地下室混凝土結構裂縫控制在溫度效應下的研究

范 佳

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

1 概述

超長混凝土結構在設計中可以減小和避免建筑結構產生防水、保溫以及耐久性等性能衰弱、機電設備的管線布置不便以及整體性不利于抗震的要求，但是采取的措施是混凝土需無縫設計。

對于地下室建設，一般其外墻結構會被土體所覆蓋，在實際工作當中會出現裂縫等不利情況，難以選擇施工面進行修補改善，就算是可以選擇重新修補改善，也會大大增加維修費用，因此在前期設計中要進行裂縫控制預防工作，可以大幅度減少后期不利因素產生的影響[1]。因此對地下室進行裂縫控制研究是很有必要的，特別是基于溫度效應的情況下，可以減少溫度應力，降低混凝土的裂縫寬度，保證建筑物在正常使用周期內不會產生裂縫而帶來巨大的經濟損失，其研究意義十分明顯，具有較好的前景。

2 混凝土結構溫度場的研究

混凝土結構溫度場的研究在國內外主要是針對大體積混凝土和橋梁結構混凝土，美國的學者Zuk[2，3]為了能夠得到橋梁結構的溫度分布情況，對所在地區的氣象資料進行收集整理匯總，然后估算未來幾天的天氣情況，對橋梁混凝土在這種天氣下的溫度應力反應進行分析，得出了風、環境氣溫和太陽的輻射均會對混凝土產生不同的溫度場，造成應力集中，產生溫度裂縫。在國內，學者朱伯芳教授[4]同樣研究了大體積混凝土的溫度場，得出了大體積混凝土溫度場發展的三個階段，第一個階段是早期階段，這個階段混凝土的發展溫度場主要集中在水泥的水化作用，從混凝土的澆筑開始到水泥的水化放熱基本結束這段時間，大約持續30 d，主要是由于水泥的水化作用，使得混凝土的溫度場急劇發生變化，同時伴隨著大量的熱量被放出。之后進入中期階段，水泥的水化作用基本結束，混凝土內部的熱量不再急劇減少，達到平穩狀態，此時混凝土的溫度場變化基于外界的溫度和自身的冷卻進行，最后是晚期階段，混凝土的熱量已經釋放完畢，冷卻全部完成進入投用階段，混凝土內部溫度場的變化不再基于本身溫度變化，完全取決于室外環境溫度以及所處的水溫變化中。

混凝土裸露在空氣中完成其使用功能，肯定要受到外界空氣的影響和變化，產生溫度場，國內外學者[5]關于溫度場的計算主要采用三種不同的方法進行分析研究，一種是解析法，該法適用于邊界條件比較簡單；還有一種是經驗公式法，邊界條件比較模糊，主要是基于當地的多年氣象資料收集然后應用于溫度場的計算中，這種方法的精度、實操性較強；最后一種是數值計算法，借助于計算機，將實際參數輸入計算機中進行求解，得出結論，但是這種方法一般要提供溫度場的分析模型才可以應用于實踐工程當中。

3 混凝土結構溫度應力的研究

混凝土結構的溫度效應主要指的是混凝土結構在外界環境中由于溫度發生變化，其自身結構內部溫度也相應發生變化，產生溫度變形，這種變形如果沒有得到有效的限制，則會自由伸張，對結構產生不利的影響；若是可以根據規律，控制其自由生長，但是結構的變形受到一定的控制，產生溫度應力來抵抗結構變形控制[6，7]。因此混凝土內部溫度分布不均是混凝土產生裂縫的主要原因。

國內學者研究如何控制混凝土溫度情況發生變化的理論研究，主要是通過彈性理論進行分析研究，提出了“框架結構溫度應力的近似算法”[8]，將空間結構轉變為平面結構進行計算，同時對于空間結構存在的其他因素進行了忽略計算，偏理想化，整體性較差。隨著超長混凝土的產生，手算計算已經不能滿足于結構的計算，借助于計算機功能是最理想的一種計算手段，目前被廣泛應用于實際工程計算中。

4 地下室混凝土結構溫度作用的研究

上述理論也適用于地下室混凝土結構，同時國內學者也專門針對地下室混凝土結構進行了實際的調查分析，分析得到不同工況下混凝土的溫度應力情況，通過及時進行回填土可以減少溫差對于混凝土的影響。而且借助有限元軟件分析得到在混凝土結構的拐角、洞邊還有兩洞口之間較窄部位會出現應力集中的現象，通過設置必要的后澆帶，再加上膨脹的作用可以減小溫度應力的作用。

潘金龍[9]學者根據熱傳導理論對某一電廠的地下室結構進行研究，借助有限元軟件分析，得到基于混凝土結構的剛度中心為圓心，越接近剛度中心溫度變形越小，隨著距離的不斷增大，同樣會出現溫度應力集中的現象，特別是拐角以及洞口等薄弱部位。

通過數值模擬分析顯示，在溫度作用下，結構內壁和外圍土體之間也存在著溫度效應[10]，溫差的正負影響著結構的收縮，負溫差作用下，混凝土結構整體收縮的方向是縱向，而正溫差下，混凝土結構整體收縮的方向是橫向，收縮變形量與溫差呈線性對應關系，溫度產生的拉應力隨著內壁向外壁轉移的過程逐漸減小。

5 控制措施分析

對于地下室混凝土基于溫度效應產生的裂縫，可以采取有效的方式進行預防，但是一般鋼筋混凝土工作的時候是允許出現裂縫的，可通過減少裂縫的條數和寬度提高混凝土的承載能力。

1)在混凝土澆筑的時候可以采用降低混凝土的溫度來防止后期裂縫的開展，比如說對混凝土澆筑完要進入模具中時采用低溫入模的方式，養護的時候嚴格控制溫度，可以避免混凝土終凝的時候水化熱太大而出現收縮現象。對于夏季高溫天氣，盡量減少在中午溫度高的時候澆筑混凝土，可在早晚溫度較低時澆筑完成。

2)在原材料的選擇上，可以選擇水化熱較小的水泥，減少在澆筑過程中的水化熱，同時可以通過添加外加劑的方式控制水化熱，如使用礦渣硅酸鹽水泥或者是摻有粉煤灰的水泥。緩凝劑等化學藥品的加入，也可以延長水化熱的時間，增加放熱的過程。此外也可以通過嚴格控制混凝土原材料的各種物質的使用量，減少骨料中的含泥量控制混凝土的裂縫開展。

3)最好采用蓄水養護，混凝土屬于水硬性材料，在養護時盡可能的全部浸入水中進行養護，對于較大的構件，比如墻、柱等構件，體積較大，應天天有專人進行澆水養護，時間嚴格控制在14 d以后進行脫模，不可提前投入使用。

4)構件可以采用保溫隔熱措施，盡量減少跟外界溫度的接觸，降低溫差，減少裂縫的產生。

5)在施工過程中采用后澆帶的方式進行混凝土的施工可以使得混凝土有足夠的變形空間，釋放大量的收縮應力，達到控制裂縫的效果。

6)在實際操作中可以提高混凝土的配筋率來控制混凝土裂縫的發展，抵抗由于溫度收縮產生的溫度拉應力。