浅析超长混凝土框架结构裂缝产生的原因和裂缝控制措施

浅析超长混凝土框架结构裂缝产生的原因和裂缝控制措施

沈伟成

新疆清控科创科技园管理有限公司，新疆，乌鲁木齐，830000

摘要：随着国民经济的发展，国民消费观念从简单生活必需品购置的需求，转变为集旅游、休闲、娱乐、生活为一体的一站式综合消费需求。城市商业综合体为满足以上功能要求，建筑规模及体量逐渐增大，越来越多的大型商业综合体采用平面尺寸超长、超大的混凝土框架结构。针对混凝土框架超长结构，若设计、施工过程中不采取有针对性的裂缝控制措施，混凝土收缩和温度作用将产生较大的拉应力引起混凝土结构开裂，影响建筑装修、防水、防风等使用功能，严重时造成产生安全事故和经济损失。本文根据实践经验，从设计和施工的角度，浅析超长混凝土框架结构裂缝产生的原因及裂缝的控制措施。

关键词：钢筋混凝土结构；超长结构；混凝土收缩；裂缝控制措施

1、超长混凝土框架结构的特点

参照《混凝土结构设计规范》，根据结构类别和保温隔热措施等采取的情况，钢筋混凝土结构长度超过规范规定设置伸缩缝最大长度而未设缝的结构为超长混凝土结构。与一般混凝土结构比较，超长混凝土框架结构具有以下特点：

（1）平面尺寸比较大。框架结构在平面内的一个方向或两个方向超出规范需设置伸缩缝的长度，即建筑平面内存在一个方向或二个方向超长的情况。例如乌鲁木齐会展吾悦广场商业mall平面尺寸为102mx280m未设置设置伸缩缝，两个方向均超长。

（2）对温度作用比较敏感。不均匀负温差在超长混凝土结构中产生较大的拉应力，在收缩的作用下，超长混凝土框架结构中的梁、板等构件均会产生较大的拉应力，破坏混凝土与钢筋之间的粘结力，楼板会产生轴向拉应力，超过极限拉应变，将会引起楼板的贯通裂缝。

（3）温度应力分析较为复杂，精确模拟计算较为困难。现阶段工程设计的相关参数设置大多依据工程经验。抗温度应力设计措施大多是结合实际经验采取的结构设计构造措施。

2、超长混凝土结构裂缝产生的原因

钢筋混凝土结构是钢筋和混凝土性能互补共同作用的一种组合材料，同时钢筋和混凝土力学性能上又有较大的差异。例如环境湿度变化会引起混凝土体积收缩或是膨胀，但基本不影响钢筋；持续的应力作用混凝土会产生徐变，钢筋不会变化；由于线性膨胀系数不同，温度变化时，两种材料变形值不相等的特点。基于工程实践及理论分析，一般引起超长混凝土结构裂缝产生的主要原因有：（1）混凝土在凝固过程中失水，发生混凝土收缩；（2）混凝土在应力作用下产生的徐变；（3）环境温度变化，在构件上出现可观的温度变形差。

2.1 混凝土凝固失水发生的混凝土收缩裂缝

混凝土收缩是一种物理化学现象。主要原因归结为以下4类：

（1）混凝土本身的收缩，简称“自收缩”。即此种收缩现象与外界的湿度变化无关，由于混凝土在硬化过程中，化学结合水与水泥在化学反应作用下引起混凝土收缩。

（2）混凝土塑性收缩。由于水泥化学反应后出现泌水和水分蒸发，骨料和胶结料之间出现沉缩变形。

（3）混凝土的干缩裂缝。即养护时毛细水损失引起的裂缝。

（4）碳化裂缝。碳化的过程释放结晶水导致混凝土收缩形成裂缝。

2.2混凝土徐变裂缝。解释混凝土的徐变机理有很多理论观点，但都不能圆满地解释所有徐变现象。一般认为混凝土在施加应力后的初始变形，主要是骨料和水泥砂浆的弹性变形，骨料和砂浆内部微裂缝发展的结果。

2.3混凝土温度应力产生的裂缝。

环境温度变化时，形成温度梯度较大的不均匀温度场，引起的温差荷载。温差荷载可归纳为三类：季节性温差；日照温差；骤降温差。温度应力是超长混凝土结构内力分析的主要因素。

3、超长混凝土框架结构裂缝的控制措施

上述对超长混凝土产生裂缝的类型及原因进行了归纳，可以看出对超长混凝土裂缝控制不能简单地从设计、选材、施工组织及工艺、成品保护等一方面采取措施，而是采取综合抗裂措施，才能避免超长混凝土框架结构产生裂缝。

3.1　材料选用

通过选用外加剂，优化混凝土材料性能，提高混凝土的抗拉强度和极限变形能力。例如添加外加剂改善混凝土性能，如增加膨胀剂补充混凝土前期收缩，为减小混凝土自身产生的收缩变形，增加减水剂；采用纤维混凝土提高极限抗拉强度等。满足设计强度的条件下，混凝土采用低标号混凝土，宜在C30～C35范围内选用，降低水灰比和减少单方水泥用量。控制砂和石的含泥量，优先采用水化热低的矿渣硅酸盐水泥。

3.2　设计措施

（1）采用预应力。为了防止超长混凝土结构温度收缩产生的开裂，对结构梁、板施加相应的预压应力以抵消温度变化和混凝土收缩产生的拉应力，使混凝土超长方向基本处于受压状态，混凝土最大拉应力作用点处拉应力小于混凝土抗拉强度，保证混凝土不开裂。确保混凝土在设定的温度变化的工作环境下，在控制温度应力方面起到很好的作用，达到控制楼板不产生裂缝的目的。乌鲁木齐市T4航站楼楼盖即采用预应力的设计措施。

（2）设置隔震支座。借鉴桥梁工程中隔震支座的应用，即采用“放”的思想解决结构的变形问题。根据软件模拟和实践观测记录，超长结构在远离刚度中心的两端，由温度应力引起的整体变形量较大，结合具体超长框架的长度，可采用在端部一排或几排柱底安装隔震支座，通过隔震支座自由变形，减少端柱由温度应力引起的柱弯矩和剪力，对梁、板由温度应力引起的整体变形大幅减小，从而控制裂缝的产生。

（3）采用抗裂钢筋的设计方法。利用结构设计软件，考虑温度作用工况，根据应力大小及分布结果，设置温度抗裂钢筋。原有钢筋和抗裂钢筋共同抵抗温差和收缩的间接荷载效应影响，控制混凝土裂缝小于规范规定裂缝宽度限制。对超长混凝土结构设计中为抵抗温度应力采取一些结构构造措施有：①超长方向梁顶设置一定数量的通长钢筋；②梁两侧设置腰筋，腰筋间距≤200mm，每侧腰筋的截面面积与梁腹板截面面积的比值不小于0.001，腰筋在框架梁两端支座内应按受拉锚固设计，锚固长度满足La要求；③采用带肋钢筋，如HRB335或HRB400。④在满足配筋面积的条件下，楼板钢筋配置细而密的钢筋，钢筋间距不宜大于150mm。⑤结构开洞部位，变截面部位及出入口部应适当设置附加抗裂钢筋，例如板上设有洞口时，应在角部及洞口边配置一定规格的抗裂钢筋。⑥楼板采用双层双向配筋，配筋率不宜小于0.25%。

（4）设置后浇带或膨胀加强带。

后浇带设置可以解决后浇带封闭前混凝土早期收缩变形的问题。①宜设置在距支座1/3跨度处和变形及受力较小处；②后浇带最大间距宜取30~40m，当采用补偿收缩混凝土时不宜大于50m；③后浇带的宽度宜取800~1000mm，主筋可截断后搭接；④后浇带封闭采用高一标号的膨胀混凝土；⑤后浇带两侧混凝土龄期宜达到42天以上，采用补偿收缩混凝土时不宜小于28天。膨胀加强带可替代后浇带，膨胀加强带的设置宽度以为2000~3000mm。

（5）设置双梁诱导缝。垂直与结构超长方向每隔一定间距，宜取30~50m间距设置双梁，双梁之间间隔50mm，采用柔性建筑材料填塞。在温度作用下沿超长方向整体分割成较小的单元，可分段“释放”温度变形，以提高结构的抗裂性能。

（6）屋顶板面及墙面外侧设置保温层，采用高效保温材料，减少温度梯度。

3.3施工措施

（1）跳仓法施工。跳仓法施工过程是将超长、大体积混凝土根据施工现场合理组织，将结构划分为若干区块，按照一定的次序进行浇筑，相邻区块混凝土间隔浇筑的时间，一般不少于7天，以便已浇筑混凝土释放前期大部分温度应力变形及干缩变形，相邻区域在后期混凝土的收缩应力较小时浇筑，通过混凝土自身的抗拉强度来抵抗相邻区段混凝土的收缩应力，避免超长混凝土裂缝的产生。萧山T4航站楼楼板尺寸490mx208m，楼板厚150mm，采用跳仓法进行施工。

（2）混凝土浇筑过程中，严格控制混凝土的浇捣。采用插入式振捣器，控制每点振捣的持续时间，以混凝土表面不出现浮浆和混凝土不下沉为准；控制振捣器插点的距离；在混凝土初凝前进行二次振捣，排除混凝土因泌水在粗骨料和钢筋下部生成的水分和空隙，增加混凝土的密实程度，减小混凝土内部微裂缝。

（3）控制混凝土浇筑及后浇带的封闭时间及采取可靠的养护方法。 应当尽可能在较低的温度环境中浇筑混凝土，避免高温入模和钢筋胀曲现象，避免急剧降温或干燥对混凝土不利的影响，应采取相应保温保湿隔热措施；温度后浇带合拢温度宜为5~15℃，混凝土浇筑后应及时进行养护，采取覆盖浇水养护、塑料薄膜养护、薄膜养生液养护等。

4 结论与建议

超长混凝土框架结构产生裂缝的原因是复杂多样的，需从材料选择、设计措施、施工组织和工艺等方面综合考虑，采取相应措施防止超长混凝土结构开裂，保证施工过程及使用期间超长混凝土结构满足使用功能的要求。

参考文献：

[1] 混凝土结构设计规范: GB 50010—2010［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2011．

[2] 过镇海，钢筋混凝土原理［M］，清华大学出版社,2013;

[3] 超长地下室混凝土结构防裂技术规定：SYJG 2007-1［S］,2007;

[4] 杜少华，超长混凝土结构温度收缩效应分析及控制方法研究［D］,哈尔滨工业大学硕士学位论文，2012。