谈超长结构无缝设计裂缝控制方法

张　丽　孙鹏举

(郑州市建筑设计院,河南 郑州　450000)

0　引言

随着国民经济的不断发展，人们对建筑的使用功能和外形审美要求越来越高，“超长、超高、超宽”等超限建筑在国内外不断涌现。这些建筑为了满足适用性与耐久性的要求，往往避免设置伸缩缝，以防止地下结构渗水等问题。然而，根据现行《混凝土结构设计规范》规定，框架结构地下部分长度超过55 m，剪力墙结构地下部分长度超过45 m时，需要设置伸缩缝。但是越来越多的工程实际要求结构工程师采取有效技术措施，对结构方案进行优化，以突破规范对伸缩缝最大允许间距的规定，在避免混凝土结构开裂的前提下，满足建筑要求。

通过对大量工程实际的分析和经验总结，随着新技术和新工艺的使用，进行超长、超宽结构无缝设计理念逐渐运用成熟。笔者从裂缝产生的原因和结构布置的要点等方面对超长混凝土结构裂缝的控制方法进行了系统阐述。

1　混凝土裂缝产生的原因

裂缝是固体材料内部分布不连续的一种表现形式，是固体材料的常见缺陷。通常混凝土结构裂缝产生可以从内因与外因两方面入手分析。

1)内因表现为由于混凝土收缩、徐变或温度变化等使得结构变形不均匀，而产生内部收缩应力，当收缩应力大于混凝土材料的极限抗拉应力后，表面将开裂从而使结构内部应力释放，此类裂缝可细分为温度裂缝和塑性收缩裂缝。

温度裂缝经常出现在混凝土的养护过程之中，裂缝的宽度受环境温度的影响显著，施工时外部环境温度越低，最终裂缝就越宽。对于超长结构，由于浇筑的混凝土体积大，核心区域混凝土散热不及时，使得结构内外部温度不同，导致收缩不均最终开裂，且温差越高裂缝越宽。

塑性收缩裂缝是在混凝土初凝后、终凝前，由于结构表面的游离水分蒸发、表面收缩，而此时的混凝土由于强度较低，不能抵抗这种变形应力，致使混凝土开裂。超长混凝土结构由于表面积大，表面水分蒸发快，结构总收缩量大，如果养护不及时，极易产生塑性收缩裂缝。

2)外因表现为由于混凝土结构受到荷载作用产生的直接应力，或由不均匀沉降产生的次生应力，当直接应力或者次生应力大于混凝土的极限抗拉应力时，混凝土结构将开裂。通常，外因裂缝是在结构正常使用过程中产生的，业主随意改变建筑的使用功能，使得结构实际荷载超过设计荷载，从而导致此类裂缝产生。而对于超长结构，结构跨度大，地基情况往往比较复杂，基础的不均匀沉降，地下水位的变化，均会使得结构产生较高的附加应力，也会造成混凝土构件开裂。

2　超长结构无缝设计的意义

超长结构无缝设计是在建筑物的长度超过了现行规范对伸缩缝、抗震缝基本要求而不设缝的结构。现行规范对伸缩缝的要求并不是强制规定，因此无缝设计并不与国家规范对立。这种设计可以满足建筑物结构安全与使用功能上的多种要求，其设计的意义主要表现在以下几个方面：

1)建筑物正立面设置多道伸缩缝，会影响建筑物立面效果和装饰风格，而且设缝处往往对墙体外形施工有较高要求，施工处理不当或者维护不及时均会影响建筑的造型。无缝设计可以保证立面的完整性，使得建筑立面设计更易处理。

2)无缝设计可以避免由缝分开的各个结构单元因质心与刚心不重合而引起扭转效应。尤其对于双拼式高层住宅结构，无缝设计可以使结构对称布置，在地震作用下，结构一般以平移振动为主振型。

3)变形缝设置会给结构的防水性、耐火性、耐久性等方面产生影响，从而为设计和施工增加难度。而且变形缝易受到建筑环境的影响，给维护工作带来不便，尤其对于隐蔽性较强的地下结构变形缝，其维护更具难度。如果采用无缝设计，就可以从根本上解决此难题。

4)机电设备的管线布置需要贯通建筑物墙体，如果建筑中间设置变形缝，为了防止由于缝两边结构单元错动而使管线折损，管线必须采取吸收位移和降低内力的措施，从而限制了管线的灵活布置、维护和改造，同时也会影响管线内部载体流的通畅。无缝设计为管线安全、灵活、贯通的设计提供便利。

3　超长结构设计方法

笔者在超长结构设计时，通过分析裂缝产生的内因与外因，结合前人的研究经验，使用“放”与“抗”的设计理念。“放”主要针对混凝土裂缝产生的内因，即在施工过程中，降低结构的内部约束，使构件可以“自由”伸缩，释放内力；“抗”主要针对外因，通过加强材料自身抗裂能力和结构构件承载力，在正常使用时期，使结构抗裂能力高于体系内力。两种方案同时使用，双管齐下更易达到抗裂的目的。

3.1　材料措施

高强混凝土在凝固过程中与普通混凝土相比，释放水化热更多，材料收缩量大，更易产生裂缝。因而，在满足承载力、结构刚度等要求的前提下，超长结构应尽量降低混凝土强度等级。为降低混凝土的收缩率，可在其中掺加适量膨胀剂，以保证混凝土限制膨胀率和限制干缩率符合规范要求。同时为改善混凝土脆性，提高混凝土的整体连续性，还可以掺入适量改性聚丙纤维，此方法可以提升混凝土材料自身的抗拉极限应力，提高结构抗裂能力，满足“抗”的设计理念。

3.2　施工措施

后浇带是处理超长结构无缝设计的重要施工措施之一。后浇带即在结构的相应部位留设临时施工缝，将结构暂时划分成几个独立的部分，当结构构件完成内部收缩后，再浇筑施工缝的混凝土，将几个部分连成整体。后浇带的设置，可以使在施工缝混凝土浇筑前，结构的各个部分分别完成收缩变形，降低结构对混凝土的约束效应，从而降低混凝土的初始应力，符合“放”的设计理念。

后浇带内钢筋不断开或采用搭接方式，并在相邻结构浇筑60 d后再浇筑。后浇带混凝土强度高于主体结构混凝土强度一个等级，本工程采用C35，且掺加水泥用量6%的抗裂膨胀纤维防水剂，梁板后浇带另设加强筋。

3.3　结构措施

从结构构件的布置方式考虑，宜采用“放”的设计理念，尽量释放结构的次生内力。对于抗侧移刚度较强的剪力墙构件，不宜集中放置在结构两侧，以约束结构的温度变形，增大结构的次生应力。结构基础持力层宜选在同一土层，或采用地基处理措施，使持力层承载力均衡，避免不同部位产生不均匀压缩变形，而使结构内部产生次生内力。

同时，合理布置的剪力墙可以抵抗结构的温度变形，减少裂缝的产生。屋盖梁板采用双层双向配筋并予以加强，或采用双向布置的无粘结预应力筋，也是抵抗温度变形的结构设计措施，符合“抗”的设计理念。

3.4　保温措施

建筑外墙采用外保温形式，可以使结构主体在使用阶段不外露，降低结构受温度变化影响，从而降低温差变形，减少裂缝。在建筑屋顶增加保温层厚度，或采用坡面的结构架空层屋顶形式，可以降低结构顶面的温度，控制屋顶横向变形。

尤其注意施工阶段中，当建筑物未封顶，且保温材料未粘结时，结构暴露在外界环境中，此阶段是超长结构受温度应力影响最显著的时期。对于新旧混凝土结合面处施工缝的处理，更是需要关注的重点。根据历年温度与温差记录，分析结构温度应力与变形，找出结构在温度应力作用下的薄弱点，从而有针对性的采取加固处理和技术措施。

4　结语

超长结构无缝设计的裂缝控制方法，是在综合考虑了混凝土裂缝产生的微观机理基础之上，结合“放”与“抗”的设计理念，综合运用材料措施、施工措施、结构措施和保温措施，使建筑可以在超过规范规定最大变形缝间距要求时，避免混凝土裂缝的产生和发展。通过对多个工程实际的应用，证明此方法是行之有效的。

参考文献:

[1]JGJ 3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[3]GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].