超長混凝土結構裂縫成因與控制措施分析

趙芳

摘要：根據混凝土結構裂縫控制的理論依據以及工程實踐，采取對應的設計及施工措施，可以有效的控制超長混凝土結構裂縫的開展。本文根據混凝土裂縫成因，結合作者參與的多個超長混凝土結構項目所采用的設計方法及結構措施，探討超長混凝土結構的設計及裂縫控制。

關鍵詞：超長混凝土;結構設計;裂縫控制;預應力;誘導溝;伸縮縫;

1 超長混凝土結構裂縫成因

超長混凝土結構具體結構長度大，混凝土強度高、荷載差異性大、應力分布復雜，容易受地基變形、溫度作用、外部荷載等影響產生各類裂縫。超長混凝土結構產生的裂縫包括微觀裂縫和宏觀裂縫。微觀裂縫寬度小，分布無規律且不貫通，由混凝土材料特性決定，對混凝土結構強度及耐久性影響小;宏觀裂縫寬度較大，一般大于0.05mm，由外力荷載、次應力、基礎變形、溫差變化等原因產生。

1.1 混凝土收縮引起的裂縫

混凝土的收縮裂縫產生于混凝土硬化干縮階段，混凝土的收縮變形受制于各類構件及鋼筋約束，混凝土因收縮受制于約束而產生拉應力或拉應變，當此拉應力大于混凝土的抗拉強度，或拉應變超過混凝土的極限拉應變時，混凝土結構將開裂以釋放部分約束。混凝土收縮裂縫屬于混凝土混合材料的固有特性，其影響的因素較多，包括水泥品種及混凝土配合比、混凝土施工質量，養護環境及方法、混凝土添加劑以及結構長度等。

1.2 混凝土構件受荷裂縫

混凝土構件在承受外力荷載以及次應力作用時，產生一定的變形，當拉應變大于混凝土的極限拉應變時，混凝土表面產生一定的受荷裂縫。根據工程經驗，裂縫寬度控制在一定范圍（0.1～0.3mm），混凝土構件的承載力及耐久性可以滿足使用需求。混凝土構件受荷裂縫的影響因素包括以下方面：構件受力特征及配筋率、荷載類型、鋼筋類型及應力、鋼筋直徑及保護層厚度等。

1.3 溫度作用產生的裂縫

混凝土構件受降溫影響時，會導致混凝土構件溫度下降而產生收縮，當混凝土構件收到其他構件及鋼筋約束變形時，混凝土便產生溫度作用拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉強度時，產生溫度裂縫。溫度裂縫的產生與以下因素相關：混凝土結構長度、體積以及約束情況，混凝土強度，構件配筋情況，溫度作用類型。

2 裂縫控制原則

超長混凝土結構裂縫控制主要采用“抗放結合、以抗為主、兼顧材料改良”的裂縫控制原則。“放”主要是指釋放或減少混凝土結構的約束，減少因混凝土收縮在結構中產生的拉應力，例如設置伸縮縫、后澆帶、滑動支座，采用跳倉法、膨脹加強帶的做法。“抗”主要指加強結構剛度、強度以及施加預應力等措施，減小混凝土構件的拉應力，以控制裂縫寬度。“材料改良”指的是通過改良混凝土的材料及配合比，摻加相應的添加劑，減少混凝土在硬化階段的收縮產生的裂縫并產生適當的壓應力以減小降溫產生的溫度壓應力。工程實踐中，往往采用多種結構設計及施工措施相結合，抑制超長混凝土結構因各種因素產生的裂縫。

3 超長混凝土結構裂縫控制與工程實踐

3.1 設置伸縮縫、雙柱變形縫、誘導溝

通過設置伸縮縫、雙柱變形縫、誘導溝釋放和減少混凝土構件的約束，是裂縫控制最簡單有效的方法，但需與建筑及設備專業協商，確定最優的設置方案。例如廣州某機場航站樓項目，首層樓面采用無縫設計，平面尺寸達到550m×320m，結構設計在改良混凝土配合比及摻加相應添加劑的前提下，每80m設置一道貫穿地下室的誘導溝，誘導溝中間設置一道施工后澆帶，誘導溝之間采用預應力控制溫度應力，保證混凝土樓板不產生溫度裂縫，即使產生裂縫也集中于樓板薄弱區域（即誘導溝位置），降低后期檢修維護的難度。

當建筑功能需求不能設置誘導溝及雙柱變形縫時，且難于采用其他結果措施控制裂縫時，可以嘗試設置窄縫來減少混凝土結構長度。

3.2 設置后澆帶、膨脹加強帶及加強施工養護措施

采用設置后澆帶、膨脹加強帶以及加強養護等施工措施，減少混凝土在水化硬化階段的收縮，可以控制收縮裂縫的開展。后澆帶可減少混凝土施工階段的澆筑長度，通過分階段澆筑混凝土，分段硬化，減少混凝土硬化階段的收縮裂縫。根據規范要求，混凝土結構長度超出伸縮縫最大間距時，需要每30～40m設置施工后澆帶。考慮到經濟效益，大部分的超長混凝土結構采用設置施工后澆帶來解決施工階段的的收縮變形。

需要注意的是后澆帶不能減少使用階段溫度作用產生的收縮裂縫，在不能控制后澆帶的施工質量時，后澆帶新舊混凝土交界面可能成為開裂滲水的隱患。故后澆帶需要采用高一強度等級的微膨脹混凝土進行封閉，適當加強后澆帶鋼筋設置，封閉前需要鑿毛舊混凝土浮漿并清理干凈，澆筑時溫度宜低于主體混凝土的澆筑溫度，以減少后澆帶封閉后的溫度變化，從而降低后澆帶處溫度應力，減少裂縫。

采用膨脹加強帶是通過在結構預設的后澆帶部位澆筑補償收縮混凝土，減少或取消后澆帶和伸縮縫、延長構件連續澆筑的長度的一種技術措施，對于工期控制產生有利影響。

3.3 改良混凝土材料及配合比、參加混凝土添加劑

通過采用科學改良混凝土材料及配合比、摻加混凝土添加劑，減小施工階段的收縮拉應力，甚至產生膨脹壓應力。眾所周知，混凝土抗壓強度遠遠大于抗拉強度，壓應力的產生有利于抑制混凝土裂縫的開展。超長結構混凝土材料，通過控制混凝土的水泥品種、坍落度、水灰比、砂率，摻加粉煤灰、礦渣粉等材料，可以顯著減少混凝土施工階段的收縮及裂縫開展。

采用補償收縮混凝土技術，即在普通混凝土中添加一定比例的微膨脹劑，以鈣礬石（或氫氧化鈣）作為膨脹源，混凝土在水化過程中產生適量膨脹，在鋼筋和鄰位限制下，在鋼筋混凝土中建立起一定的拉應力（0.2～1.0MPa，相應的限值膨脹率約為0.015～0.060%），這一自應力能大致抵消混凝土在收縮時產生的拉應力，從而防止或減少混凝土構件的裂縫產生，試驗研究和工程實踐表明，補償收縮混凝土對施工不當產生的微小裂縫（即使是滲水裂縫）具有一定的自愈合能力。

3.4 施加預應力

施加預應力可根據工程特點，可選擇雙向布置或單向布置預應力筋，可考慮不同結構部位的特點選擇是否施工預應力。例如某機場項目，在狹長的指廊結構中，僅沿縱向長度設置預應力，在主樓部分，由于長寬長度均超長，兩個方向均設置預應力。部分地下室超長側壁為弧形側壁，施加預應力會產生較大的次應力，反而對裂縫控制不利，故采用其他措施進行裂縫控制。

4 結語

混凝土開裂因素眾多而復雜，超長混凝土結構裂縫控制對結構承載力及耐久性至關重要，目前我國對于超長結構裂縫控制尚未形成一致的設計方法，鑒于此種情況超長混凝土結構設計中，應根據混凝土開裂理論基礎及工程經驗，結合各種結構方案及施工措施，多重防護，控制超長混凝土結構的裂縫開展。

參考文獻：

[1] 《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）.中國建筑工業出版社，2010.

[2] 《補償收縮混凝土應用技術規程》（JGJ/T 178-2009）.中國建筑工業出版社，2009.

[3] 王鐵夢.工程結構裂縫控制.北京沖國建筑工業出版社，2007.