鋼板-混凝土組合剪力墻裂縫控制及監測分析

蔡朋朋

(北京市海淀區房屋安全鑒定站,北京 100080)

鋼板-混凝土組合剪力墻具有抗側力強度高、滯回耗能能力強、抗壓能力強、優良的抗震性能等特點,被越來越多的應用到超高層建筑中。與普通的混凝土剪力墻相比,鋼板-混凝土組合剪力墻不僅受到混凝土自身水化熱變形的影響,還受到混凝土與鋼板及栓釘變形差的影響,因此鋼板組合-剪力墻的裂縫成因更加復雜。

某超高層建筑應用了鋼板-混凝土組合剪力墻新技術,設計的鋼板-混凝土剪力墻最大厚度達1.7 m,混凝土成型過程中釋放大量水化熱,一般在混凝土澆筑3 d～5 d內達到最高溫度,由于大體積混凝土體形過大,混凝土本身也不易散熱,從而導致內外溫差過大,容易產生溫度、收縮裂縫,影響建筑物安全性和耐久性。為了有效防控裂縫,進行了混凝土原材料選擇和配合比優化設計,并對大厚度組合剪力墻澆筑后采取合理的養護措施控制其內部溫度以及對裂縫發生情況進行實測分析,結果表明裂縫控制狀況良好,該工程未產生溫度裂縫,僅表面產生收縮裂縫。

1 工程概況

本項目屬于冬期施工,混凝土在1月份初澆筑,最高氣溫12 ℃,最低氣溫-13 ℃,并有大風大雪天氣。組合剪力墻的厚度、結構形式見圖1。墻厚1.7 m,墻體內置25 mm厚鋼板,將墻體混凝土分為1.0 m和0.7 m兩部分,墻體兩端部設有型鋼暗柱,墻內鋼板兩側還配有普通鋼筋,鋼板上布置栓釘,增加鋼板與混凝土咬合。

2 裂縫控制措施

2.1 原材料的選取

為降低混凝土水化熱反應,采用低熱水泥的同時,適量摻加粉煤灰及礦粉,進一步降低水泥用量?？紤]到鋼板-混凝土組合剪力墻內部配置厚鋼板及大量鋼筋,混凝土不易振搗,設計采用自密實混凝土,同時適量采用泵送劑,增加其流動性。

2.2 混凝土配合比及相關參數

為減緩升溫速率,設計了60 d強度混凝土,即混凝土澆筑后60 d達到設計強度C60。經優化設計與試配,得到組合剪力墻的混凝土配合比見表1,混凝土坍落度為260 mm,擴展度為600 mm[1]。混凝土的彈性模量變化、標準試塊在標準養護及同條件養護下強度發展見圖2[2-3]。標準養護下60 d混凝土強度為73.5 MPa,同條件養護下60 d混凝土強度為72.3 MPa,均滿足混凝土的強度要求。

表1 組合剪力墻混凝土配合比

2.3 混凝土澆筑及養護措施

為了提高混凝土澆筑的密實度和利于散熱,降低組合剪力墻的內外溫差,采用了分層澆筑和輔助振搗,墻體共分四層澆筑[4-6]。

混凝土澆筑完畢后,墻頂面用一層塑料薄膜加一層棉氈覆蓋防止混凝土表面溫差過大,墻側面除模板外無其他保溫措施以便于混凝土散熱;澆筑后第5天拆除模板并覆蓋棉氈對組合墻側面進行保溫養護,第13天完全拆除保溫措施,不再養護。

2.4 預應力技術控制裂縫

本項目嘗試通過對墻體施加預應力來控制裂縫,為減少預應力摩擦損失,采用分段張拉預應力筋,將預應力鋼筋張拉到控制應力σcon,組合剪力墻的預應力布置及張拉過程如圖3所示,預應力筋布置在厚側墻體,預應力筋距鋼板水平距離470 mm,從上到下總共布置4束,每束7根?；炷笼g期為第13天時施加預應力,采用后張法分三級施加預應力,每次從上而下張拉預應力筋,每級施加預應力時間間隔0.5 h,總共張拉2.5 h,具體施加預應力情況如表2所示。

表2 組合墻預應力施加情況

3 鋼板-混凝土組合剪力墻裂縫觀測及分析

3.1 墻體頂面裂縫情況

由于墻表與環境溫差過大,澆筑后24 h時,墻體頂面已觀察到多條由墻體邊緣向墻內延伸的裂縫,厚側和薄側各有10條左右,最大裂縫寬度0.16 mm;13 d拆除保溫措施后,觀察到墻體頂面裂縫已布滿很多雜亂無章的裂縫,多數裂縫寬度超過0.2 mm。從裂縫形態看,屬于由表面與環境溫差過大及多風、干燥等環境原因引起的干縮裂縫。

3.2 墻體側面裂縫情況

圖4為澆筑后第5天、第13天和第32天時項目墻體兩側的裂縫分布情況。通過裂縫觀測可得:1)混凝土較厚一側由于水化熱較大,因此裂縫明顯多于較薄一側;2)拆除模板后,由于采用合理的保溫措施,薄側裂縫發展較小,但厚側由于水化熱較大,墻體表面裂縫有一定發展;3)拆除保溫措施后,厚薄兩側裂縫均有較大發展,尤其是厚側墻體出現增加較多干縮裂縫。

4 項目剪力墻裂縫出現的原因及防治措施建議

4.1 項目剪力墻出現裂縫的原因[7-11]

大厚度鋼板-混凝土組合剪力墻內部配置厚鋼板及大量鋼筋,不僅受到外部約束,還受到內部約束的影響,墻體混凝土開裂機理既不同于普通大體積混凝土的溫度應力作用,也有別于普通混凝土剪力墻的收縮開裂作用。本項目混凝土應變主要由鋼材與混凝土同步變溫產生的自由脹縮變形(不產生應力)、鋼材與混凝土線膨脹系數差引起的變形、內外層混凝土變溫差引起的變形、混凝土干縮變形等多重因素耦合作用產生,且上述各項應變在升降溫階段多數存在正負應變的轉變。

就本項目而言,裂縫產生的主要原因是較大墻體溫差和干燥多風引起的干縮。其中,升溫階段的表面不規則裂縫多產生于保溫措施覆蓋不到位的部位,尤其是有導線或鋼筋穿出墻表的部位;降溫階段的裂縫主要發生在內部約束較大(暗柱)的部位;溫度穩定后產生的裂縫則是移除覆蓋措施后受干燥多風影響產生的干縮裂縫。

4.2 裂縫防治措施及建議

1)可采用本項目設計的低水化熱60 d強度材料配合比,但拌和過程中應根據季節采取升/降溫骨料、溫/冷水拌和等措施控制入模溫度,澆筑過程應適當分層澆筑等增加散熱面控制溫升。

2)保溫保濕措施非常重要,根據季節采取充分的保溫保濕及養護措施,可大幅降低內外溫差,減少墻體干縮裂縫。實際工程中建議將拆模時間至少延長至澆筑后第7天—第8天,有條件可繼續延長,且拆除模板后還需繼續采取保溫保濕養護措施。

3)夏季施工混凝土升溫過程快,容易產生塑性裂縫,除加強保濕措施外,可適當加入微膨脹劑或纖維;冬季施工則同時加強保溫和保濕措施,通過控制混凝土內外溫差和降溫速率來限制內部裂縫和表面裂縫。

4)盡量避免在混凝土表面設置伸出部件,若不可避免時應加強對這些部位的保溫保濕和養護。

5)施加預應力大體積鋼板-混凝土組合剪力墻控制意義不大,并且采用預應力可能造成人工、材料、時間等附加成本,因此預應力技術在鋼板-混凝土組合剪力墻的應用還需要進行研究。

5 結語

隨著國內超高層建筑的興起,鋼板-混凝土組合剪力墻作為一種主要抗側力構件在工程上的應用越來越廣泛,并且由于往往伴隨著大體積,溫度對于組合墻體的裂縫產生具有重要影響。本項目采用預應力技術對墻體進行裂縫控制,但對裂縫控制意義不大,并且采用預應力可能造成人工、材料、時間等附加成本,因此對于鋼板-混凝土組合剪力墻來說,控制溫度是關鍵。