超長結(jié)構(gòu)設(shè)計裂縫控制方法

江炬康

廈門合立道工程設(shè)計集團(tuán)股份有限公司（361006）

超長結(jié)構(gòu)設(shè)計裂縫控制方法

江炬康

廈門合立道工程設(shè)計集團(tuán)股份有限公司（361006）

結(jié)合某超長結(jié)構(gòu)工程設(shè)計，簡要論述超長結(jié)構(gòu)裂縫控制若干方法。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計分析和采取設(shè)計措施，實現(xiàn)超長結(jié)構(gòu)的裂縫控制。

超長結(jié)構(gòu)；控制縫；跳倉法

1 工程概述

本工程位于福建省廈門市新開發(fā)區(qū)五緣灣片區(qū)，由一棟商業(yè)購物中心、兩棟辦公樓、一棟酒店及其配套裙樓組成，計容建筑面積176 320 m2。其中商業(yè)購物中心為超長建筑，建筑長度約為248 m，寬度120～70 m；總建筑面積3 0710 m2；地下2層，地上3層；結(jié)構(gòu)總高度為32.3 m（如圖1所示）。

圖1 建筑效果圖

2 設(shè)計參數(shù)

本工程建筑設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.15 g。設(shè)計地震分組：第二組。場地類別：Ⅱ類。特征周期Tg=0.40 s。建筑類別調(diào)整后用于結(jié)構(gòu)抗震驗算的烈度7度，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比5%。采用框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級一級。50年一遇的基本風(fēng)壓為0.80 kN/m2,地面粗糙度為B類。廈門市基本氣溫：最高35℃,最低5℃[1]。

3 工程中常用的裂縫控制方法

3.1 設(shè)置后澆帶

后澆帶主要作用在于減小施工階段的結(jié)構(gòu)長度，以減少混凝土的收縮應(yīng)力，消除施工期間的差異沉降。后澆帶不直接減少使用期間的溫度應(yīng)力。習(xí)慣上將后澆帶分為沉降后澆帶和伸縮后澆帶。沉降后澆帶主要用于消除施工期間建筑物差異沉降對結(jié)構(gòu)的影響。后澆帶的澆筑時間應(yīng)有足夠的保證，一般應(yīng)在建筑主體封頂、全部填充墻完成后，根據(jù)沉降觀測記錄確定澆筑時間。伸縮后澆帶主要用于減少早期混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的影響，混凝土收縮需要相當(dāng)長的時間才能完成，一般其澆筑后60 d大致可完成收縮量的70%。《建筑防水工程技術(shù)規(guī)范》指出，混凝土的收縮變形在齡期為6周后才能基本穩(wěn)定。因此，伸縮后澆帶的澆筑時間可適當(dāng)前移。一般情況下，伸縮后澆帶是在過長的建筑物中，每30～40 m間距設(shè)寬度為700～1 000 mm的施工后澆帶。后澆帶內(nèi)鋼筋采用直通加彎或搭接做法。后澆帶混凝土宜采用早強(qiáng)、補(bǔ)償收縮的微膨脹混凝土，其混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)比設(shè)計強(qiáng)度等級提高一級。后澆帶混凝土宜在兩側(cè)混凝土澆筑兩個月后澆灌[2]。

3.2 改善配筋形式

實踐證明，在混凝土構(gòu)件的受拉區(qū)域配置鋼筋可以有效控制裂縫，并且裂縫的形式和裂縫的寬度與鋼筋的配置方式有關(guān)。細(xì)而密的配筋以及黏結(jié)錨固性能較好的變形鋼筋,控制裂縫的效果比較好，這點(diǎn)也可以從《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]第7.1.2條中體現(xiàn)。故采用細(xì)筋密配的形式布置鋼筋，可以改善裂縫的分布形態(tài)。

3.3 采用施加預(yù)應(yīng)力的配筋形式

采用施加預(yù)應(yīng)力的配筋形式,利用預(yù)應(yīng)力抵消、減小混凝土的拉應(yīng)力，是常用控制裂縫的有效手段。但是本工程建筑平面為弧形，一方面預(yù)應(yīng)力鋼筋布置不易；另一方面，預(yù)應(yīng)力的施加可能對弧形平面外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，不僅不能抵消、減小混凝土的拉應(yīng)力，反而增加混凝土的拉應(yīng)力。故本工程未采用此構(gòu)造方式。

3.4 設(shè)置控制縫[4]

控制縫也可以稱為引導(dǎo)縫，是結(jié)構(gòu)縫的一種形式。它是人為地將混凝土結(jié)構(gòu)的某些截面削弱，以誘導(dǎo)在間接作用下的裂縫沿著這些預(yù)先選擇好的截面，按規(guī)定的形式開裂。同時，通過預(yù)先采取的有效措施,消除裂縫可能帶來的不利影響，減小到可以接受的程度。在不能自由變形的超靜定混凝土結(jié)構(gòu)中，間接作用引起的拉應(yīng)力可以通過控制縫得到釋放。引導(dǎo)開裂的間接裂縫出現(xiàn)以后，周邊一定范圍內(nèi)集聚起來的拉應(yīng)力將得到釋放，是一種解決裂縫的有效手段。

3.5 跳倉法[5]施工

跳倉法是由我國著名裂縫控制專家王鐵夢教授提出和推廣的。王教授提出“抗與放”的設(shè)計正是基于這個原則。跳倉法施工對于減少超長、超厚、超薄大體積混凝土的裂縫效果顯著。跳倉法是為縮短施工周期、解決超長結(jié)構(gòu)混凝土中收縮應(yīng)力及溫度應(yīng)力的有效措施。它是將建筑物地基或大面積混凝土平面機(jī)構(gòu)劃分成若干區(qū)域，早期隔塊跳倉澆筑，后期分塊封倉，將建筑連為一體。封倉時間為早期混凝土澆筑完7～10 d，跳倉法起到早期混凝土主要靠分塊釋放溫度應(yīng)力、后期主要靠混凝土的抗拉能力吸收溫度應(yīng)力的效果，這樣就不用留后澆帶了。

3.6 控制溫度裂縫

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，在溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度區(qū)域，采用鋼筋抵抗溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力），從而控制由溫度變化產(chǎn)生的溫度裂縫。

4 本工程結(jié)構(gòu)單體超長設(shè)計方面的解決措施

本工程相對于一般工程的主要特點(diǎn)就是超長（長度約為248 m，當(dāng)時在福建省內(nèi)無類似工程案例），超長建筑的主要問題就是裂縫問題，目前混凝土工程中的裂縫絕大多數(shù)都是由于混凝土收縮、溫度變化、強(qiáng)迫位移（基礎(chǔ)不均勻沉降等）等非常規(guī)荷載作用造成的間接裂縫。

4.1 結(jié)構(gòu)選型

混凝土結(jié)構(gòu)總的構(gòu)件,除了少數(shù)是靜定構(gòu)件（如簡支板、簡支梁、懸臂構(gòu)件等）以外,絕大多數(shù)是超靜定結(jié)構(gòu)。超靜定結(jié)構(gòu)具有很好的整體穩(wěn)固性和抗震性能,對結(jié)構(gòu)的安全是有利的。但是,這種穩(wěn)固性使構(gòu)件的變形、位移受到制約,往往在某些非荷載因素作用下（例如混凝土收縮、溫度變化、強(qiáng)迫位移等）產(chǎn)生約束并引起約束應(yīng)力。剛度越大的超靜定結(jié)構(gòu),其約束作用越強(qiáng)。而約束作用引起的拉應(yīng)力集聚到一定程度以后，就會在抗拉性能很差的混凝土中引起裂縫。故本工程采用剛度相對較弱的框架結(jié)構(gòu)。

4.2 結(jié)構(gòu)計算分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 5009-2012，溫度作用的主要荷載組合如下。

應(yīng)力控制的主要組合：

4.2.1 計算程序

本工程主體結(jié)構(gòu)采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部開發(fā)的PKPM系列軟件SATWE計算,并采用PMSAP軟件補(bǔ)充計算、校核溫度應(yīng)力。

4.2.2 計算輸入

采用三維空間分析程序PMSAP，考慮溫度作用。廈門市基本氣溫最高35℃，最低5℃，計算按± 15輸入，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及位移的計算分析。為保證實際情況可以符合計算假定，考慮升溫工況下溫度應(yīng)力為壓應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)裂縫控制有利。施工時，控制結(jié)構(gòu)后澆帶澆筑時間里當(dāng)月平均氣溫不高于20℃。

4.2.3 計算結(jié)果

經(jīng)過計算結(jié)果對比分析，溫度拉應(yīng)力最大為結(jié)構(gòu)3層（建筑1層）的X向，以上樓層逐層降低，同樓層Y向小于X向。如圖2～5所示。）

圖2 3層溫荷1 X向正應(yīng)力

圖3 3層溫荷1 Y向正應(yīng)力

圖4 3層溫荷2 X向正應(yīng)力

圖5 3層溫荷2 Y向正應(yīng)力

4.2.4 結(jié)果后處理

對于板的配筋，溫度工況下的樓板應(yīng)力見“溫度單工況下的等值線圖”。假定溫度應(yīng)力為1 500 kN/m2，板厚為130 mm，若不考慮混凝土承擔(dān)拉力作用，拉力由樓板鋼筋承擔(dān)，每米寬度內(nèi)所需承擔(dān)溫度應(yīng)力的鋼筋為1 500×0.13×1.0×1 000/360=542 mm2，即板上下兩層鋼筋面積總和不小于500 mm2。考慮溫度作用的組合系數(shù)0.6，上下兩層鋼筋面積為325 mm2，板跨中（板面通長筋）實際配筋為325/ 2=163 mm2，板支座實際配筋及板底筋實際配筋為PMCAD計算的板低筋面積與溫度作用下的附加板底筋面積（325/2=163 mm2）疊加。

對于梁的配筋，采用PMSAP及SATWE計算結(jié)果取包絡(luò)值。梁頂跨中根據(jù)需要設(shè)置不少于兩根通長鋼筋，梁兩側(cè)設(shè)置腰筋，腰筋與腰筋、腰筋與主筋之間間距S≤200 mm。腰筋在框架梁兩端支座按受拉錨固設(shè)計，即滿足抗扭縱筋的錨固要求。

4.3 構(gòu)造措施

在頂層、底層、山墻和縱墻端開間等溫度變化較大的部位提高配筋率。

合理設(shè)置結(jié)構(gòu)的溫度縫，適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長度。本工程每隔40 m左右，設(shè)置一道溫度后澆帶,帶寬1 000 mm。后澆帶鋼筋采用搭接接頭，后澆帶混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)比設(shè)計強(qiáng)度等級提高一級。后澆帶混凝土在兩側(cè)混凝土澆筑兩個月后澆灌，釋放施工階段的大部分溫度應(yīng)力。

結(jié)合建筑要求，本工程設(shè)置覆土為600 mm厚的種植屋面，有利于減小室內(nèi)外溫差，從而降低屋面溫度應(yīng)力。

通過PMSAP分析可知，在樓板平面洞邊、頸部、凹角等部位均存在應(yīng)力集中情況，本工程通過增加板厚、加大板通長鋼筋、增設(shè)角部斜筋及放射筋等構(gòu)造措施來控制溫度裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

混凝土作為復(fù)合型的建筑材料，是一種多相態(tài)的混合體。其本身具有的不連續(xù)性就決定了裂縫是混凝土與生俱來的特性。影響結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的因素很多，目前情況下，對結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力計算結(jié)果一般都大于實測值。對受溫度變化影響比較大的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件,應(yīng)采取加強(qiáng)措施。這里通過實際工程，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度淺述控制裂縫的若干方法，供設(shè)計同行借鑒。

[1]GB 50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[2]朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[3]GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[4]徐有鄰,顧祥林,劉剛,林峰.混凝土結(jié)構(gòu)工程裂縫的判斷與處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[5]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2000.