超长混凝土结构的裂缝分析与控制

刘睿

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

混凝土抗裂性能差，出现裂缝的概率较大。混凝土开裂会导致构筑物的耐久性降低、功能失效等问题，严重时还会影响结构的强度与使用性能。所以从设计到施工到养护都要给予高度重视，把裂缝控制在国家现行规范允许的范围内。潮湿、腐蚀侵蚀、水压力水位变化等等因素，由于环境类别较高，对地下结构提出了更高的要求，GB50108—20081《地下工程防水技术规范》和GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》严格规定裂缝宽度不得大于0.2 mm。

1 超长混凝土结构的裂缝成因

许多混凝土结构出现不同形式的裂缝，这是一个比较普遍的现象。近代科学关于混凝土强度的研究及大量工程实践所提供的经验表明，结构物的裂缝是不可避免的。肉眼可见的裂缝范围一般为0.05 mm，不小于0.05 mm的裂缝称为宏观裂缝，宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。一般工业与民用建筑中宽度小于0.05 mm的裂缝对使用都无危险性，故假定具有小于0.05 mm裂缝的结构为无缝结构。

结构混凝土裂缝成因主要有以下几种：1）混凝内外温差过大时会产生温度裂缝，也是裂缝产生的主要因素之一。水泥水化是个放热过程，其水化热为165～250 J/g，随混凝土水泥用量提高，其绝热温升可达50～80℃。混凝土在浇筑后，由于体积大，集聚在内部的水泥水化热不易散发，混凝土内部温度将显著升高，这样在混凝土内部产生压应力，在外表面产生拉应力，由于此时混凝土的强度低，有可能产生表面裂缝。在降温变化时，混凝土浇筑后经过一段时间，混凝土从较高温度逐渐降温，引起混凝土收缩，同时由于混凝土中多余水分蒸发、碳化等引起的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束，不能自由变形，导致产生开裂。2）由荷载作用产生的裂缝。当荷载产生的混凝土拉应力其大于混凝土的极限拉伸值时，则引起结构开裂。这一类裂缝在设计阶段均进行了核算和控制。3）施工缝，后浇带，变形缝等设置不合理，甚至取消设置，照成结构超长，容易引起混凝土开裂。4）施工没严格按设计的配合比进行计量配料，混凝土振捣不到位，养护时间不够等因素。

2 裂缝控制对策

2.1 设计阶段控制裂缝

2.1.1 钢筋的配置

根据经验，在温度应力较大处配置一定数量的温度构造钢筋；在应力复杂位置，如突出的墙体、突变的墙段、开孔洞及埋套管的部位适当增加一些构造钢筋，作局部增强处理。另外，对受力钢筋进行优化，遵循“小直径、小间距”有利抗裂的原则，在通过钢筋等强度代换后，建议将水平钢筋间距控制在100 mm左右，一般不宜超过150 mm；水平钢筋常放在竖筋外侧有利于减少墙体竖向裂缝开裂。

2.1.2 水泥的选择

宜选用中、低水化热、干缩性小的品种，宜选用普通硅酸盐非早强型水泥或矿渣硅酸盐水泥，不宜用硅酸盐（纯硅）水泥。在满足强度、抗渗及和易性要求下，减少单位体积混凝土的水泥用量和用水量。混凝土中掺入高效减水剂、缓凝剂等外加剂和适量粉煤灰，改善混凝土的流动性、保水性，降低水化热。

2.2 施工阶段控制裂缝

2.2.1 混凝土备料

配制混凝土时，应严格控制水灰比和水泥用量。控制混凝土的入泵坍落度在140～160 mm范围内，大于160 mm坍落度的混凝土不得超过10%，严禁现场加水。因为混凝土坍落度过大，稍加振捣即出现石子下沉，浆体上浮，容易产生收缩裂缝，同时由于在混凝土拌合物有多余水量，混凝土硬化后，随着水分的蒸发比较容易出现干燥收缩裂缝。

2.2.2 混凝土的浇筑温度

混凝土的浇筑温度，是指混凝土从搅拌机出料后，经过路途运输、泵送浇筑、振捣等工序后的实际温度。如果浇筑温度过高将会引起较大的干缩，因此应合理组织混凝土的供应，降低混凝土的浇筑温度。在浇筑时应尽量扩大浇筑工作面，降低浇筑速度和减小一次浇筑厚度，且在初凝前进行第二次振捣，防止混凝土沉落。严格按施工规范保证养护时间，一般不小于14 d。在冬季施工时，在混凝土浇筑前，模板外镶贴聚苯泡沫板，同时加挂一层阻燃保温被，在两模板接缝处再加挂一层保温被进行搭接；混凝土浇筑完毕后在墙体顶部覆盖保温被；30 h后拆除模板立即用温水在混凝土表面喷雾，然后加挂一层较厚的塑料薄膜，塑料薄膜外根据温度情况再加挂1～2层阻燃保温被，保温被彼此搭接不出缝隙，搭接处用钢筋绑扎连接，进行保温、保湿养护14 d。

2.2.3 设置后浇带、膨胀带

当超长混凝土结构设置伸缩缝困难时，可以采用设置后浇带的办法。后浇缝又称为后浇带，仅存在于施工期间，间距一般控制在30～40 m，后浇带应贯通顶板、墙板和底板，宽度为700～800 mm。它有效解决设立永久性伸缩缝带来的弊端，且对结构抗震和防水有利，可释放部分基础不均匀沉降引起的应力，简化了建筑构造，便于施工，可节约一些建筑防水材料，无伸缩缝结构的漏水处理也比设伸缩缝漏水处理容易。当上部结构在地下室内柱网排列不均匀或建筑平面不规则，致使部分区域无法设置后浇带时，可增设膨胀加强带。膨胀加强带混凝土采用C40的微膨胀混凝土浇筑。

3 温度作用分析工程实例

长海县城区应急供水工程净水车间，平面长79 m，宽41.8 m，地上2层，建筑高度11.35 m，采用现浇钢筋混凝土框架结构，基础为柱下钢筋混凝土独立基础。二层东侧12～13轴之间有个2.35 m高的错层。为满足水工和工艺流程需要,不能设置伸缩缝。结合该工程,从结构布置、温度作用两个方面对超长混凝土结构的设计进行分析。

3.1 结构布置

历年来对超长结构的研究均强调合理的结构布置的重要性。此工程利用车间内水工构筑物，采用周边楼盖搭接到池边的结构布置形式。沿跨度方向布置次梁，并与池边用30 mm苯板聚硫密封胶填塞，形成一端固定一端交接的受力体系。楼板设计成单向板，与次梁整浇，这样受力方向就降低了温度应力影响，体现了结构“抗”和“放”的设计原则。

3.2 温度作用分析

目前《混凝土结构设计规范》对超长结构，建议采取设置伸缩缝的办法来控制温度变化的影响。对无法设缝的情况并未给出具体的设计方法。此工程结合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的思路，对框架结构进行温度变化对结构内力的分析。

梁板式结构如施工期间采取必要的技术措施时，可根据《水工混凝土结构设计规范》只考虑使用期间的温度作用。根据《长海县跨海引水工程初步设计报告》，长海县属北温带湿润季风气候区，四季分明。全年无霜期210～220 d，年平均气温9.8℃，最高气温33.4℃，最低气温-22.5℃。多年平均相对湿度69%；每年7月份相对湿度最大，平均达91%；11月至次年3月相对湿度在60%左右。

首先，结构构件使用期间所经历的季节温度变化可按下式求得：

其中Tpmax=33.4℃，Tpmin=-22.5℃，

再将混凝土收缩等效成收缩当量温差，与最大季节温差相叠加,作为最不利温差施加于结构。对于此工程：△Ty=εcs（t，ts）/αc，其中 αc：混凝土线膨胀系数，取 1×10-5。εcs（t，ts）=εcs0βs（t-ts）。

混凝土收缩应变的计算：

混凝土收缩应变与时间的关系曲线如图1所示。

收缩当量的温差计算：

图1 混凝土收缩应变与时间的关系图

其中：εcs0为名义收缩系数；t1 取 1 d；h0=150 mm；h 为构件理论厚度,h=2A/u=0.02A/u=1.35，其中A为构件截面面积，u为构件与大气接触的周边长度；βsc依水泥种类而定的系数,对一般的硅酸盐类水泥或快硬水泥为βsc=5；fcm为强度等级C20～C50混凝土在28 d龄期时的平均立方体抗压强度，C30 时 fcm=0.8fcu，k+8 MPa=0.8×30+8=32 MPa；fcm0=10 MPa；ts为收缩开始时的混凝土龄期，可假定为3～7d；RH为环境年平均相对湿度，取RH=69%；RH0=100%；βRH为与年平均相对湿度相关的系数,适用于40%＜RH＜90%。

对于此工程，构件开始受荷时混凝土龄期t0取为7 d，计算温差△T=△Tt+△Ty=55.9+45.8=101.7℃。可用MIDAS等软件通过上述计算结果进行温度计算，当结构整体分析时直接输入降温温差 101.7×0.35=35.6℃。

3.3 结论分析

1）底层框架柱受到地基基础的约束较强，收到到温度作用产生的抗力也较大，其余层框架柱上下端位移差较小，温度作用的内力也较小。可见，温度作用产生的内力与构件的约束刚度有关。

2）框架梁温度内力最明显位置是，纵向变形零点处的框架梁，该处承受温度作用下的最大轴向拉力。根据分析结果，施工时可在该处设置后浇带并加强养护。

3）温度作用在框架的端部较为明显。

4 结语

裂缝控制属耐久性的重要方面，以前往往被忽视，其中对裂缝的控制会影响到工程的后期使用，尤其在水利工程建筑物中，往往都是重要类别的建筑，使用年限也较普通工业与民用建筑高，这就对裂缝控制提出了更高的要求。防治大体积混凝土裂缝是一个综合的问题，需要设计、施工、监理以及建设方共同配合，才能达到控制裂缝的目的。

［1］GB50108—2008，地下工程防水技术规范［S］.

［2］GB50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］DLT5057—2009，水工混凝土结构设计规范［S］.

［4］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［5］辽宁省水利水电勘测设计研究院，中交天津港湾工程设计院有限公司，长海县跨海引水工程初步设计报告［R］.