地下室混凝土结构裂缝控制在温度效应下的研究

范 佳

(山西省建筑科学研究院，山西 太原 030001)

1 概述

超长混凝土结构在设计中可以减小和避免建筑结构产生防水、保温以及耐久性等性能衰弱、机电设备的管线布置不便以及整体性不利于抗震的要求，但是采取的措施是混凝土需无缝设计。

对于地下室建设，一般其外墙结构会被土体所覆盖，在实际工作当中会出现裂缝等不利情况，难以选择施工面进行修补改善，就算是可以选择重新修补改善，也会大大增加维修费用，因此在前期设计中要进行裂缝控制预防工作，可以大幅度减少后期不利因素产生的影响[1]。因此对地下室进行裂缝控制研究是很有必要的，特别是基于温度效应的情况下，可以减少温度应力，降低混凝土的裂缝宽度，保证建筑物在正常使用周期内不会产生裂缝而带来巨大的经济损失，其研究意义十分明显，具有较好的前景。

2 混凝土结构温度场的研究

混凝土结构温度场的研究在国内外主要是针对大体积混凝土和桥梁结构混凝土，美国的学者Zuk[2，3]为了能够得到桥梁结构的温度分布情况，对所在地区的气象资料进行收集整理汇总，然后估算未来几天的天气情况，对桥梁混凝土在这种天气下的温度应力反应进行分析，得出了风、环境气温和太阳的辐射均会对混凝土产生不同的温度场，造成应力集中，产生温度裂缝。在国内，学者朱伯芳教授[4]同样研究了大体积混凝土的温度场，得出了大体积混凝土温度场发展的三个阶段，第一个阶段是早期阶段，这个阶段混凝土的发展温度场主要集中在水泥的水化作用，从混凝土的浇筑开始到水泥的水化放热基本结束这段时间，大约持续30 d，主要是由于水泥的水化作用，使得混凝土的温度场急剧发生变化，同时伴随着大量的热量被放出。之后进入中期阶段，水泥的水化作用基本结束，混凝土内部的热量不再急剧减少，达到平稳状态，此时混凝土的温度场变化基于外界的温度和自身的冷却进行，最后是晚期阶段，混凝土的热量已经释放完毕，冷却全部完成进入投用阶段，混凝土内部温度场的变化不再基于本身温度变化，完全取决于室外环境温度以及所处的水温变化中。

混凝土裸露在空气中完成其使用功能，肯定要受到外界空气的影响和变化，产生温度场，国内外学者[5]关于温度场的计算主要采用三种不同的方法进行分析研究，一种是解析法，该法适用于边界条件比较简单；还有一种是经验公式法，边界条件比较模糊，主要是基于当地的多年气象资料收集然后应用于温度场的计算中，这种方法的精度、实操性较强；最后一种是数值计算法，借助于计算机，将实际参数输入计算机中进行求解，得出结论，但是这种方法一般要提供温度场的分析模型才可以应用于实践工程当中。

3 混凝土结构温度应力的研究

混凝土结构的温度效应主要指的是混凝土结构在外界环境中由于温度发生变化，其自身结构内部温度也相应发生变化，产生温度变形，这种变形如果没有得到有效的限制，则会自由伸张，对结构产生不利的影响；若是可以根据规律，控制其自由生长，但是结构的变形受到一定的控制，产生温度应力来抵抗结构变形控制[6，7]。因此混凝土内部温度分布不均是混凝土产生裂缝的主要原因。

国内学者研究如何控制混凝土温度情况发生变化的理论研究，主要是通过弹性理论进行分析研究，提出了“框架结构温度应力的近似算法”[8]，将空间结构转变为平面结构进行计算，同时对于空间结构存在的其他因素进行了忽略计算，偏理想化，整体性较差。随着超长混凝土的产生，手算计算已经不能满足于结构的计算，借助于计算机功能是最理想的一种计算手段，目前被广泛应用于实际工程计算中。

4 地下室混凝土结构温度作用的研究

上述理论也适用于地下室混凝土结构，同时国内学者也专门针对地下室混凝土结构进行了实际的调查分析，分析得到不同工况下混凝土的温度应力情况，通过及时进行回填土可以减少温差对于混凝土的影响。而且借助有限元软件分析得到在混凝土结构的拐角、洞边还有两洞口之间较窄部位会出现应力集中的现象，通过设置必要的后浇带，再加上膨胀的作用可以减小温度应力的作用。

潘金龙[9]学者根据热传导理论对某一电厂的地下室结构进行研究，借助有限元软件分析，得到基于混凝土结构的刚度中心为圆心，越接近刚度中心温度变形越小，随着距离的不断增大，同样会出现温度应力集中的现象，特别是拐角以及洞口等薄弱部位。

通过数值模拟分析显示，在温度作用下，结构内壁和外围土体之间也存在着温度效应[10]，温差的正负影响着结构的收缩，负温差作用下，混凝土结构整体收缩的方向是纵向，而正温差下，混凝土结构整体收缩的方向是横向，收缩变形量与温差呈线性对应关系，温度产生的拉应力随着内壁向外壁转移的过程逐渐减小。

5 控制措施分析

对于地下室混凝土基于温度效应产生的裂缝，可以采取有效的方式进行预防，但是一般钢筋混凝土工作的时候是允许出现裂缝的，可通过减少裂缝的条数和宽度提高混凝土的承载能力。

1)在混凝土浇筑的时候可以采用降低混凝土的温度来防止后期裂缝的开展，比如说对混凝土浇筑完要进入模具中时采用低温入模的方式，养护的时候严格控制温度，可以避免混凝土终凝的时候水化热太大而出现收缩现象。对于夏季高温天气，尽量减少在中午温度高的时候浇筑混凝土，可在早晚温度较低时浇筑完成。

2)在原材料的选择上，可以选择水化热较小的水泥，减少在浇筑过程中的水化热，同时可以通过添加外加剂的方式控制水化热，如使用矿渣硅酸盐水泥或者是掺有粉煤灰的水泥。缓凝剂等化学药品的加入，也可以延长水化热的时间，增加放热的过程。此外也可以通过严格控制混凝土原材料的各种物质的使用量，减少骨料中的含泥量控制混凝土的裂缝开展。

3)最好采用蓄水养护，混凝土属于水硬性材料，在养护时尽可能的全部浸入水中进行养护，对于较大的构件，比如墙、柱等构件，体积较大，应天天有专人进行浇水养护，时间严格控制在14 d以后进行脱模，不可提前投入使用。

4)构件可以采用保温隔热措施，尽量减少跟外界温度的接触，降低温差，减少裂缝的产生。

5)在施工过程中采用后浇带的方式进行混凝土的施工可以使得混凝土有足够的变形空间，释放大量的收缩应力，达到控制裂缝的效果。

6)在实际操作中可以提高混凝土的配筋率来控制混凝土裂缝的发展，抵抗由于温度收缩产生的温度拉应力。