超长混凝土结构采用加强带取代后浇带

关于超长混凝土结构采用加强带取代后浇带的工程实践 1 工程概况 哈尔滨爱建新城人防及地下商业街工程，占地面积约 14万㎡，最长边约 1500 多m，宽 135m，因混凝土为超长结构，为控制变形裂缝的产生，原设计底板做 11道后浇带。 经前研究，设置后浇带会给工程施工带来很多困难——使该处模板和支 撑不能及时拆除，延长了工期；由于较长时间不能封闭，落进杂物难于清理；同 时，由于后浇带两侧，在浇筑混凝土前，混凝土侧边凿毛十分困难；同时底板和 垫层混凝土与后浇带混凝土浇筑时间相隔长达 40～60d，新老混凝土之间的粘 结强度难以保证，后浇带连接处易产生裂缝，反而造成渗漏。 为此，在施工中，我们采用混凝土中掺加适量的具有高效减水、微膨胀功能的 HM外加剂来抵消混凝土的收缩，进而达到取消后浇带的目的，以改善设置后浇 带带来的不足。 2 用加强带代替后浇带的依据 膨胀混凝土在凝结硬化过程中产生适当膨胀，在钢筋和邻位的约束下，在混凝土 中建立起一定的自应力（约 0.2MPa～0.7MPa），其自应力值按下式计算： σc=ρEs·εP σc——混凝土自应力（MPa） ρ——截面的配筋率（%） Es——钢筋的弹性模量（MPa） εP——钢筋的限制膨胀率（%） 从中可以看出：在配筋率和钢筋弹性模量确定的情况下，膨胀混凝土自应力 与膨胀率成正比。这样膨胀加强带部位的自应力增大，对温度收缩应力补偿能力 增大，防止超长结构开裂，其原理示意图如图 1所示： 从图 1 中可以看出，超长混凝土结构使用普通混凝土的温度收缩应力曲线为 ABCDE，其应力从两边向中间增长至B、D两点时，σ＞ftk(混凝土抗拉强度标 准值)，混凝土开始开裂，释放能量；仅采用小掺量膨胀混凝土进行补偿的超长 混凝土结构，能够抵消部分温度收缩应力，其温度收缩应力曲线为FGHNJ，应 力从两边向中间随结构长度的延伸而增长，达到G、N两点时，σ≥ftk，开始产 生开裂，掺膨胀剂的混凝土达到开裂时的结构长度较普通混凝土延长，到达膨胀 加强带部位（K、M）时，由于加强带部位储存较大自由应力（或膨胀力）对其 进行补偿，使其应力降低，随后随长度增加重新增长，但最终结构中部最大应力 值小于混凝土的抗拉强度标准值，即σ≤ftk，保证超长混凝土结构不开裂， 这就是膨胀加强带的主要作用。 为保证工期和加快施工进度，根据以上原理经我单位多次研究、分析、计算，决 定不设混凝土后浇带，用加强带取代后浇带，依靠混凝土的膨胀补偿收缩，从而 达到控制混凝土变形裂缝的目的。 3 是否设置后浇带的理论计算 结构出现裂缝与干缩和温差有直接关系。当底板和外墙混凝土采用普通混凝土， 且底板和外墙厚度较大时，干缩和温差均较大，易产生裂缝。在这种情况下，通 过计算和工程实践表明，后浇带的间距约为 30m～40m。但本工程底板混凝土 不厚，混凝土中掺加占水泥重量 2％左右的HM膨胀剂，理论上可不设后浇带， 只设加强带即可，但考虑施工等因素，为确保混凝土不出现裂缝，在实际施工中， 我们在非加强带区也掺用占水泥重量 0.5%的膨胀剂，以保证混凝土不出现变形 裂缝。 工程设计理论计算 1）混凝土配筋收缩率εy(t)，按下式计算 式中 εy(t)—任意时间的收缩（mm/mm）； b—经验系数，一般取 0.01；养护较差时取 0.03； t—由浇灌时至计算时，以天为单位的时间值； ε0y=εy(∞)—最终收缩（mm/mm），标准状态下ε0y=3.24×10-4； M1…Mn—考虑各种非标准条件的修正系数； 将以上参数代人公式计算底板混凝土的收缩率： εy（28）=3.8×10-4 2）加强带限制膨胀率： 式中 t－为龄期(d)； a1a2…… a9——为偏离标准条件影响系数； 将上述参数代入公式，可计算出加强带限制膨胀率为： εx(14)=4.2×10-4 同时计算得|aT|＜εP，|εx-εy|＜εP，所以混凝土不会开裂。 在计算混凝土膨胀加强带时，公式中混凝土极限拉伸值除考虑配筋率影响外，还 需考虑混凝土徐变的影响。偏于安全选取普通混凝土的松弛系数为 0.5，也就是 混凝土的极限拉伸值，在考虑徐变的条件下增加了 50％。底板混凝土由于单面 散热（BX702 卷材防水三面覆盖）散热较慢，必须考虑徐变。值得说明的是， 膨胀混凝土的受拉徐变比普通混凝土高 30％，由于已偏于安全，未予考虑。 因此，考虑徐变后混凝土的极限拉伸值为：εP=1.8×10-4 4 加强带的设置 膨胀加强带分别沿纵、横向每隔 40m左右设置一条，宽度 2m。设置在温度收 缩应力较大的部位，如截面、钢筋变化等部位，其构造措施如图。在加强带两侧 设置一层孔径 5mm×5mm的钢丝网，并 200mm～300mm设一根竖向 φ16mm的钢筋予以加固，其上下均应留有保护层，钢丝与钢丝网、上下水平钢 筋及竖向加固筋必须绑扎牢固，不得松动，以免浇筑混凝土时被冲开，引起两种 混凝土混合，影响加强带的效果。 5 对墙体裂缝的说明 大量工程实践表明，膨胀混凝土应用于平面结构（基础底板），即使超长结构只 以膨胀带代替后浇带也不会出现有害裂缝。但是对墙体而言，即使整体使用膨胀 混凝土，也往往会产生裂缝。这是因为：除配筋不太合理，混凝土配合比存在问 题，养护不足，分段太长等因素以外，主要与混凝土膨胀量不足有关：1．新浇 混凝土的温度下降时产生的收缩，但由于已浇底板的约束，于是产生拉应力。 2．由于混凝土截面内的温差，在低温部位产生拉应力见图 2，墙体混凝土的干 缩由于被刚性大的柱或基础的约束而产生干缩裂缝见图 3。 为此，在施工中我们采取适当提高边墙配筋率至 0.8%左右，减少水平筋间距在 150mm以下，以增加混凝土的极限拉伸值；在墙的中部或底部的 1m范围内的 水平筋间距改为 80～100mm，形成一道“暗梁”，以平衡收缩应力；此外采取 加强淋水养护，墙体保温，延长拆摸板时间等措施，起到控制裂缝的作用。 5 施工质量保证措施 在施工过程中，我们着重控制了以下六个关键点： 1）选择优质原材料 石子：5～31.5mm卵石连续级配，含泥量＜1.0%；砂： 中砂，含泥量＜2.0%；水泥：P.O32.5R（哈水）；粉煤灰：Ⅱ级磨细；膨胀剂： HM多功能型（沈阳洪盟）；以上所用材料都经严格复试。 2）试验配比 根据现场材料经试验室试配做出如下合理配比，现场采用砂、石 含水率测试仪随时测定砂、石含水率并及时调整加水量。 3）浇筑 每施工段施工时采用两台混凝土搅拌站配合施工，以保证混凝土同时 完成浇筑，使混凝土相连避免产生施工缝。对厚大混凝土承台分层进行浇筑，每 层浇筑厚度小于 400mm，浇筑连续且保持均匀， 4）振捣 采用φ50 插入式振捣器进行振捣，施工中设专人负责合理布点，严格 控制振捣间距（不大于 400mm）、时间（不少于 20S），防止过振、漏振现象 发生，必要时局部采取二次振捣。 5）压光 待混凝土收水后，初步用长刮尺刮平，用木抹子搓平压实，在初凝前 用铁抹子二次压实，局部进行三次抹压，以控制表面龟裂。 6）养护 混凝土的收缩变形主要发生在早期，而混凝土膨胀在水中 7d内能达到 80%，因此前期养护工作至关重要。对超长混凝土结构的裂缝控制、养护好坏 起决定性作用。因此，在混凝土浇筑完后，我们采取了覆盖塑料薄膜后蓄水，在 水中养护 14d的，保证了混凝土水化用水的同时，又能控制混凝土内外温 差在 25℃以内。 摘 要 建筑工程中，混凝土结构的裂缝较为普遍。虽然非结构性裂缝不致影响构件承 载力和结构安全性，但却会影响结构的耐久性和整体性。根据具体工程设计实践 和经验，从注重结构概念设计的角度出发，分析了温度收缩裂缝的基本特点、成 因，介绍了对超长混凝土结构如何有效设置后浇带及施工经验，以及其他一些控 制和抵抗温度收缩应力的具体设计措施。 建筑工程中，混凝土结构的裂缝较为普遍，裂缝的类型也很多，但按成因基本 可归结为由外荷载和变形引起的两大类裂缝。其中由混凝土收缩和温度变形共同 引起的温度收缩裂缝则是实际工程中最常见的裂缝。随着建筑向大型化和多功能 发展，超长（即超过温度伸缩缝间距）高层或大柱网建筑不断出现，混凝土强度 等级的提高，施工中泵送混凝土工艺的应用，使超长混凝土结构易出现的温度收 缩裂缝有逐渐增多的趋势。虽然这类裂缝一般不致影响构件承载力和结构安全， 但可能引起渗漏、影响结构的耐久性和整体性。另外由于我国幅员辽阔，不同地 区气候环境、温湿度差异很大，现行规范对防止和减轻温度收缩裂缝的设计措施 制定的较为原则和局限。因此不少设计人员不太认真考虑抗裂的构造措施。这样 一旦出现裂缝不仅影响工程质量，同时在住房商品化、质量纠纷日趋增多的今天 也不利于保护自己。 基于上述原因，笔者感到有必要结合某些地区温差大、气候干燥的区域特点， 根据多年的工程设计实践和体会，对防止和减轻超长混凝土结构温度收缩裂缝的 设计措施提出一些看法。 1 温度收缩裂缝的基本特点 （1）该裂缝由收缩和温度变形共同产生，随环境湿度和温度而变化，随时间 而发展。 （2）根据具体工程裂缝出现的时间、发展与变化、以及分布、形状、尺寸等 特征,一般可分为以收缩变形为主或以温度变形为主。实际工程中较常见的是以 收缩变形为主的温度收缩裂缝，一般发生在混凝土浇筑后一年内。 （3）主要影响的部位及构件是底层和顶部数层梁板构件以及基础梁、挑檐、 栏板等外露构件。 （4）梁板裂缝呈现不同分布和特征，梁缝一般垂直于纵向，分布在两侧面， 两头细、中间宽、枣核形。单向板缝等间距平行于短边。双向板缝较重于单向板 缝，两个方向板缝纵横交错，缝多为贯通，板面缝一般宽于板底缝。 2 防止和减轻超长混凝土结构温度收缩裂缝的设计措施 我国混凝土设计规范采用留伸缩缝的方法，是对温度、收缩应力的释放，具有 简便易行的优点，但现代的超大型建筑物往往不易做到。一方面，按使用功能和 外立面美观要求，希望不设贯通伸缩缝，因为设缝会出现双梁、双柱、双墙，使 平面布局受局限。另一方面，设置伸缩缝人为地将结构分割成几部分，也削弱了 结构的整体性。在抗震设防地区，伸缩缝还要满足抗震缝的要求，增加了地震时 建筑物各块相互碰撞的危险，使整体抗震能力下降，弊大于利。 结构温度、收缩应力是由于结构变形受约束而产生的。在理论上只要材料的强 度大于等于最大约束应力，则任意长度结构不设伸缩缝亦不开裂；但混凝土材料 的抗拉强度很低，韧性差，以及在结硬过程中产生收缩。理论和实践均证明，若 设计、施工中不采取措施，难以满足混凝土规范对结构裂缝的要求。故应采取以 下综合措施。 2.1 设置后浇带以及控制和抵抗温度收缩应力的措施 2.1.1 有效设置后浇带 后浇带是列入高规中的一种目前设计人员常采用的方法，它利用了混凝土早期 收缩量大的特性，其设计思路是“以放为主”。高规虽然对后浇带的间距、宽度、 钢筋处理、浇筑时间有较明确要求，但是结合多年来对几个较大型超长工程的设 计实践，深感对后浇带的做法必须予以重视。如设计施工处理不好，不仅起不到 预期的效果，还会留下结构隐患。因此就后浇带的具体做法提出以下建议和看法。 （1）间距。建议具体工程应结合建筑物长度、气候环境特点综合考虑，一般 控制在 30 m左右。 （2）位置。①小跨梁开间或受力较小的部位，一般可在梁跨 1/3处。②平面 布置时要注意梁的布置宜平行于后浇带以免梁截断太多。③视具体情况可沿平面 曲折通过。 （3）宽度。建议预留的宽度要考虑满足钢筋错开搭接要求。可允许大于 1 000 mm。 （4）钢筋。 建议：板钢筋断开，梁上部钢筋、腰筋及板墙钢筋断后错开搭接 或必要时先搭后补焊。梁下部钢筋不断，可适当加大配筋。这样既可大大减小梁 钢筋全部不断对混凝土收缩形成的约束，又可避免梁钢筋全部断后造成的钢筋 搭、焊接困难。 （5）浇筑时间。宜在 2个月后，且浇筑时的温度宜低于主体混凝土浇筑时的 温度。 （6）后浇混凝土。采用无收缩或微膨胀混凝土，强度较主体混凝土提高C5 级。 （7）后浇带的断面形式。一般宜避久留直缝。对于板可留斜缝；对于梁及基 础，可留企口缝。 （8）对于地下室和屋面板等有防水要求的结构后浇带在新老混凝土之间嵌入 BW系列遇水膨胀止水条，可以利用止水条的胀堵作用来防止渗漏。 2.1.2 针对性地采取控制和抵抗温度收缩应力的综合措施 （1）加强屋面保温隔热措施。除层面采用高效保温材料，严格满足建筑节能 设计标准外，通风屋面和设有空气夹层的墙面能有效地保护房屋的内部构件免受 外界气候剧烈变化的影响。 （2）局部加强配筋。①外露室外现浇板以及板跨大于 4 m宜采用泵送混凝土 的双向连续板等温度收缩应力较大的板，实配钢筋尚应考虑温度收缩应力影响予 以适当增大。②框架梁及所有现浇梁凡高度≥600 cm者均设置腰筋。③檐口板， 外露栏板应双面双向配筋，上下端头各配温度抵抗筋，并每隔 15～20 m设置 一道温度伸缩缝。 （3）控制现浇板混凝土强度等级不宜大于C35。应采用低水灰比、低单方水 泥用量和低用水量的配合比。或采用膨胀剂补偿混凝土收缩。 （4）解除约束，设置滑移层。例如：当为天然地基时，在基础下设置一层滑 移层。 （5）在建筑物的顶部设置音叉式变形缝。较长的框架或剪力墙结构体系，可 在顶部一、二层范围内设置音叉式变形缝。将屋盖分成几段，使应变得到释放。 清河综合整治（一期）工程中，我院于 2000年设计并当年施工的京包闸闸房、 清河闸闸房、下清河闸闸房、肖家河闸闸房使用至今，屋面均出现不同程度的渗 漏现象，湿气造成墙体外饰面开裂剥落，不得不经常修补，既影响美观又影响使 用，造成很大的经济损失。纠其原因，可能有以下几点：①屋面板实配钢筋未考 虑温度收缩应力影响；②几个闸房均设有后浇带，施工处理不好产生微小裂缝造 成渗漏；③屋面保温及防水未做好，形成温度裂缝造成渗漏。 综上所述，应吸取以往的经验教训，针对性地采取控制和抵抗温度收缩应力的综 合措施。 2.1.3 工程实例 永定河滞洪水库进水闸闸房，东西长 113 m，南北宽 7.5 m，柱距 15 m，2 层。首层层高 4.2 m，2层层高 3.6 m。屋顶有一大型波浪型钢结构构架。首 层由于使用功能的需要为开敞式。混凝土强度等级C30，抗震设防 8°。作为永 定河库区一道风景，对立面造型要求较高。 根据混凝土结构设计规范要求，该建筑物应设置 2道横向贯穿全高的伸缩缝， 将建筑物分割为 3 个部分，对建筑的使用功能和美观影响很大，对结构的整体 抗震能力也不利。 针对本工程超长框架裂缝的控制，采取了以下综合措施。首 层楼面设置了 2道横向混凝土后浇带，分成 3片分段浇注，后浇带按 2.1.1设 计及施工，在主体结构竣工前用膨胀剂混凝土浇注。屋面则设 2道 70 mm宽的 伸缩缝，并采用膨胀混凝土，以加强防渗，同时按 2.1.2 作好屋面保温，屋面 板、梁及混凝土外露部分适当增大配筋，最大限度地消除混凝土收缩应力。 屋面分缝而其他楼层不分缝的作法对建筑功能几乎没有任何影响，而且分缝的 方式灵活，如局部采用网架、钢屋架也可起到伸缩缝作用等。这种伸缩缝不需要 满足抗震缝要求，不影响结构整体性，结构分析时可作为一个整体进行计算。 本工程屋面伸缩缝的构造设计为单柱双梁，其中 1 根梁与柱钢接，另 1 根梁搁 置在柱顶另一侧，梁下设置叠层橡胶支座，该支座垂直刚度很大而水平刚度很小， 相当于滑动支座，用来保证屋面的自由水平伸缩。 本工程已投入使用 3年，各方面反映良好，未发现屋面渗漏和结构明显裂缝， 说明该工程的裂缝控制设计是成功的，取得了良好的综合效益。笔者已在国内和 非洲热带地区一些较大型的超长建筑中，根据具体工程各自的特点多次采用了上 述综合措施。 2.2 采用UEA补偿收缩混凝土 2.2.1 方法提出 由于后浇带延长工期，钢筋断后的搭、焊接和清理凿毛均给填缝施工带来一定 麻烦，处理不好将留下渗漏隐患，这是地铁、隧道、水池、地下室等工程所不允 许的。因此，提出了采用微膨胀混凝土（UEA）加强带取代后浇带连续浇筑超长 建筑的无缝设计施工方法。 2.2.2 设计思路 “以抗为主”的设计原则，利用UEA补偿收缩混凝土在硬化过程产生的膨胀作 用，在结构中产生少量预压应力用来补偿混凝土在硬化过程中产生的温度和收缩 拉应力，从而防止收缩裂缝或把裂缝控制在无害裂缝范围内。 2.2.3 具体做法 所有楼板均掺 10%～12% UEA（膨胀率 2×10-4～3×10-4）。但每间隔 50 m设置 1 条 2 m宽膨胀加强带，带内混凝土掺加 14%～15% UEA（膨胀率 4×10-4～6×10-4），两侧设密孔钢丝网，防止混凝土流入加强带，加强带处 混凝土的强度等级比带两侧高出 5 MPa，可连续浇筑，实现无缝施工。该方法 的原理是在结构收缩应力最大的地方给予较大的膨胀应力。我院一些水工建筑如 地下水池、地下连续墙采用此技术效果良好。 2.3 采用预应力混凝土结构 预应力混凝土可增强梁板刚度，梁板中所产生的预压应力可抵消由于混凝土温 度变化和收缩产生的轴向拉应力，从而达到扩大温度伸缩缝间距不设后浇带的目 的。笔者认为，当为满足建筑层高要求而采用该技术时，可考虑在采用必要的控 制和抵抗温度应力的具体措施后增大温度伸缩缝的间距。 3 结语 本文简析了混凝土收缩和温度变形的特性、影响因素以及温度收缩裂缝的成因 和基本特点，以使设计人员建立最基本的概念来针对性地结合具体工程特点，考 虑防止和减轻温度收缩裂缝的具体措施。 （1）采取设置后浇带以及控制和抵抗温度收缩应力的综合措施，注重结构概 念设计，对裂缝采取“放”、“防”、“抗”相结合的构想。 （2）采取以“抗”为主的设计原则。对结构防渗、防裂要求高的工程，提出采 用超长混凝土结构补偿收缩无缝施工方法，以及遇水膨胀添缝防渗技术，有效地 解决裂缝及渗漏问题，连续施工，缩短工期，降低投资。 （3）推荐采用超长结构可加强结构整体性和抗震性能。