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      超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫分析與控制

      2013-08-10 01:38:40劉睿
      東北水利水電 2013年3期
      關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)規(guī)范水泥裂縫

      劉睿

      (遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110006)

      混凝土抗裂性能差,出現(xiàn)裂縫的概率較大。混凝土開(kāi)裂會(huì)導(dǎo)致構(gòu)筑物的耐久性降低、功能失效等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與使用性能。所以從設(shè)計(jì)到施工到養(yǎng)護(hù)都要給予高度重視,把裂縫控制在國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范允許的范圍內(nèi)。潮濕、腐蝕侵蝕、水壓力水位變化等等因素,由于環(huán)境類別較高,對(duì)地下結(jié)構(gòu)提出了更高的要求,GB50108—20081《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》和GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》嚴(yán)格規(guī)定裂縫寬度不得大于0.2 mm。

      1 超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫成因

      許多混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同形式的裂縫,這是一個(gè)比較普遍的現(xiàn)象。近代科學(xué)關(guān)于混凝土強(qiáng)度的研究及大量工程實(shí)踐所提供的經(jīng)驗(yàn)表明,結(jié)構(gòu)物的裂縫是不可避免的。肉眼可見(jiàn)的裂縫范圍一般為0.05 mm,不小于0.05 mm的裂縫稱為宏觀裂縫,宏觀裂縫是微觀裂縫擴(kuò)展的結(jié)果。一般工業(yè)與民用建筑中寬度小于0.05 mm的裂縫對(duì)使用都無(wú)危險(xiǎn)性,故假定具有小于0.05 mm裂縫的結(jié)構(gòu)為無(wú)縫結(jié)構(gòu)。

      結(jié)構(gòu)混凝土裂縫成因主要有以下幾種:1)混凝內(nèi)外溫差過(guò)大時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫,也是裂縫產(chǎn)生的主要因素之一。水泥水化是個(gè)放熱過(guò)程,其水化熱為165~250 J/g,隨混凝土水泥用量提高,其絕熱溫升可達(dá)50~80℃?;炷猎跐仓螅捎隗w積大,集聚在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā),混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高,這樣在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力,在外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,由于此時(shí)混凝土的強(qiáng)度低,有可能產(chǎn)生表面裂縫。在降溫變化時(shí),混凝土澆筑后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,混凝土從較高溫度逐漸降溫,引起混凝土收縮,同時(shí)由于混凝土中多余水分蒸發(fā)、碳化等引起的體積收縮變形,受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束,不能自由變形,導(dǎo)致產(chǎn)生開(kāi)裂。2)由荷載作用產(chǎn)生的裂縫。當(dāng)荷載產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力其大于混凝土的極限拉伸值時(shí),則引起結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。這一類裂縫在設(shè)計(jì)階段均進(jìn)行了核算和控制。3)施工縫,后澆帶,變形縫等設(shè)置不合理,甚至取消設(shè)置,照成結(jié)構(gòu)超長(zhǎng),容易引起混凝土開(kāi)裂。4)施工沒(méi)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行計(jì)量配料,混凝土振搗不到位,養(yǎng)護(hù)時(shí)間不夠等因素。

      2 裂縫控制對(duì)策

      2.1 設(shè)計(jì)階段控制裂縫

      2.1.1 鋼筋的配置

      根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在溫度應(yīng)力較大處配置一定數(shù)量的溫度構(gòu)造鋼筋;在應(yīng)力復(fù)雜位置,如突出的墻體、突變的墻段、開(kāi)孔洞及埋套管的部位適當(dāng)增加一些構(gòu)造鋼筋,作局部增強(qiáng)處理。另外,對(duì)受力鋼筋進(jìn)行優(yōu)化,遵循“小直徑、小間距”有利抗裂的原則,在通過(guò)鋼筋等強(qiáng)度代換后,建議將水平鋼筋間距控制在100 mm左右,一般不宜超過(guò)150 mm;水平鋼筋常放在豎筋外側(cè)有利于減少墻體豎向裂縫開(kāi)裂。

      2.1.2 水泥的選擇

      宜選用中、低水化熱、干縮性小的品種,宜選用普通硅酸鹽非早強(qiáng)型水泥或礦渣硅酸鹽水泥,不宜用硅酸鹽(純硅)水泥。在滿足強(qiáng)度、抗?jié)B及和易性要求下,減少單位體積混凝土的水泥用量和用水量?;炷林袚饺敫咝p水劑、緩凝劑等外加劑和適量粉煤灰,改善混凝土的流動(dòng)性、保水性,降低水化熱。

      2.2 施工階段控制裂縫

      2.2.1 混凝土備料

      配制混凝土?xí)r,應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比和水泥用量。控制混凝土的入泵坍落度在140~160 mm范圍內(nèi),大于160 mm坍落度的混凝土不得超過(guò)10%,嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)加水。因?yàn)榛炷撂涠冗^(guò)大,稍加振搗即出現(xiàn)石子下沉,漿體上浮,容易產(chǎn)生收縮裂縫,同時(shí)由于在混凝土拌合物有多余水量,混凝土硬化后,隨著水分的蒸發(fā)比較容易出現(xiàn)干燥收縮裂縫。

      2.2.2 混凝土的澆筑溫度

      混凝土的澆筑溫度,是指混凝土從攪拌機(jī)出料后,經(jīng)過(guò)路途運(yùn)輸、泵送澆筑、振搗等工序后的實(shí)際溫度。如果澆筑溫度過(guò)高將會(huì)引起較大的干縮,因此應(yīng)合理組織混凝土的供應(yīng),降低混凝土的澆筑溫度。在澆筑時(shí)應(yīng)盡量擴(kuò)大澆筑工作面,降低澆筑速度和減小一次澆筑厚度,且在初凝前進(jìn)行第二次振搗,防止混凝土沉落。嚴(yán)格按施工規(guī)范保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間,一般不小于14 d。在冬季施工時(shí),在混凝土澆筑前,模板外鑲貼聚苯泡沫板,同時(shí)加掛一層阻燃保溫被,在兩模板接縫處再加掛一層保溫被進(jìn)行搭接;混凝土澆筑完畢后在墻體頂部覆蓋保溫被;30 h后拆除模板立即用溫水在混凝土表面噴霧,然后加掛一層較厚的塑料薄膜,塑料薄膜外根據(jù)溫度情況再加掛1~2層阻燃保溫被,保溫被彼此搭接不出縫隙,搭接處用鋼筋綁扎連接,進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù)14 d。

      2.2.3 設(shè)置后澆帶、膨脹帶

      當(dāng)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫困難時(shí),可以采用設(shè)置后澆帶的辦法。后澆縫又稱為后澆帶,僅存在于施工期間,間距一般控制在30~40 m,后澆帶應(yīng)貫通頂板、墻板和底板,寬度為700~800 mm。它有效解決設(shè)立永久性伸縮縫帶來(lái)的弊端,且對(duì)結(jié)構(gòu)抗震和防水有利,可釋放部分基礎(chǔ)不均勻沉降引起的應(yīng)力,簡(jiǎn)化了建筑構(gòu)造,便于施工,可節(jié)約一些建筑防水材料,無(wú)伸縮縫結(jié)構(gòu)的漏水處理也比設(shè)伸縮縫漏水處理容易。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)在地下室內(nèi)柱網(wǎng)排列不均勻或建筑平面不規(guī)則,致使部分區(qū)域無(wú)法設(shè)置后澆帶時(shí),可增設(shè)膨脹加強(qiáng)帶。膨脹加強(qiáng)帶混凝土采用C40的微膨脹混凝土澆筑。

      3 溫度作用分析工程實(shí)例

      長(zhǎng)??h城區(qū)應(yīng)急供水工程凈水車間,平面長(zhǎng)79 m,寬41.8 m,地上2層,建筑高度11.35 m,采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。二層?xùn)|側(cè)12~13軸之間有個(gè)2.35 m高的錯(cuò)層。為滿足水工和工藝流程需要,不能設(shè)置伸縮縫。結(jié)合該工程,從結(jié)構(gòu)布置、溫度作用兩個(gè)方面對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

      3.1 結(jié)構(gòu)布置

      歷年來(lái)對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的研究均強(qiáng)調(diào)合理的結(jié)構(gòu)布置的重要性。此工程利用車間內(nèi)水工構(gòu)筑物,采用周邊樓蓋搭接到池邊的結(jié)構(gòu)布置形式。沿跨度方向布置次梁,并與池邊用30 mm苯板聚硫密封膠填塞,形成一端固定一端交接的受力體系。樓板設(shè)計(jì)成單向板,與次梁整澆,這樣受力方向就降低了溫度應(yīng)力影響,體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)“抗”和“放”的設(shè)計(jì)原則。

      3.2 溫度作用分析

      目前《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu),建議采取設(shè)置伸縮縫的辦法來(lái)控制溫度變化的影響。對(duì)無(wú)法設(shè)縫的情況并未給出具體的設(shè)計(jì)方法。此工程結(jié)合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的思路,對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析。

      梁板式結(jié)構(gòu)如施工期間采取必要的技術(shù)措施時(shí),可根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》只考慮使用期間的溫度作用。根據(jù)《長(zhǎng)??h跨海引水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》,長(zhǎng)??h屬北溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),四季分明。全年無(wú)霜期210~220 d,年平均氣溫9.8℃,最高氣溫33.4℃,最低氣溫-22.5℃。多年平均相對(duì)濕度69%;每年7月份相對(duì)濕度最大,平均達(dá)91%;11月至次年3月相對(duì)濕度在60%左右。

      首先,結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用期間所經(jīng)歷的季節(jié)溫度變化可按下式求得:

      其中Tpmax=33.4℃,Tpmin=-22.5℃,

      再將混凝土收縮等效成收縮當(dāng)量溫差,與最大季節(jié)溫差相疊加,作為最不利溫差施加于結(jié)構(gòu)。對(duì)于此工程:△Ty=εcs(t,ts)/αc,其中 αc:混凝土線膨脹系數(shù),取 1×10-5。εcs(t,ts)=εcs0βs(t-ts)。

      混凝土收縮應(yīng)變的計(jì)算:

      混凝土收縮應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖1所示。

      收縮當(dāng)量的溫差計(jì)算:

      圖1 混凝土收縮應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系圖

      其中:εcs0為名義收縮系數(shù);t1 取 1 d;h0=150 mm;h 為構(gòu)件理論厚度,h=2A/u=0.02A/u=1.35,其中A為構(gòu)件截面面積,u為構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度;βsc依水泥種類而定的系數(shù),對(duì)一般的硅酸鹽類水泥或快硬水泥為βsc=5;fcm為強(qiáng)度等級(jí)C20~C50混凝土在28 d齡期時(shí)的平均立方體抗壓強(qiáng)度,C30 時(shí) fcm=0.8fcu,k+8 MPa=0.8×30+8=32 MPa;fcm0=10 MPa;ts為收縮開(kāi)始時(shí)的混凝土齡期,可假定為3~7d;RH為環(huán)境年平均相對(duì)濕度,取RH=69%;RH0=100%;βRH為與年平均相對(duì)濕度相關(guān)的系數(shù),適用于40%<RH<90%。

      對(duì)于此工程,構(gòu)件開(kāi)始受荷時(shí)混凝土齡期t0取為7 d,計(jì)算溫差△T=△Tt+△Ty=55.9+45.8=101.7℃??捎肕IDAS等軟件通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行溫度計(jì)算,當(dāng)結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)直接輸入降溫溫差 101.7×0.35=35.6℃。

      3.3 結(jié)論分析

      1)底層框架柱受到地基基礎(chǔ)的約束較強(qiáng),收到到溫度作用產(chǎn)生的抗力也較大,其余層框架柱上下端位移差較小,溫度作用的內(nèi)力也較小??梢?jiàn),溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力與構(gòu)件的約束剛度有關(guān)。

      2)框架梁溫度內(nèi)力最明顯位置是,縱向變形零點(diǎn)處的框架梁,該處承受溫度作用下的最大軸向拉力。根據(jù)分析結(jié)果,施工時(shí)可在該處設(shè)置后澆帶并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

      3)溫度作用在框架的端部較為明顯。

      4 結(jié)語(yǔ)

      裂縫控制屬耐久性的重要方面,以前往往被忽視,其中對(duì)裂縫的控制會(huì)影響到工程的后期使用,尤其在水利工程建筑物中,往往都是重要類別的建筑,使用年限也較普通工業(yè)與民用建筑高,這就對(duì)裂縫控制提出了更高的要求。防治大體積混凝土裂縫是一個(gè)綜合的問(wèn)題,需要設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理以及建設(shè)方共同配合,才能達(dá)到控制裂縫的目的。

      [1]GB50108—2008,地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

      [2]GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [3]DLT5057—2009,水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [4]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [5]遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司,長(zhǎng)??h跨海引水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].

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