超高層建筑組合剪力墻裂縫控制分析

李平

天津市美銀房地產開發有限公司 天津 300202

1 工程概況

天津平泰大廈項目，地處天津市河西區小白樓商務區，項目地上為兩棟超高層塔樓，其中辦公樓地上56層，建筑高度313m，總建筑面積12.36萬m2，塔樓結構為“核心筒+外框組合結構”形式。核心筒剪力墻內配置有型鋼柱、鋼板墻，剪力墻厚度為1300～300mm，隨著樓層的增加在相應樓層逐步縮減，剪力墻混凝土強度為C60、C55、C50，強度較高。在施工過程中，核心筒剪力墻施工選用的是液壓爬模系統，在標準層模板選用大鋼模板+鋁模板的形式，在非標層模板選用大鋼模板+鋁模板+木模板接高進行處理；核心筒水平結構模板選用輪扣滿堂腳手架+木方龍骨+多層板的模板支撐體系[1]。

2 組合剪力墻裂縫影響因素分析

本工程辦公樓為超高層建筑，核心筒墻體設計為鋼板-混凝土組合剪力墻，混凝土強度高，厚度大，鋼筋布置緊密，澆筑后極易產生裂縫。結合現場實際，為避免施工過程中組合剪力墻墻體出現有害性裂縫，提前對本項目組合剪力墻墻體裂縫可能產生的原因進行了分析，主要如下所述。

2.1 原材料水化熱

本工程辦公樓核心筒剪力墻厚度較厚，強度高，大部分屬于大體積混凝土，且C60屬于高強混凝土。為滿足超高層建筑結構的承載力，高強混凝土在配置時需要的膠凝材料相比普通強度等級混凝土膠凝材料摻量高，膠凝材料摻量的增加，直接導致會產生更多的水化熱量。本工程低樓層墻體厚度超過1m，又屬于大體積混凝土施工，混凝土澆筑后一定時間段內，混凝土中心溫度隨著水化熱量的不斷積聚而提高，本工程核心筒剪力墻外墻采用大鋼模，鋼模傳熱效果較好，導致剪力墻外表面溫度基本與大氣環境溫度一致，剪力墻混凝土內外溫差較大。

根據以往施工經驗及相關研究表明，C60高強混凝土在澆筑后25～48小時時間段內構件中心溫度將達到65～70℃間（見圖1）。而天津市當地室外大氣溫度基本處于-10～35℃區間，即造成了核心筒剪力墻混凝土澆筑后，內、表溫差超過了25℃，溫差太大造成混凝土表面裂縫產生，綜上所述，高強混凝土的水化熱是導致核心筒剪力墻開裂的原因之一。

圖1 C60墻體中心溫度變化曲線

2.2 鋼結構作用

本工程辦公樓核心筒內設計有型鋼柱、鋼板墻。型鋼柱與鋼板墻交匯多，暗柱、暗梁和連梁部位鋼筋密集，鋼筋綁扎、混凝土澆筑難度大，容易澆筑不均勻。另外，型鋼柱本身鋼板較厚，焊接后穩定性較高，鋼柱本身對裂縫產生的影響較小，但本工程鋼板墻厚度設計為15、10mm厚兩種規格，標準層高4.4m，非標層層高為6.5～7.5m之間，標準層間鋼結構兩層設置為一節，鋼板墻高度為8.8m，寬度順墻設置，一般控制在2～4m間，高寬比最高達4∶1。相鄰鋼板墻之間通過焊縫連接，雖局部增設了約束鋼板，但因鋼板板厚較薄，鋼板墻無法支撐自身重量，自身約束度不夠，穩定性低，變形較大，且存在焊接后的殘余應力。同時，在澆筑混凝土的過程中，因鋼板墻導致墻體兩側的混凝土不能很好地流通，遇到一側澆筑高度明顯高于另一側時，混凝土重力的作用對鋼板墻也會產生一定的擠壓變形。混凝土澆筑后，在早期強度不足時，澆筑不均勻、鋼板墻自身變形、焊接應力、混凝土重力擠壓作用，均會導致混凝土產生裂縫。

2.3 鋼筋安裝定位偏差

本工程辦公樓核心筒剪力墻鋼筋較密且鋼筋直徑較大，在澆筑振搗混凝土時，個別工人為方便澆筑振搗施工，往往會人為移動鋼筋位置，導致上層鋼筋偏位嚴重，超過設計混凝土保護層15mm的要求，混凝土保護層間距過大可引起混凝土在凝固過程中里表約束不一致，有鋼筋一側由于鋼筋的存在約束了混凝土的收縮變形，保護層過大一側無鋼筋網進行約束，混凝土凝固過程中自由收縮導致里表混凝土變形不協調，從而導致了混凝土表面開裂。

2.4 混凝土的干縮

本工程施工進度較快，核心筒結構施工期間平均4～5天一層，核心筒大鋼模基本在本層混凝土澆筑24小時后開始進行退模，進入爬模爬升及下一層模板安裝相關工作。天津地區氣候相對比較干燥，空氣中水分較少，外側大鋼模退模后，在自然風的作用下，將核心筒剪力墻表面的水分帶走，混凝土表面形成干縮致使混凝土表面容易產生裂縫[2]。

圖2 混凝土表面干縮示意

3 組合剪力墻裂縫控制分析

混凝土裂縫控制措施主要貫徹“防、抗”相結合的控制原則，從材料、施工等方面綜合考慮。“防”是指減小各種可能產生混凝土早期裂縫的潛在因素。“抗”是指施工時在混凝土收縮或溫度應力集中的薄弱區域通過配筋來提高抗裂性能，具體控制措施如下所述。

3.1 優化配合比

原設計選用的C60等混凝土，為保證強度，水泥摻量較大。為控制混凝土凝固過程中的水化熱量，建設單位、施工單位聯合設計院、混凝土生產廠家，對混凝土原配合比進行優化，主要優化方法為在不影響混凝土強度及工作性能的前提下降低水泥摻量，優選粉煤灰、緩凝型高效減水劑以及添加特殊添加劑等從混凝土方面降低水化熱和提高材料抵抗變形的能力。

3.2 鋼結構工藝優化

經分析，在鋼結構深化設計階段，通過提前排布鋼筋位置，優化箍筋、拉鉤形狀，根據優化結果在鋼柱、鋼板墻上對應設置鋼筋接駁器、連接板，現場對照施工后，鋼結構與鋼筋相互約束，能有效地形成一個整體。另，提前在鋼柱、鋼板墻上預留混凝土流通孔，在澆筑時，鋼板墻兩側采用下料串筒對稱澆筑混凝土，兩種措施結合能大幅改善澆筑、振搗質量，增加混凝土流動性，減少不均勻澆筑。

為減小焊接應力對鋼板墻變形的影響，焊前在焊縫一側加設約束鋼板，鋼板采用的30mm×2000mm形式，按照500mm間距垂直焊接在鋼板墻兩側，安裝時約束鋼板起到臨時支撐作用以減小焊接變形，安裝完成后對約束鋼板進行切除并重復利用。同時，對于10mm厚的鋼板墻，加工階段在鋼板墻的兩側增加縱向、橫向的加勁肋，加勁肋選用10×100mm的Q345B材質鋼板，橫、縱向按每1m～1.5m間距設置，提高鋼板墻自身的約束強度，可有效防止鋼板墻的自身變形，進而控制混凝土裂縫的產生。鋼板肋設置如下圖所示。

圖3 鋼板墻加勁肋設置

3.3 增設鋼筋網片

為避免因鋼筋安裝定位偏差、鋼筋保護層過大等原因導致的剪力墻體裂縫，在施工過程中除加強對施工單位鋼筋安裝定位、安裝質量的過程質量把控外，對于個別部位出現鋼筋保護層厚度超過允許范圍時，將在此區域內設置直徑φ4間距200×200mm的鋼筋網片，同主筋綁扎牢固，以保證鋼筋內外層混凝土收縮變形協調一致，進而避免混凝土由于鋼筋保護層間距過大導致的混凝土表面開裂情況發生。

3.4 掛設防火防風布

為降低風對于核心筒剪力墻表面水分散失的影響，降低裂縫產生風險，經研究，在剛拆模樓層的核心筒爬模外防護鏤空鋼板網片上掛設防火防風布，能有效減小核心筒剪力墻外墻表面的自然風的流通，從而減小剪力墻表面水分的流失速率，可降低混凝土表面的干縮裂縫的產生。

3.5 養護分類優化

本工程體量大，工期緊，核心筒施工平均4～5天/層，剪力墻大鋼模在澆筑24h后退模，此時混凝土里表溫差較大，如立即采取灑水養護，核心筒外圈剪力墻完全暴露在自然風力的作用下，水分蒸發降低混凝土外表溫度的同時，會加劇混凝土里表的溫差，從而導致更嚴重的裂縫發生。經現場研究，在大鋼模爬升的初期階段（澆筑后約24～48小時）對核心筒外圈剪力墻混凝土表面使用專用養護劑進行噴涂，除能有效控制外表水分的流失外，外表溫度下降也較為緩慢，內部剪力墻受風力作用較小可采取常規灑水養護。在澆筑72小時后，整體采取灑水養護形式，保持混凝土表面濕潤，用養護液噴涂和灑水相結合的分類養護方式來減少混凝土的收縮裂縫[3]。

4 結束語

超高層建筑施工中，混凝土裂縫控制一直是控制難點。天津平泰大廈項目通過提前分析可能造成鋼板-混凝土組合剪力墻裂縫的影響因素，并有針對性的對混凝土配合比、鋼結構約束及變形控制、日常施工質量管控、分類養護等幾個方面提出了對應解決措施，墻體施工完畢后，墻體裂縫控制效果良好，有效避免了混凝土有害裂縫的產生，保證了本超高層建筑整體結構的安全性，值得借鑒。