预应力技术在地下室剪力墙墙体结构裂缝控制中的应用
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摘要：为了控制混凝土温度收缩，防止剪力墙出现裂缝，可在地下室侧墙施工中采用无粘结锚固体系，防止墙体裂缝的产生。本文结合具体实例，详细阐述了地下室剪力墙墙体结构设计与施工要点，并着重对在地下室墙体预应力混凝土结构裂缝预防与控制措施进行了分析与探讨
关键词：地下室；剪力墙结构；无粘结预应力；拉应力；裂缝控制
中图分类号：TU746.3
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2011）06-0155-02
1工程概况
湖南某商住楼工程总建筑面积约6.8万m2，框-剪结构，平面尺寸为164m（最大环向）×66m，且设计上不设缝，结构长度远远大于规范规定的伸缩缝设置最大长度，属超长混凝土结构。
地下两层，其中标高-4.62m和-0.10m处楼层楼面环、径向框架梁采用后张有粘结预应力混凝土结构，框架梁和井字次梁的结构跨度分别为9~16m不等，在地下室A轴剪力墙长115m和K轴剪力墙长164m，标高从-8.12m到-0.10m，采用后张无粘结预应力混凝土结构。
2地下室剪力墙结构构造设计要点
2.1墙体预应力的设计
本工程后张预应力体系的预应力筋均采用270级钢绞线，直径15.20mm，标准强度1860MPa，混凝土强度等级C40。
本工程地下室外墙的超长，增大了混凝土自身的收缩影响；且混凝土易随季节气温变化产生温度应力，易使混凝土产生裂缝。
针对上述因素，地下室外墙设置预应力钢筋，控制裂缝的原则是“抗放兼备，以抗为主”。“抗”就是给地下室混凝土外墙施加预应力，抵消温度应力和部分收缩应力；“放”就是设置后浇带、分区施工、释放施工前期混凝土收缩应力，控制裂缝过早过多产生，提高混凝土结构的使用寿命。
地下室侧墙和顶板预应力采用后张无粘结锚固体系。侧墙厚度为400mm，墙高约8m（部分侧墙壁厚600mm）。预应力筋布置为水平面二根一排平行设置，竖向间距为250mm，预应力筋分别沿墙体普通钢筋内侧布置，具体见图1。
外墙预应力温度应力的计算：
1）计算模型。地下室外墙体下端与基础底板连接，上端与楼板相接，但由于楼板厚度相对较薄，且同样配置预应力钢筋，张拉时可以认为墙体与楼板同步变形，即计算模型为：墙体沿长向、下端有约束，取6m宽地下室底板与其相连，上端为自由。预应力抗裂设计只考虑平均季节温差引起的轴向应力，不考虑室内外温度梯度差产生的弯曲应力。抗裂设计温差取T=16℃。采用大型通用有限元分析软件对墙体进行模拟计算。
2）预应力计算结果。控制指标：地下室外墙板±0.00m标高至-8.1200m标高范围内采用无粘结预应力，建立平均不小于2MPa的预压应力。预应力筋采用抗拉强度标准值 =1860MPa，单根直径 d=15.24mm，在地下室外墙板±0.00m标高至-2.00m标高范围内，以下部分压应力逐渐减小。预应力钢筋的布置为2×2U 15@250。
2.2外墙张拉端的设置
标高-4.62m和-0.10m处楼层楼面环、径向框架梁无粘结预应力梁张拉端设置在外墙处，采用外置式，因为外置式对柱钢筋、梁端锚固筋和其他非预应力钢筋的影响较小，并且锚垫板安装方便快捷，便于施工。但是外凸高度最小不得小于150mm，对于建筑外装饰有一定的影响；并且对锚具封锚的要求比较高。局部外立面由于受建筑立面的影响，张拉端不得突出建筑外立面，所以必须考虑锚具内置，内置采用泡沫塑料板预留张拉孔，预留深度大于150mm，预留前梁钢筋锚固段建议后退150mm，保证有足够的空间设置锚垫板。柱钢筋应在下层钢筋定位前在锚垫板位置预留一定的距离来保证锚具的设置空间和张拉的操作空间。具体见图2。
预应力外墙处张拉端采用外置式，虽然便于预应力施工，但其对于地下室结构和施工也有不利的一面，张拉端张拉后需进行封堵，如封堵不好，将产生漏点，不利于防水。大跨度结构预应力因设置后浇带，预应力张拉分两次进行，在后浇带浇筑后再进行第二次张拉，此时在地下室外墙上的张拉端，因需等待第二次张拉，必将影响外墙防水及回填土的施工，场区内其它分项均无法进行。建议地下室预应力张拉端的设置，尽量不要设置在外墙上，可改变外墙处预应力筋的搭接处理，采用一端张拉，将外墙处设置为锚固端，来解决此问题，既不会产生漏点也不会影响其它分项施工。
2.3外墙扶壁柱
地下室外剪力墙考虑控制温度收缩，可设置预应力筋，但张拉端不宜设置在圆柱上，因圆柱如采用钢模板将不易留置张拉端，可设置扶壁柱来放置张拉端。
外墙预应力通过设置附壁柱进行张拉，在外墙每条后浇带两侧均需设置，预应力筋的是在后浇带处50%的搭接见图3，节点大样见图4。
2.4后浇带的优化设计
超长混凝土结构须设置后浇带，但后浇带条数设置过多，将增加施工工序，增长工期，不利于施工，合理的后浇带设置是质量和工期的有效保证。
可通过增加后浇带的宽度、增设混凝土膨胀带以减少设置后浇带的条数，优化前整个大底板划分为15部分，后浇带宽lm，优化后中间设置混凝土2m宽膨胀带，划分为8部分，后浇带宽1.2m，这样可节省工序，加快施工材料周转速度，缩短工期，降低成本，仍可保证降低混凝剪力墙的约束应力，减少混凝土收缩，同时减少底板渗漏的几率，提高混凝土质量。
3剪力墙预应力结构施工技术
3.1预应力墙体工艺流程
普通钢筋绑扎焊接普支架剪力墙内预应力穿筋安装锚垫板、螺旋筋预应力筋绑扎固定预应力筋水平、数量检查模板封闭浇捣混凝土张拉端部拆模、清理混凝土试块试压达C20预应力筋锚具安装预应力筋的张拉50%应力混凝土试块试压达80%预应力筋的张拉100％应力多余预应力筋切割张拉端部混凝土封闭拆除侧模。
3.2墙体预应力施工
剪力墙内钢绞线，分布在钢筋内侧，在竖向钢筋绑扎完成前，将预应力筋留置在钢筋内侧，在开始固定水平向钢筋时，用普通Φ10做支架焊接在钢筋网上，水平支撑间距250mm的双排预应力筋,将预应力筋张拉端留置在附壁柱内并安装好锚垫板，绑扎完成后，封模板进行混凝土浇筑。
3.3预应力的张拉
按照设计要求，外剪力墙预应力张拉分两次进行，在剪力墙混凝土强度达到C20时进行第一次张拉，以控制混凝土自身温度收缩裂缝，在强度达到80%时进行第二次张拉．张拉流程如下：
1）二端张拉流程：0初应力（10%控制应力、读数量测伸长值) 20%控制应力（读数量测伸长值）100%控制应力（读数量测伸长值、持荷2min）一端锚固另一端补足张拉力后锚固两端同时卸荷
2）一端张拉流程：0初应力（10%控制应力、读数量测伸长值）20%控制应力（读数量测伸长值）100%控制应力（读数量测伸长值、持荷2min）锚固卸荷。
4剪力墙预应力混凝土结构裂缝的预防与控制措施
本工程剪力墙体裂缝大多数发生在与柱相连接的墙上，垂直于底板面，也有部分与地面呈约45°角。距柱边约0.5m开始裂缝比较均匀分布在墙中，裂缝从上至下连通，离底板面约0.3~0.5m处终止；墙内面裂缝与墙外面裂缝位置相对应，裂缝宽度约0.2~0.4mm，扶壁柱与剪力墙交界处裂缝现象较严重，从张拉端口成放射状。
4.1产生裂缝原因分析
产生墙体裂缝的原因很多，但混凝土内部水化热的变化所引起的墙体伸缩变形是产生裂缝的主要原因。墙体混凝土降温出现温差及混凝土收缩当量温差产生内应力，当水平拉应力 超过混凝土抗拉强度时便会引起竖向裂缝。混凝土初期抗拉强度很低，因此这种现象会经常发生。事实上，在竖直方向也有应力 的作用，但因墙体高度不大，温度变形极小，且上部无约束作用，又配有竖钢筋抗拉，故不会出现水平裂缝。由于墙体两端与框架柱连接，框架柱是一个较强的约束体，当水化热降温墙体收缩时，约束了墙体沿水平方向的收缩变形，致使墙柱连结处及墙中出现裂缝，主要原因分析如下：
1）部分混凝土实际配合比未能达到要求，水泥过大，造成混凝土收缩开裂。在现场实际商品砼的水化热大，初凝快而产生裂缝。
2）扶壁柱产生裂缝原因。由于扶壁柱是为预应力张拉、锚固所设置，在扶壁柱处钢绞线交错叠加，设置比较密集，这样就为剪力墙混凝土的浇筑施工带来影响，要避免振动棒对钢绞线过度振动所导致的位置变形，又要将振动棒穿过钢绞线密集部分对下部进行振捣．施工时振捣操作人员易在此处出现漏振现象，往往多在扶壁柱钢绞线上部振捣完毕后，由于施工难度大忽略了下部的振捣，从而在后期预应力张拉过程中出现扶壁柱周边拉爆，裂缝现象产生。
3）墙体预应力的设计。剪力墙设置控制裂缝的预应力筋，此工程剪力墙裂缝依旧产生，预应力筋第一次张拉是为控制裂缝的产生，但实际情况控制效果并不理想。预应力筋第二次张拉主要为控制季节性温度收缩裂缝，但地下室剪力墙使用期，均在地下，受季节性影响很小。
4）混凝土的养护。外墙模板拆除过早、未对模板缝处进行浇水养护等，也易导致温度裂缝。
4.2剪力墙结构裂缝的具体防治措施
1）采取“抗”的设计原则，控制裂缝发生。在墙板顶部和腰部设两道暗梁，并适当增设暗柱，以起到“模箍作用”；适当增加墙板钢筋，尤其是水平构造筋的配筋率应适量提高。配置一定数量的预应力钢筋，通过预应力的张拉力控制混凝土的收缩应力。
2）采取“放”的设计原则。为了防止墙体早期混凝土出现收缩裂缝，在墙体中设置适当数量的后浇带，后浇带处钢筋必须全部断开，否则影响混凝土的收缩，达不到留置后浇带的目的，后浇带设置间距15~25m，留置宽度1000~1500mm，保留时间为40~60d，墙板留置后浇带就是减少约束，释放温度收缩应力，给墙体有一定的伸缩自由。
3）进行混凝土配合比的试配试拌，采用水化热低收缩性小早期强度高的硅酸盐水泥作胶结料，添加粉煤灰，粗骨料级配好，中粗砂含泥量小，掺早强缓凝型泵送剂，严格控制混凝土水灰比和搅拌时间，为墙体施工提供高质量的混凝土拌料。同时要控制好商品搅拌站的实际配比情况，让其提供优质混凝土。
4）加强混凝土振捣。混凝土必须分层分段振捣，对钢筋密集处及预应力的张拉端、扶壁柱等处更要振捣，密实，可采用小直径振捣棒进行振捣。有效排除混凝土内的泌水，消除混凝土内部孔隙，确保混凝土的高密度，增加混凝土与钢筋的粘结力，增加混凝土材质的连续性和整体性，提高混凝土的强度，尤其要提高混凝土的抗拉强度。
5）加强混凝土养护。早期混凝土不得有外力作用，避免冲击、碰撞，使混凝土墙遭受早期伤害，并适当延长淋水养护时间，确保混凝土强度快速健康增长。
5结束语
综上所述，在地下室采用预应力结构可以提高建筑的功效，减小施工中后浇带数量，有利于施工，同时可以控制混凝土的早期收缩，减少混凝土结构裂缝。外墙预应力分两次张拉有利于控制混凝土早期的收缩裂缝。外墙设置张拉端，易引起漏点，会影响防水及回填土等时间，施工过程中应严格控制商品混凝土的质量，并加强墙体混凝土的养护，确保施工质量。
参考文献:
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