混凝土超长结构设计

【摘要】通过分析混凝土水化过程特点、胀缩裂缝形成机制，总结混凝土结构超长设计时可采取的措施以避免混凝土开裂。

【关键词】混凝土超长结构;结构设计措施

近年来，随着经济的发展，混凝土结构超过混凝土结构设计规范规定的伸缩缝最大间距的结构越来越多。在许多公共建筑如办公、商业等，多有采用，如有的多层框架结构，已做到了100多米甚至200多米未设伸缩缝。

超长结构的好处，是减去了伸缩缝的处理，以及结构上不再要设双梁双柱等，但问题是要解决施工期间以及使用期间混凝土的开裂。

混凝土的重要组成部分是水泥和水，通过水泥和水的水化作用，形成胶接材料，将松散的砂石骨料胶合成为人工石。混凝土中含有大量空隙、粗孔及毛细孔，这些孔隙中存在水分，水分的活动影响到混凝土的一系列性质，特别是产生温度变形对裂缝控制有重要作用，混凝土中的水分有化学结合水、物理化学结合水和物理力学结合水。化学结合水是以严格的定量参加水泥水化的水，它使水泥浆形成结晶固体，它不参与混凝土与外界温度交换作用，不引起收缩与膨胀变形。物理化学结合水在混凝土中以不严格的定量存在，它在混凝土中起扩散及溶解水泥颗粒的作用，是一种吸附水，容易受到水分蒸发，积极地参与混凝土与环境的温度交换作用。物理力学结合水是混凝土中各晶格间及粗、细毛细孔中的自由水，也即游离水，含量不稳定，结合强度很低，极容易受水分蒸发影响而破坏结合，它是积极参与 外界进行温度交换的水。

水泥浆的水化过程是一种物理化学过程，化学结合水与水泥一起在早期硬化过程中产生少量的收缩，即是硬化收缩。这种收缩与外界温度变化无关。这种收缩可能是缩小的正变形，也可能是膨胀的负变形，普通硅酸盐水泥混凝土的硬化收缩是缩小变形，而矿碴水泥混凝土的硬化收缩是膨胀变形，掺用粉煤灰的硬化收缩也是膨胀变形。

混凝土干燥时，首先是大空隙及粗毛细孔中的自由水分因物理力学结合受到破坏而蒸发，这种失水不会引起收缩。环境的干燥作用使得细孔及微毛细孔中的水产生毛细压力，水泥石承受这种压力后产生压缩变形而收缩，这种收缩也叫毛细收缩，是混凝土收缩变形的一部分。待毛细水蒸发以后，开始进一步蒸发物理化学结合的吸附水，首先蒸发晶格间水分，其次蒸发分子层中的吸附水，这些水分的蒸发引起显著的水泥石压缩，产生吸附收缩，是收缩变形的主要部分。工程中最常见的混凝土收缩变形引起裂缝是与温度变化有关的毛细收缩及吸附收缩。此外，由于混凝土的水分蒸发及含湿量的不均匀分布，形成湿度变化梯度，引起收缩应力，这也是引起混凝土表面开裂的最常见原因之一。

混凝土浇筑后4～15小时左右，水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发现象，引起失水收缩，这在初凝过程中发生，此时骨料与胶合料之间也产生不均匀的沉缩变形，这都是发生在混凝土终凝之前，称为塑性收缩。这种收缩量大，在混凝土表面上特别是在养护不良的部位，出现龟裂，裂缝无规则，即宽又密。由于沉缩作用，这些裂缝往往沿钢筋分布。水灰比大，水泥用量多，外掺剂保水性差，粗骨料少，振捣不良，环境温度高，表面失水大等等都会导致塑性收缩表面开裂。

混凝土所处的大气环境，如温度、温度、风速等都对收缩有影响，例如风速的影响不可忽视，风速增大则加速了混凝土水分蒸发速度，也即增加了干缩速度，容易收起早期表面裂缝。

热胀冷缩也是影响之一。建筑物的环境温度由空气温度和太阳热辐射在建筑物表面产生的日照温度组成。温度对结构的作用，当结构或构件变形受约束时将引起应力。结构混凝土开裂不仅因为混凝土抗拉强度不足，更重要是变形超过了极限拉伸。钢筋混凝土构件在一般配筋率情况下能够提高混凝土的极限拉伸，当配筋率过大时，由于引起过大自约束应力而导致开裂。

超长结构设计，主要也就是要解决由变形而引起的裂缝。现在在超长结构设计中，主要采取以下几方面的措施来解决此问题。

1、混凝土强度等级不能过高，在满足承载力等要求的情况下，不宜超过C35.混凝土强度高，则水泥用量也就多，在硬化过程中水化热也就高，从而收缩大而引起裂缝的产生。

2、水泥优选水化热低的品种，如矿碴硅酸盐水泥，严格控制砂石骨料的含泥量和级配。控制水化热的升温，混凝土构件中心与外表的最大温差不大于25度，以及控制降溫速度。混凝土浇筑后，及时采取措施进行养护。

3、采用粉煤灰，改善混凝土的粘塑性，并可取代部分水泥，减少混凝土的用水量和水泥用量，从而减少水化热，还可以减少混凝土中的孔隙，提高密实性和强度，提高抗裂性。粉煤灰的掺量一般为水泥量的15%～30%。

4、设置后浇带，减少混凝土硬化过程中的收缩应力。混凝土浇筑后，于24～30小时达到最高温度，最高水化热引起的温度比入模温度高约30～35度，然后根据不同的速度降温，经10～30天降至周围气温，在此期间大约有15%～25%的收缩，此后到3～6个月收缩完成60～80%，一年左右，收缩完成95%。故施工一年后，除维护不好、恶劣环境条件等引起激烈温差而导致开裂外，一般结构已处于稳定状态。

5、采用补偿收缩混凝土，楼板配筋原则为细而密，小直径、小间距，对屋面等直接暴露于日照下的板，可考虑双层配筋或采用小直径钢筋作构造于未配筋表面连接受力钢筋。楼板厚度大于160mm时，跨中上部宜将支座纵筋的50%拉通，或用小直径钢筋连接，并与支座纵向钢筋按搭接长度连接。梁则加大腰筋直径，减小间距，并将腰筋按受拉锚固和搭接。梁每侧腰筋截面面积不应小于扣除板厚度后的截面面积的0.1%，腰筋间距不宜大于200mm。

6、屋面采用轻质高效吸水率低的材料作好保温隔热。

7、外露的挑檐、阳台、钢筋混凝土女儿墙等，每隔12m左右设置伸缩缝，宽度10mm，采用防水胶嵌缝。

1.在混凝土中掺加纤维，可更好地控制裂缝的发生与开展。

2.按结构使用期可能遭遇的温差，进行结构温度应力分析，找到受应力集中影响敏感的位置及温度应力较大的位置，加强其配筋。

另外，地下室多数情况下，其长度是超过混凝土规范设伸缩缝的结构长度的。经常在地下室侧墙发现裂缝。

为控制地下室钢筋混凝土侧墙的裂缝，可采取以下措施：

（1）采用较低的混凝土强度等级，如不高于C35。有些工程地下室外墙与上部高层转换柱或落地剪力墙相连，为施工方便，常常一体采用较高的混凝土强度等级，是不利于控制裂缝的。

（2）由于墙体受施工和环境温度、湿度等因素的影响，容易出现纵向收缩裂缝。混凝土强度等级越高，开裂的可能性也越高。所以墙体的水平构造钢筋的配筋率宜控制在0.4～0.6%，水平钢筋的间距小于150mm，同样配筋应是细而密。

（3）对于墙体与柱相连的，因墙与柱的配筋率相差较大，混凝土胀缩变形与限制条件有关，由于应力集中的原因，在离柱1至2米的墙体上容易出现纵向收缩裂缝。在墙柱连接处设水平附加钢筋，其长度1500～2000mm，伸入柱内200～300mm，伸入墙内1200～1600mm，此处配筋率提高10～15%，则利于分散墙柱间的应力集中，避免纵向裂缝的发生。

总之，混凝土结构规范对结构长度做出的要求，也说明了采取可靠措施或确有把握时，可适当放宽设纵距离。

作者简介：

吴正华，性别：男，出生年月：1969年3月26日，民族：汉，籍贯（如贵州贵阳人），学历：研究生，现任职称（如工程师）：高级工程师，主要从事：建筑结构设计、岩土工程设计。