钢板-混凝土组合剪力墙裂缝控制及监测分析

蔡朋朋

(北京市海淀区房屋安全鉴定站,北京 100080)

钢板-混凝土组合剪力墙具有抗侧力强度高、滞回耗能能力强、抗压能力强、优良的抗震性能等特点,被越来越多的应用到超高层建筑中。与普通的混凝土剪力墙相比,钢板-混凝土组合剪力墙不仅受到混凝土自身水化热变形的影响,还受到混凝土与钢板及栓钉变形差的影响,因此钢板组合-剪力墙的裂缝成因更加复杂。

某超高层建筑应用了钢板-混凝土组合剪力墙新技术,设计的钢板-混凝土剪力墙最大厚度达1.7 m,混凝土成型过程中释放大量水化热,一般在混凝土浇筑3 d～5 d内达到最高温度,由于大体积混凝土体形过大,混凝土本身也不易散热,从而导致内外温差过大,容易产生温度、收缩裂缝,影响建筑物安全性和耐久性。为了有效防控裂缝,进行了混凝土原材料选择和配合比优化设计,并对大厚度组合剪力墙浇筑后采取合理的养护措施控制其内部温度以及对裂缝发生情况进行实测分析,结果表明裂缝控制状况良好,该工程未产生温度裂缝,仅表面产生收缩裂缝。

1 工程概况

本项目属于冬期施工,混凝土在1月份初浇筑,最高气温12 ℃,最低气温-13 ℃,并有大风大雪天气。组合剪力墙的厚度、结构形式见图1。墙厚1.7 m,墙体内置25 mm厚钢板,将墙体混凝土分为1.0 m和0.7 m两部分,墙体两端部设有型钢暗柱,墙内钢板两侧还配有普通钢筋,钢板上布置栓钉,增加钢板与混凝土咬合。

2 裂缝控制措施

2.1 原材料的选取

为降低混凝土水化热反应,采用低热水泥的同时,适量掺加粉煤灰及矿粉,进一步降低水泥用量。考虑到钢板-混凝土组合剪力墙内部配置厚钢板及大量钢筋,混凝土不易振捣,设计采用自密实混凝土,同时适量采用泵送剂,增加其流动性。

2.2 混凝土配合比及相关参数

为减缓升温速率,设计了60 d强度混凝土,即混凝土浇筑后60 d达到设计强度C60。经优化设计与试配,得到组合剪力墙的混凝土配合比见表1,混凝土坍落度为260 mm,扩展度为600 mm[1]。混凝土的弹性模量变化、标准试块在标准养护及同条件养护下强度发展见图2[2-3]。标准养护下60 d混凝土强度为73.5 MPa,同条件养护下60 d混凝土强度为72.3 MPa,均满足混凝土的强度要求。

表1 组合剪力墙混凝土配合比

2.3 混凝土浇筑及养护措施

为了提高混凝土浇筑的密实度和利于散热,降低组合剪力墙的内外温差,采用了分层浇筑和辅助振捣,墙体共分四层浇筑[4-6]。

混凝土浇筑完毕后,墙顶面用一层塑料薄膜加一层棉毡覆盖防止混凝土表面温差过大,墙侧面除模板外无其他保温措施以便于混凝土散热;浇筑后第5天拆除模板并覆盖棉毡对组合墙侧面进行保温养护,第13天完全拆除保温措施,不再养护。

2.4 预应力技术控制裂缝

本项目尝试通过对墙体施加预应力来控制裂缝,为减少预应力摩擦损失,采用分段张拉预应力筋,将预应力钢筋张拉到控制应力σcon,组合剪力墙的预应力布置及张拉过程如图3所示,预应力筋布置在厚侧墙体,预应力筋距钢板水平距离470 mm,从上到下总共布置4束,每束7根。混凝土龄期为第13天时施加预应力,采用后张法分三级施加预应力,每次从上而下张拉预应力筋,每级施加预应力时间间隔0.5 h,总共张拉2.5 h,具体施加预应力情况如表2所示。

表2 组合墙预应力施加情况

3 钢板-混凝土组合剪力墙裂缝观测及分析

3.1 墙体顶面裂缝情况

由于墙表与环境温差过大,浇筑后24 h时,墙体顶面已观察到多条由墙体边缘向墙内延伸的裂缝,厚侧和薄侧各有10条左右,最大裂缝宽度0.16 mm;13 d拆除保温措施后,观察到墙体顶面裂缝已布满很多杂乱无章的裂缝,多数裂缝宽度超过0.2 mm。从裂缝形态看,属于由表面与环境温差过大及多风、干燥等环境原因引起的干缩裂缝。

3.2 墙体侧面裂缝情况

图4为浇筑后第5天、第13天和第32天时项目墙体两侧的裂缝分布情况。通过裂缝观测可得:1)混凝土较厚一侧由于水化热较大,因此裂缝明显多于较薄一侧;2)拆除模板后,由于采用合理的保温措施,薄侧裂缝发展较小,但厚侧由于水化热较大,墙体表面裂缝有一定发展;3)拆除保温措施后,厚薄两侧裂缝均有较大发展,尤其是厚侧墙体出现增加较多干缩裂缝。

4 项目剪力墙裂缝出现的原因及防治措施建议

4.1 项目剪力墙出现裂缝的原因[7-11]

大厚度钢板-混凝土组合剪力墙内部配置厚钢板及大量钢筋,不仅受到外部约束,还受到内部约束的影响,墙体混凝土开裂机理既不同于普通大体积混凝土的温度应力作用,也有别于普通混凝土剪力墙的收缩开裂作用。本项目混凝土应变主要由钢材与混凝土同步变温产生的自由胀缩变形(不产生应力)、钢材与混凝土线膨胀系数差引起的变形、内外层混凝土变温差引起的变形、混凝土干缩变形等多重因素耦合作用产生,且上述各项应变在升降温阶段多数存在正负应变的转变。

就本项目而言,裂缝产生的主要原因是较大墙体温差和干燥多风引起的干缩。其中,升温阶段的表面不规则裂缝多产生于保温措施覆盖不到位的部位,尤其是有导线或钢筋穿出墙表的部位;降温阶段的裂缝主要发生在内部约束较大(暗柱)的部位;温度稳定后产生的裂缝则是移除覆盖措施后受干燥多风影响产生的干缩裂缝。

4.2 裂缝防治措施及建议

1)可采用本项目设计的低水化热60 d强度材料配合比,但拌和过程中应根据季节采取升/降温骨料、温/冷水拌和等措施控制入模温度,浇筑过程应适当分层浇筑等增加散热面控制温升。

2)保温保湿措施非常重要,根据季节采取充分的保温保湿及养护措施,可大幅降低内外温差,减少墙体干缩裂缝。实际工程中建议将拆模时间至少延长至浇筑后第7天—第8天,有条件可继续延长,且拆除模板后还需继续采取保温保湿养护措施。

3)夏季施工混凝土升温过程快,容易产生塑性裂缝,除加强保湿措施外,可适当加入微膨胀剂或纤维;冬季施工则同时加强保温和保湿措施,通过控制混凝土内外温差和降温速率来限制内部裂缝和表面裂缝。

4)尽量避免在混凝土表面设置伸出部件,若不可避免时应加强对这些部位的保温保湿和养护。

5)施加预应力大体积钢板-混凝土组合剪力墙控制意义不大,并且采用预应力可能造成人工、材料、时间等附加成本,因此预应力技术在钢板-混凝土组合剪力墙的应用还需要进行研究。

5 结语

随着国内超高层建筑的兴起,钢板-混凝土组合剪力墙作为一种主要抗侧力构件在工程上的应用越来越广泛,并且由于往往伴随着大体积,温度对于组合墙体的裂缝产生具有重要影响。本项目采用预应力技术对墙体进行裂缝控制,但对裂缝控制意义不大,并且采用预应力可能造成人工、材料、时间等附加成本,因此对于钢板-混凝土组合剪力墙来说,控制温度是关键。