談超長結構無縫設計裂縫控制方法

張　麗　孫鵬舉

(鄭州市建筑設計院,河南 鄭州　450000)

0　引言

隨著國民經濟的不斷發展，人們對建筑的使用功能和外形審美要求越來越高，“超長、超高、超寬”等超限建筑在國內外不斷涌現。這些建筑為了滿足適用性與耐久性的要求，往往避免設置伸縮縫，以防止地下結構滲水等問題。然而，根據現行《混凝土結構設計規范》規定，框架結構地下部分長度超過55 m，剪力墻結構地下部分長度超過45 m時，需要設置伸縮縫。但是越來越多的工程實際要求結構工程師采取有效技術措施，對結構方案進行優化，以突破規范對伸縮縫最大允許間距的規定，在避免混凝土結構開裂的前提下，滿足建筑要求。

通過對大量工程實際的分析和經驗總結，隨著新技術和新工藝的使用，進行超長、超寬結構無縫設計理念逐漸運用成熟。筆者從裂縫產生的原因和結構布置的要點等方面對超長混凝土結構裂縫的控制方法進行了系統闡述。

1　混凝土裂縫產生的原因

裂縫是固體材料內部分布不連續的一種表現形式，是固體材料的常見缺陷。通常混凝土結構裂縫產生可以從內因與外因兩方面入手分析。

1)內因表現為由于混凝土收縮、徐變或溫度變化等使得結構變形不均勻，而產生內部收縮應力，當收縮應力大于混凝土材料的極限抗拉應力后，表面將開裂從而使結構內部應力釋放，此類裂縫可細分為溫度裂縫和塑性收縮裂縫。

溫度裂縫經常出現在混凝土的養護過程之中，裂縫的寬度受環境溫度的影響顯著，施工時外部環境溫度越低，最終裂縫就越寬。對于超長結構，由于澆筑的混凝土體積大，核心區域混凝土散熱不及時，使得結構內外部溫度不同，導致收縮不均最終開裂，且溫差越高裂縫越寬。

塑性收縮裂縫是在混凝土初凝后、終凝前，由于結構表面的游離水分蒸發、表面收縮，而此時的混凝土由于強度較低，不能抵抗這種變形應力，致使混凝土開裂。超長混凝土結構由于表面積大，表面水分蒸發快，結構總收縮量大，如果養護不及時，極易產生塑性收縮裂縫。

2)外因表現為由于混凝土結構受到荷載作用產生的直接應力，或由不均勻沉降產生的次生應力，當直接應力或者次生應力大于混凝土的極限抗拉應力時，混凝土結構將開裂。通常，外因裂縫是在結構正常使用過程中產生的，業主隨意改變建筑的使用功能，使得結構實際荷載超過設計荷載，從而導致此類裂縫產生。而對于超長結構，結構跨度大，地基情況往往比較復雜，基礎的不均勻沉降，地下水位的變化，均會使得結構產生較高的附加應力，也會造成混凝土構件開裂。

2　超長結構無縫設計的意義

超長結構無縫設計是在建筑物的長度超過了現行規范對伸縮縫、抗震縫基本要求而不設縫的結構。現行規范對伸縮縫的要求并不是強制規定，因此無縫設計并不與國家規范對立。這種設計可以滿足建筑物結構安全與使用功能上的多種要求，其設計的意義主要表現在以下幾個方面：

1)建筑物正立面設置多道伸縮縫，會影響建筑物立面效果和裝飾風格，而且設縫處往往對墻體外形施工有較高要求，施工處理不當或者維護不及時均會影響建筑的造型。無縫設計可以保證立面的完整性，使得建筑立面設計更易處理。

2)無縫設計可以避免由縫分開的各個結構單元因質心與剛心不重合而引起扭轉效應。尤其對于雙拼式高層住宅結構，無縫設計可以使結構對稱布置，在地震作用下，結構一般以平移振動為主振型。

3)變形縫設置會給結構的防水性、耐火性、耐久性等方面產生影響，從而為設計和施工增加難度。而且變形縫易受到建筑環境的影響，給維護工作帶來不便，尤其對于隱蔽性較強的地下結構變形縫，其維護更具難度。如果采用無縫設計，就可以從根本上解決此難題。

4)機電設備的管線布置需要貫通建筑物墻體，如果建筑中間設置變形縫，為了防止由于縫兩邊結構單元錯動而使管線折損，管線必須采取吸收位移和降低內力的措施，從而限制了管線的靈活布置、維護和改造，同時也會影響管線內部載體流的通暢。無縫設計為管線安全、靈活、貫通的設計提供便利。

3　超長結構設計方法

筆者在超長結構設計時，通過分析裂縫產生的內因與外因，結合前人的研究經驗，使用“放”與“抗”的設計理念。“放”主要針對混凝土裂縫產生的內因，即在施工過程中，降低結構的內部約束，使構件可以“自由”伸縮，釋放內力；“抗”主要針對外因，通過加強材料自身抗裂能力和結構構件承載力，在正常使用時期，使結構抗裂能力高于體系內力。兩種方案同時使用，雙管齊下更易達到抗裂的目的。

3.1　材料措施

高強混凝土在凝固過程中與普通混凝土相比，釋放水化熱更多，材料收縮量大，更易產生裂縫。因而，在滿足承載力、結構剛度等要求的前提下，超長結構應盡量降低混凝土強度等級。為降低混凝土的收縮率，可在其中摻加適量膨脹劑，以保證混凝土限制膨脹率和限制干縮率符合規范要求。同時為改善混凝土脆性，提高混凝土的整體連續性，還可以摻入適量改性聚丙纖維，此方法可以提升混凝土材料自身的抗拉極限應力，提高結構抗裂能力，滿足“抗”的設計理念。

3.2　施工措施

后澆帶是處理超長結構無縫設計的重要施工措施之一。后澆帶即在結構的相應部位留設臨時施工縫，將結構暫時劃分成幾個獨立的部分，當結構構件完成內部收縮后，再澆筑施工縫的混凝土，將幾個部分連成整體。后澆帶的設置，可以使在施工縫混凝土澆筑前，結構的各個部分分別完成收縮變形，降低結構對混凝土的約束效應，從而降低混凝土的初始應力，符合“放”的設計理念。

后澆帶內鋼筋不斷開或采用搭接方式，并在相鄰結構澆筑60 d后再澆筑。后澆帶混凝土強度高于主體結構混凝土強度一個等級，本工程采用C35，且摻加水泥用量6%的抗裂膨脹纖維防水劑，梁板后澆帶另設加強筋。

3.3　結構措施

從結構構件的布置方式考慮，宜采用“放”的設計理念，盡量釋放結構的次生內力。對于抗側移剛度較強的剪力墻構件，不宜集中放置在結構兩側，以約束結構的溫度變形，增大結構的次生應力。結構基礎持力層宜選在同一土層，或采用地基處理措施，使持力層承載力均衡，避免不同部位產生不均勻壓縮變形，而使結構內部產生次生內力。

同時，合理布置的剪力墻可以抵抗結構的溫度變形，減少裂縫的產生。屋蓋梁板采用雙層雙向配筋并予以加強，或采用雙向布置的無粘結預應力筋，也是抵抗溫度變形的結構設計措施，符合“抗”的設計理念。

3.4　保溫措施

建筑外墻采用外保溫形式，可以使結構主體在使用階段不外露，降低結構受溫度變化影響，從而降低溫差變形，減少裂縫。在建筑屋頂增加保溫層厚度，或采用坡面的結構架空層屋頂形式，可以降低結構頂面的溫度，控制屋頂橫向變形。

尤其注意施工階段中，當建筑物未封頂，且保溫材料未粘結時，結構暴露在外界環境中，此階段是超長結構受溫度應力影響最顯著的時期。對于新舊混凝土結合面處施工縫的處理，更是需要關注的重點。根據歷年溫度與溫差記錄，分析結構溫度應力與變形，找出結構在溫度應力作用下的薄弱點，從而有針對性的采取加固處理和技術措施。

4　結語

超長結構無縫設計的裂縫控制方法，是在綜合考慮了混凝土裂縫產生的微觀機理基礎之上，結合“放”與“抗”的設計理念，綜合運用材料措施、施工措施、結構措施和保溫措施，使建筑可以在超過規范規定最大變形縫間距要求時，避免混凝土裂縫的產生和發展。通過對多個工程實際的應用，證明此方法是行之有效的。

參考文獻:

[1]JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S].

[3]GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].