(qū)圖書館工程位于新校區(qū)東西主軸線上，分為南北兩區(qū)，中間通過兩處跨度35.40 m的大跨鋼梁組合桁架結(jié)構(gòu)連成整體。每榀桁架由3層鋼梁通過2根混凝土鋼管斜撐柱和2根空心鋼管斜撐柱組合形成整體，支撐在兩端的鋼管混凝土柱上，每層鋼梁上均澆筑厚150 mm的混凝土樓板（圖1）。結(jié)構(gòu)下層樓板距室外地坪高10.80 m，樓板模架為高支模，對(duì)質(zhì)量控制有不利影響[1,2]。

圖1 大跨鋼梁組合桁架示意

2 裂縫產(chǎn)生因素分析

2.1 大跨度鋼梁的撓度變形

組合桁架跨度35.40 m，鋼結(jié)構(gòu)撓度變形大，混凝土樓板支撐在大跨鋼梁上方，極易因鋼梁的撓度變形產(chǎn)生形變裂縫。

2.2 組合桁架的受力特點(diǎn)

三層鋼梁與鋼管斜撐柱組合形成整體鋼結(jié)構(gòu)桁架，鋼梁上部的混凝土樓板與鋼結(jié)構(gòu)桁架協(xié)同工作。根據(jù)組合桁架的受力分析，上層混凝土樓板兩端受拉中部受壓，下層樓板主要承受拉應(yīng)力，混凝土樓板受拉，極易產(chǎn)生裂縫。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)及混凝土樓板臨時(shí)支撐拆除引起應(yīng)力釋放

混凝土樓板施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在組合桁架臨時(shí)鋼支撐及混凝土樓板滿堂支撐架拆除過程中，組合桁架存在較大的應(yīng)力釋放及形變過程，造成混凝土樓板開裂。

2.4 臨時(shí)支撐及高支模影響

下層混凝土樓板模板支撐架的搭設(shè)高度為10.80 m，此高支模落在原狀土和回填土上。組合桁架臨時(shí)鋼支撐落在原狀土上。如果施工中對(duì)臨時(shí)鋼支撐和高支模架體的基礎(chǔ)處理不當(dāng)，容易引起組合桁架和樓板的不均勻沉降，造成樓板裂縫。

2.5 混凝土結(jié)構(gòu)收縮變形及環(huán)境影響

混凝土樓板長35.40 m，東西兩處寬度分別為26.65 m和18.55 m，板厚150 mm。混凝土結(jié)構(gòu)超長，樓板板薄，無混凝土結(jié)構(gòu)梁加強(qiáng)，混凝土自身收縮容易造成板面裂縫。此外，工程位于郊區(qū)，大風(fēng)天氣多。大跨結(jié)構(gòu)遮擋物少，混凝土澆筑過程易因水分流失過快造成樓板開裂[3,4]。

3 施工技術(shù)措施

3.1 適當(dāng)增加鋼梁預(yù)起拱

本部位施工圖紙中要求斜撐與水平鋼梁交點(diǎn)位置及鋼梁跨中位置設(shè)置1～3 cm的起拱高度。通過對(duì)該部位各施工工況進(jìn)行電腦仿真模擬，起拱高度在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加1.00～1.50 cm，減小混凝土樓板受拉情況，避免混凝土樓板下?lián)鲜芾a(chǎn)生裂縫。詳見圖2。

圖2 鋼桁架起拱示意

3.2 合理安排鋼結(jié)構(gòu)桁架施工順序

1）優(yōu)先施工組合桁架兩端的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及桁架支座鋼管柱混凝土，待兩側(cè)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再進(jìn)行大跨結(jié)構(gòu)施工，減少大跨結(jié)構(gòu)對(duì)兩側(cè)混凝土的影響；

2）在鋼梁下設(shè)置臨時(shí)鋼支撐，減小鋼梁與斜鋼管組合形成整體桁架前兩側(cè)支座位置的受力和彎矩；

3）鋼結(jié)構(gòu)施工完畢后，先行澆筑斜向鋼管柱內(nèi)的混凝土，待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，3層鋼梁與斜向鋼管柱形成整體桁架;

4）在混凝土樓板施工前，拆除鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐，釋放鋼桁架應(yīng)力應(yīng)變和大跨撓度變形，確保在混凝土樓板施工前鋼桁架結(jié)構(gòu)變形基本完全；

5）混凝土樓板施工從下而上逐層施工，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，從上而下逐層拆除混凝土樓板模板支撐架，分級(jí)釋放應(yīng)力應(yīng)變，避免應(yīng)力應(yīng)變突變，減小混凝土裂縫。

3.3 臨時(shí)鋼支撐和模板支撐架體的布置及拆除

1）在水平鋼梁和鋼斜撐形成整體桁架前，為避免大跨鋼梁對(duì)兩側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大拉力，造成混凝土結(jié)構(gòu)開裂，在桁架梁的中間位置設(shè)置600 mm×200 mm×10 mm×15 mm的H型鋼臨時(shí)支撐。型鋼臨時(shí)支撐上部設(shè)置千斤頂，用以調(diào)節(jié)鋼結(jié)構(gòu)起拱高度，保證鋼結(jié)構(gòu)起拱高度滿足設(shè)計(jì)要求。

2）混凝土樓板模板支設(shè)方案必須通過專家論證方可施工。設(shè)計(jì)采用滿堂碗扣支撐架，立桿縱橫間距1.20 m，步距1.50 m。為保證樓板混凝土強(qiáng)度增長順利，在混凝土樓板施工過程中下層架體不拆除，以確保每層的結(jié)構(gòu)自重和施工荷載均能夠傳遞到地基持力層，直至頂層樓板強(qiáng)度達(dá)到要求。混凝土樓板支撐架拆除時(shí)自上而下逐步拆除，形成“自下而上施工，自上而下拆除”的施工順序。“自下而上施工”保證施工進(jìn)度；“自上而下拆除”分級(jí)釋放應(yīng)力應(yīng)變，避免應(yīng)力應(yīng)變突變，減小混凝土裂縫。

3.4 優(yōu)化混凝土原材料性能

3.4.1 優(yōu)化混凝土材質(zhì)

大跨鋼梁組合桁架樓板混凝土選用質(zhì)量穩(wěn)定、抗裂性能好的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，同時(shí)嚴(yán)格控制混凝土的水膠比，保證最小水泥用量。該部位混凝土水泥強(qiáng)度等級(jí)選用42.5級(jí)，水膠比為0.47，水泥用量為300 kg/m2。滿足規(guī)范要求的同時(shí)具有良好的和易性和可發(fā)展強(qiáng)度，并能夠很好地抵抗裂縫的產(chǎn)生。

3.4.2 摻加膨脹劑

此部分樓板混凝土采用微膨脹混凝土，摻加UEA膨脹劑，摻量為10%，補(bǔ)償混凝土的收縮，提高混凝土的抗裂性能，有效減少混凝土裂縫的產(chǎn)生[5]。

3.5 嚴(yán)格控制施工質(zhì)量

針對(duì)大跨鋼梁組合桁架混凝土樓板施工編制專項(xiàng)技術(shù)方案，在大跨結(jié)構(gòu)中間位置設(shè)置寬4 m混凝土微膨脹帶，抵消混凝土自收縮變形；混凝土澆筑前在大跨結(jié)構(gòu)四周搭設(shè)防風(fēng)架，張掛彩條布，減少大風(fēng)天氣對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量的影響；混凝土樓板收面后覆蓋塑料薄膜，做好混凝土保水養(yǎng)護(hù)。在采取相應(yīng)技術(shù)措施的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格落實(shí)三級(jí)交底制度，確保管理人員和施工工人掌握施工要點(diǎn)。制訂獎(jiǎng)罰制度，調(diào)動(dòng)工人積極性，保證混凝土的澆筑質(zhì)量[6]。

4 施工效果

通過合理安排施工工序、優(yōu)化施工工藝和建筑材料，采取必要的施工技術(shù)措施和施工管理措施，逐項(xiàng)化解可能造成大跨鋼梁組合桁架混凝土樓板開裂的影響因素，使可能出現(xiàn)的樓板裂縫得到了有力控制。

經(jīng)現(xiàn)場計(jì)量，本工程大跨鋼梁組合桁架混凝土樓板的裂縫數(shù)量平均為47 mm2/m2，裂縫寬度均小于0.20 mm，遠(yuǎn)小于天津市結(jié)構(gòu)“海河杯”對(duì)一般混凝土樓板要求的100 mm2/m2，有力地保證了工程施工質(zhì)量，為工程創(chuàng)優(yōu)奠定了良好的基礎(chǔ)。