鋼板-混凝土組合剪力墻開裂原因分析及防控措施

陳麗娟，李成華

(西安工業(yè)大學建筑工程學院，陜西 西安 710021)

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鋼板-混凝土組合剪力墻開裂原因分析及防控措施

陳麗娟，李成華

(西安工業(yè)大學建筑工程學院，陜西 西安 710021)

摘要：鋼板-混凝土組合剪力墻開裂問題一直是困擾工程界的一大難題，現結合超高層建筑工程實踐中常出現的鋼板-混凝土組合剪力墻開裂現象，從墻體開裂理論分析、數學分析和實驗分析三個角度對鋼板-混凝土組合剪力墻裂縫產生機理進行了初步探索。通過對原材料、配合比、結構設計和施工四個方面的優(yōu)化，達到防控鋼板-混凝土組合剪力墻開裂的目的。最后得出墻體開裂原因大致可以分為施工和早期養(yǎng)護、溫度變形不協(xié)調、混凝土的自收縮作用和外界環(huán)境的腐蝕四類。實踐證明，該鋼板-混凝土組合剪力墻開裂原因分析和防控措施，為其在超高層建筑中的充分應用提供了依據。

關鍵詞：組合剪力墻；開裂；鋼板；混凝土；變形

鋼板-混凝土組合剪力墻是通過栓釘進行連接并由內填鋼板和鋼筋混凝土板組成。它作為超高層建筑中的重要抗側構件，具有優(yōu)良的抗震性能、優(yōu)越的變形性能、承載力大、強度高、抗側移剛度大、延性好、構件尺寸小、結構空間占用率小等優(yōu)點，因而在超高層建筑中得到廣泛的應用。隨著現代社會高層建筑的迅速發(fā)展，其對鋼板-混凝土抗震性、高強性尤其抗裂性的要求也相應提高。

鋼板-混凝土組合剪力墻結構由于混凝土設計強度高、水化熱溫升高、溫升速率快、收縮變形(包括硬化前的塑性收縮、硬化時的自收縮、溫降收縮、干燥收縮、碳化收縮)大、養(yǎng)護困難、水膠比低、粘性大以及鋼板-混凝土相互約束大等因素，其在高層建筑的實際應用過程中開裂風險比較大。鋼板-混凝土組合剪力墻與普通的鋼筋混凝土剪力墻開裂原因原理相通但又不完全相同，前者主要涉及鋼板和混凝土兩種組成構件的接觸變形協(xié)調性問題，這種裂縫發(fā)生的概率和危害程度大，嚴重影響了工程的整體性、耐久性、穩(wěn)定性、美觀性以及承載力性能，所以建筑科學界有必要加緊進行開裂原因研究，尋找有效的裂縫防控措施，共同攻克這一困擾建筑業(yè)多年的難題。本文主要從理論、數學、實驗三方面分析鋼板-混凝土組合剪力墻開裂的原因，并提出必要的防控措施，這對工程設計和施工等具有一定的實踐意義。

1鋼板-混凝土組合剪力墻開裂原因分析

本文后續(xù)提到的組合剪力墻均指鋼板-混凝土組合剪力墻，鋼板均包括板和板上的栓釘，溫度應力均指鋼板和栓釘與混凝土之間的應力，約束應力均指鋼板和栓釘對混凝土的約束力。

1.1開裂理論分析

1.1.1原材料方面

1)水泥用量大組合剪力墻中的混凝土設計強度高，水泥用量和標號也相應提高，是普通混凝土水泥用量的1.5～2倍，由于組合剪力墻厚度大于1 m，屬于大體積混凝土；另外，混凝土屬熱惰性材料，大量水泥集中于組合墻內部，水化放熱聚集較多，放熱緩慢，極易造成混凝土內外溫度梯度過大導致墻體開裂。

2)砂石的含泥量過大市面上的天然砂石質量相比以往下降很多，很多砂石含泥量過大，不能滿足配制高強混凝土細骨料所用的中砂含泥量小于2%以及粗骨料所用石子的含泥量小于1%的標準要求。混凝土中砂石的含泥量越大，混凝土自收縮就越大，墻體越易開裂。

3)活性礦物料摻入過多活性礦物料顆粒超細比表面積很大，從而需水量較多，致使混凝土失水過多。混凝土隨著失水量的增大自收縮量明顯增大，因而加速了墻體的開裂。

1.1.2配合比方面

1)水泥品種和用量選用不當組合剪力墻結構所用水泥強度等級越高混凝土開裂的幾率越大。當選用的水泥質量不好，比如水泥不夠均勻，將會導致混凝土強度發(fā)展期間水化熱聚集不均勻，形成較大的溫度梯度差，加速了混凝土的開裂。水泥用量過大的影響如前1.1.1中的1)所述。

2)砂率選擇不當早在2007年，喻驍[1]便通過4組實驗，有力地證明了當砂率處在36%～43%范圍時，混凝土塑性收縮面積最大，當砂率較大或較小時，混凝土塑性收縮裂縫反而略小。圖1是根據四組實驗(SP1、SP2、SP3、SP4)的結果繪得的砂率與裂縫總面積的關系圖。

圖1　砂率與混凝土裂縫面積的關系

3)水膠比(水灰比)低混凝土中水膠比(水灰比)低，即水少膠凝材料(水泥用量)多，膠凝材料(水泥)水化熱引起混凝土內部溫度變化，栓釘與混凝土接觸部位產生不協(xié)調變形，易導致組合剪力墻開裂。

1.1.3結構設計因素

1)混凝土設計強度高隨著高層建筑的日益崛起，組合剪力墻結構的混凝土設計強度也逐漸提高，設計要求一般為C40以上。高強混凝土因水化熱聚集較大，在提高組合剪力墻承載力的同時加大了墻體早期開裂的風險。

2)組合剪力墻后澆帶留置不正確對于一些過長或過高的組合墻要留置后澆帶，地下室外墻在夏季施工時，后澆帶間距不宜大于20 m，間距過大則容易導致組合墻溫度收縮不均產生裂縫。

3)組合剪力墻配筋不合理一方面組合剪力墻水平配筋的直徑、間距過大，違背了配筋細而密且可抵抗收縮應力的原則，墻體易發(fā)生收縮變形；另一方面構造筋配置不合理，混凝土的抗裂性能降低，這也是墻體容易開裂的重要影響因素之一。

4)鋼板厚度大在相同溫度應力條件下鋼板越厚，鋼板與混凝土之間的不協(xié)調變形越大，鋼板與混凝土接觸處的應力差更大，這是誘發(fā)組合剪力墻開裂的不容忽視的原因[2]。

1.1.4施工方面

1)施工工藝方面組合剪力墻開裂一般發(fā)生在施工早期，若在混凝土運輸和澆筑過程中沒有及時采取有效的措施，如沒有對泵送混凝土的輸送管全程覆蓋遮陽來降低鋼板和混凝土的溫度應力差，則容易造成界面拉應力過大而加速墻體的開裂。

2)施工工序方面組合剪力墻結構中混凝土的澆筑一般釆用跳倉分塊法澆筑，所以澆筑時間和順序的合理把控成為施工中重要的一道工序。當采用分層連續(xù)澆筑或推移式連續(xù)澆筑時，若在上層混凝土初凝之前不及時進行下一層混凝土的澆筑，混凝土內部水化熱則會大量積聚不能充分發(fā)散，從而加大了混凝土水化熱和收縮的影響。

1.1.5環(huán)境影響方面

1)溫度的影響經前人的實驗研究和工程實踐證明：對相同強度的地下室外墻進行澆筑，在平均氣溫高于25 ℃時墻體容易產生豎向裂縫；在平均氣溫低于10 ℃時墻體則不產生裂縫。因為氣溫越高，混凝土產生的拉應力越大，墻體越易開裂[3]。

2)腐蝕性材料的影響組合剪力墻配料中不可避免的會含有一定的腐蝕性材料，比如酸、堿、鹽對結構的腐蝕。這些腐蝕性材料腐蝕后的三態(tài)產物，促使墻體膨脹而開裂。

3)混凝土養(yǎng)護條件的影響較厚的組合剪力墻體內部水化熱積聚較高，拆模后如不及時對混凝土進行保溫保濕養(yǎng)護，一方面混凝土表面熱擴散速率過快而形成較大的內外溫度差；另一方面混凝土表面脫水干燥而收縮，所以都易于致使混凝土表面裂紋的產生。

1.2開裂數學分析

1.2.1基本假定

1)在模擬分析施工初期鋼板-混凝土組合剪力墻水化熱對混凝土溫度場和應力場的影響時，時常假定混凝土是一種各向同性材料[4]。

2)假定本數學分析只考慮非荷載條件下的應力應變關系，并視混凝土和鋼板的溫度變化歷程一致，見圖2[5]。

圖2　鋼板與混凝土同步溫升歷程

1.2.2準備工作

鋼板和混凝土兩種材料的線膨脹系數不同，在組合剪力墻強度發(fā)展過程中，混凝土由于水化熱作用產生不協(xié)調性變形，這是導致鋼板混凝土組合剪力墻施工早期開裂的主要因素之一。D.Cusson等[6]的實測結果從圖3可知；混凝土的線膨脹系數在(5～10)×10-6/℃，由表1可知在350 ℃以內，鋼板的線膨脹系數基本穩(wěn)定在12×10-6/℃上下。顯然，鋼板的線膨脹系數高于混凝土的線膨脹系數，所以相同溫度變化范圍內，鋼板的變形要大于混凝土的。

圖3　混凝土早期熱膨脹系數

鋼號線膨脹系數工作溫度/℃1002002502602803003203403501011.9012.6012.7012.7212.7612.8012.8412.8812.902011.1612.1212.4512.5212.6512.7812.9913.2013.3120G11.1612.1212.4512.5212.6512.7812.9913.2013.3115CrMoG11.9012.6012.9012.9613.0813.2013.3013.4013.4512Cr1MoVG13.6013.7013.8513.8813.9414.0014.0414.0814.1012Cr2MoWVTiB*11.0011.9012.4012.5012.7112.9012.9613.0213.0512Cr3MoWSiTiB*10.3111.4611.6911.7411.8311.9212.0212.1212.17Q23512.2013.0013.2313.2713.3613.45Q3458.3110.9911.6011.7812.0512.3112.4912.6812.77

1.2.3溫升階段分析

設鋼板與混凝土達到溫升峰值時的齡期為tm，對應峰值溫度為T(tm)。溫升階段組合剪力墻產生溫度應變，鋼板和混凝土同時發(fā)生溫度膨脹，由圖3和表1易知，鋼板的線膨脹系數比混凝土的線膨脹系數大，所以混凝土相對于鋼板而言產生的是收縮變形，約束條件下產生拉應力；溫升階段還產生收縮應變，混凝土發(fā)生自收縮和非荷載非溫度下的多類收縮，比如干燥收縮、塑性收縮、碳化收縮等；相反，鋼板不發(fā)生這些變形，所以約束條件下也產生拉應力。

1)混凝土相對于鋼板的溫度應變?yōu)椋?/p>

dε1(t)=[αs-αc(t)]×dT(t)

(1)

式中：αs為鋼板的線膨脹系數(常數)；

αc(t)為隨齡期不斷變化的混凝土線膨脹系數；

T(t)為對應齡期t的鋼板-混凝土溫度，t為齡期。

對上式兩邊積分得：

(2)

2)混凝土相對于鋼板的約束應變?yōu)椋?/p>

dε2(t)=d[εcy2(t)-εsy2(t)]

(3)

式中：εcy2(t)為混凝土的約束應變；

εsy2(t)為鋼板的約束應變。

鋼板-混凝土組合剪力墻施工早期，混凝土處于流態(tài)和流塑態(tài)之間，受約束應力很小，即εsy2(t)≈0，對上式兩邊積分，轉化為式(4)：

ε2(t)=εcy2(t)

(4)

3)混凝土相對于鋼板的非約束條件下收縮變形為：

dε3(t)=d[εcz3(t)+εsz3(t)]

(5)

式中：εcz3(t)為混凝土的收縮應變；

εsz3(t)為鋼板的收縮應變。

當只考慮非荷載非溫度變形時，混凝土收縮變形較明顯，而鋼板不發(fā)生收縮變形，即εsz3(t)≈0，對上式兩邊積分，所以式(5)轉化為：

ε3(t)=εcz3(t)

(6)

混凝土相對于鋼板的總的拉應力應變?yōu)椋?/p>

εσ1(t)=ε1(t)+ε2(t)+ε3(t)=

(7)

當混凝土拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土產生裂縫，由(7)式可以看出應力應變與混凝土的線膨脹系數αc(t)和溫升速率T′(t)有關，這兩個參數是可以予以人為優(yōu)化的參數，升高αc(t)或者降低T′(t)可以降低混凝土的拉應力應變。αc(t)可以通過調節(jié)混凝土的配合比進行優(yōu)化，配合比確定混凝土的線膨脹系數αc(t)便確定；T′(t)可以通過添加緩凝劑等措施進行優(yōu)化。

1.2.4溫降階段分析

設鋼板-混凝土從溫升峰值降到環(huán)境的平衡溫度為T0；混凝土因溫降引起的收縮變形為ε；混凝土由溫降引起的自收縮應變?yōu)椤痞與z；混凝土由溫降引起的約束條件下的收縮應變?yōu)椤痞與y；混凝土在約束條件下產生的內應力為σt。

T0可以依據混合率求得[7]：

(8)

式中：T0為鋼板與混凝土達到的初始平衡溫度；cc、mc、Tc分別為混凝土的比熱容、質量、澆筑溫度；cs、ms、Ts分別為鋼板的比熱容、質量、初始溫度。

混凝土溫降引起的收縮應變公式可表示為：

∑ε=αc×ΔT=αc×(Tm-T0)

(9)

式中：αc為混凝土的線膨脹系數；

ΔT為混凝土的溫度變化；

Tm為混凝土的溫升峰值；

T0為鋼板和混凝土的平衡溫度，即環(huán)境溫度。

混凝土開裂的主要原因在于混凝土的收縮，而研究混凝土開裂的意義不僅在于混凝土的自收縮變形，更重要的是它在約束條件下產生的收縮應力。混凝土在約束條件下產生的內應力σt的公式可表示為：

σt=(∑εcz-∑εcy)×Ec=γ×∑εcz×Ec

(10)

(11)

式中：Ec為混凝土彈性模量；

γ為混凝土的約束度。

由式(9)可知，混凝土因溫降引起的收縮應變與混凝土的溫度變化ΔT有很大關系，所以要特別注意溫度收縮對混凝土開裂的影響。與混凝土溫度收縮有關的因素有水泥的品種和用量、混凝土的水灰比、入模溫度、內部溫濕度的變化、空氣溫濕度變化等。通常，強度要求越高的混凝土水灰比越低，水泥用量大，水化熱多，溫度收縮就越顯著[4]。

當σt大于混凝土抗拉強度ft時，混凝土便產生開裂現象，由式(10)和式(11)可知，混凝土的彈性模量Ec和約束度γ是混凝土在約束條件下的內應力σt的關鍵參數。Ec與混凝土的配合比有關，γ與混凝土澆筑時模板、鋼板、栓釘、梁柱等對混凝土的約束有關。所以通過降低混凝土彈性模量Ec和約束度γ能有效防止混凝土因應力過大而開裂。

2鋼板-混凝土組合剪力墻開裂防控措施

2.1原材料及配合比優(yōu)化措施

1)混凝土結構內部中心點的最高溫度主要取決于水泥品種和水泥用量。在保證組合剪力墻強度和性能的前提下，盡量選用低等級水泥，并降低水泥用量。若施工條件有限必須加大混凝土用量來滿足工作要求時，應盡量加入優(yōu)質粉煤灰、礦粉、石灰粉、硅粉等摻合料來控制水泥用量[8]。

2)選用微膨脹纖維混凝土纖維能分散應力集中，并抑制混凝土早期干縮裂縫的產生；膨脹劑的微膨脹原理則可以補償混凝土的收縮變形，工程實踐證明微膨脹纖維混凝土的使用有效地抑制了混凝土微裂縫和離析裂紋的產生與發(fā)展。

3)優(yōu)先選用級別良好的碎石碎石級配的好壞與混凝土的用量控制和混凝土和易性的大小密切相關，級配良好的碎石則可減少膠凝材料用量，降低砂率，且能保證混凝土良好的和易性，從而減少了組合剪力墻因水泥用量過大或混凝土干縮而開裂。

2.2結構設計優(yōu)化措施

1)鋼板-混凝土組合剪力外墻的混凝土設計強度應當低于框架柱的設計強度，另外應處理好組合剪力墻的墻體與其他相鄰構件的連接布置，增加其柔性以減少相互構件的約束作用即減小混凝土的約束度γ。

2)合理地減小鋼板-混凝土組合剪力墻內部栓釘間距，經實驗分析可知，在一定范圍內，栓釘間距越小，混凝土的應力分布越均勻。

3)在保證組合剪力墻結構承載力的前提下，盡量控制鋼板的厚度。對應前文1.1.3(4)中的墻體開裂原因分析可知，適當減小鋼板的厚度，可以減小組合剪力墻兩種組成材料的不協(xié)調變形，對早期的溫度裂縫控制具有積極的作用。

2.3施工養(yǎng)護措施

1)盡量選擇晚間或清早對組合剪力墻進行澆筑，若暑期施工，高溫環(huán)境難以避免，則在進行混凝土攪拌時應加入適量的沙冰或者對泵送混凝土的聚送管綁縛一圈冰塊，控制混凝土的入模溫度與日平均氣溫平衡，以減小混凝土的內外溫度差、應力差。

2)實施“分塊跳倉，抗放兼施”的施工方案，對大體積混凝土澆筑塊體合理分塊并設置合理的跳倉間距，對混凝土的溫度應力采用抗、放兼施的措施，以削減組合剪力墻承受的溫度應力和收縮應力。事實證明，此方案對降低組合剪力墻裂縫產生的可能性具有明顯的效果。

3)從混凝土著手，可以在混凝土內部加設循環(huán)冷水管或對混凝土原材料進行預冷，減慢混凝土的水化熱積聚作用，降低混凝土內部最高溫度；從鋼板著手，在混凝土硬化前可以對鋼板預熱，主動干預鋼板的變形，使其產生一定的膨脹補償混凝土硬化后的體積收縮，從而有效地控制了組合剪力墻有害裂縫的產生。

4)混凝土養(yǎng)護期間及時對混凝土采取保溫和保濕措施。混凝土施工后在混凝土表面刷一層合格的養(yǎng)護液形成薄膜，也可以直接在混凝土表面覆蓋塑料薄膜和麻布片，保溫養(yǎng)護不低于15d，保濕養(yǎng)護為每隔6h進行一次灑水，這樣既可以降低混凝土表面的溫降速率，又可以防止混凝土表面因脫水發(fā)生干燥收縮，對防止混凝土表面裂紋的產生有著功不可沒的作用。

3結語

鋼板-混凝土組合剪力墻的應用越來越廣泛，面臨的問題也越來越多，墻體開裂是當下緊迫而又亟待解決的重大問題之一。

綜上所述，組合剪力墻開裂的主要原因可以分為以下四類：

1)現場施工和早期養(yǎng)護原因引起的開裂；

2)鋼板和混凝土兩種材料的溫度變形不協(xié)調引起的開裂；

3)由混凝土的自收縮變形引起的開裂；

4)外界環(huán)境比如硅酸鹽對結構的腐蝕引起的開裂。

針對這四類的開裂分析，本文最后從原材料與配合比、結構設計、施工三方面提出有效的裂縫防控措施及建議，分別為：

1)原材料與配合比通過水泥品種和水泥用量、微膨脹纖維混凝土及級配良好碎石的選用進行優(yōu)化；

2)結構設計通過墻和柱的混凝土強度設計和減小混凝土的約束度γ，合理減小組合剪力墻內部栓釘間距和控制鋼板厚度進行優(yōu)化；

3)施工選擇晩間或清早進行組合剪力墻澆筑，實施“分塊跳倉，抗放兼施”的施工方案，預冷混凝土或加熱鋼板或在混凝土養(yǎng)護期間及時采取保溫保濕措施。

參 考 文 獻

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收稿日期：2016-01-12

作者簡介：陳麗娟(1989—)，女，山東菏澤人，碩士在讀。

中圖分類號：TU398+.9

文獻標志碼：A

文章編號：1008-3707(2016)04-0002-05

Reasons Analysis and Prevention Control Measures of theCrack of the Steel Plate-Concrete Combined Shear Wall

CHEN Lijuan, LI Chenghua