工业建筑大体积混凝土结构裂缝控制设计探讨

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摘要：本文分析了工业建筑大体积混凝土裂缝形成的主要原因，探讨了工业建筑大体积混凝土结构裂缝控制设计措施。

关键词：工业建筑；大体积；混凝土；结构裂缝；设计；措施

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

在工业建筑大体积混凝土结构施工中,混凝土裂缝的控制是一个很重要的课题。由于大体积混凝土结构的截面尺寸较大,由外荷载引起裂缝的可能性很小,但由于水泥在水化反应中释放的水化热所产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用,会产生较大的温度应力和收缩应力,这将成为大体积混凝土结构出现裂缝的主要因素。根据国内外的调查资料,工程实践中的结构物的裂缝,属于变形变化(温度、湿度、地基变形)引起的占80% 以上,属于荷载引起的约占20%。因此,大体积混凝土经常出现的问题,不是力学上的结构强度不足,而是以控制混凝土内外温差、温度变形(应力)引起的裂缝,从而提高混凝土抗渗、抗裂、抗侵蚀性能,以提高建筑结构的耐久年限为主要目标。

一、工业建筑大体积混凝土裂缝形成的主要原因

首先温度和湿度的变化是引起混凝土裂缝的主要原因。混凝土在硬化期间，水泥会放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力；在后期降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束叉会在混凝土内部出现拉应力；同时气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，便会出现裂缝，即混凝土裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。表面干缩形变受到内部混凝土的约束，往往也会导致裂缝。其次，混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10 左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6 ～ 1.0）×104，长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2 ～ 2.0）×104。由于原材料不均匀，水灰比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。

在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土的边缘部位，如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

二、工业建筑大体积混凝土结构裂缝控制设计措施

1、 施工方案的确定

建筑工程大体积混凝土施工技术要以系统的观点通观全局，统筹各环节质量问题，做到科学的选择混凝土施工技术；规划、设计时应由专业工程师实地评估、鉴定，坚持综合治理、标本兼治的方针，牢牢把握住大体积混凝土施工的基本结构、基本框架和基本设计理念；要坚持统筹兼顾、谨小慎微的原则，这是防治混凝土出现裂缝问题的根本措施，贯彻这一原则才能在设计和建造中取得防治经验，不留任何可能出现混凝土裂缝问题的瑕疵和遗漏。

2、混凝土材料的选择

从源头控制好大体积混凝土的施工，就是要从混凝土材料的角度来看，大体积混凝土材料要保持各种作用产生的拉应力小于混凝土的实际抗拉强度。基于此，要选择选用低热、干缩值小的水泥，避免出现因为干缩和收缩的加剧而导致混凝土裂缝问题。在混凝土材料的性能选择方面，需要注意严格控制粗细材料的含泥量及结构密集程度，选用结构缜密、吸水率小和干缩值小的骨料。掺用合适的减水剂，减少单位用水量。改善骨料分配，采用低流态混凝土；除此之外，还要尽可能地选用比热容大、导电性能好、热膨胀系数小、能微膨胀、干缩率小的混凝土。

3、 混凝土后期强度的利用

对大体积混凝土来说, 混凝土的强度等级过高对裂缝控制不利, 其强度等级应控制在C20~ C40范围以内。

当混凝土浇筑后要经过较长时间才开始承受外加荷载时, 根据结构型式、气候条件及开始加载时间, 可采用60 d 或90 d 龄期的抗压强度。这样在保证抗压强度要求的同时, 可降低水泥用量和水化热。因混凝土不同龄期的抗拉强度受许多因素的影响,故不考虑利用混凝土后期抗拉强度。混凝土不同龄期抗压强度增长率当无试验资料时, 在混凝土为C30 及以下时, 其不同龄期强度与28 d 强度的比值可按水工混凝土结构设计规范给出的表1 采用。

表1 混凝土不同龄期抗压强度比值

4、 温度作用计算

温度作用对静定结构不产生内力, 但在构件截面上会产生自成平衡的应力, 且会产生较大的位移。对于超静定结构, 温度作用并不影响结构的极限承载能力, 因在温度应力作用下, 混凝土一旦开裂, 温度应力便自行松弛, 但若不采取措施将使裂缝过宽。对于冶金工厂的建构筑物, 一般情况下是允许出现裂缝的, 当对裂缝宽度的控制要求不是特别严格或采取了补缝等措施后, 可以不进行温度作用计算。对于地上框排架结构, 当温度伸缩缝间距超过规范规定的长度较多时, 应进行使用阶段的温度作用计算。此时应考虑框架结构封闭时的温度与正常运行期间遇到的最高或最低多年月平均温度之间的平均温差, 并考虑外荷载与温度的共同作用进行承载能力极限状态验算, 此时杆件的刚度应取开裂后的实际刚度。

混凝土浇筑初期的温度作用计算由施工技术设计进行, 其除考虑水泥水化热、环境温度的作用外,还应考虑湿度变化( 干缩变形) 的影响, 可将混凝土的干缩影响折算为10~ 15的温降进行计算。

5、构造设计

（1）结构措施

a) 用后浇带代替伸缩缝时, 其间距应根据结构形式和外部约束情况确定, 其位置宜靠近结构截面或刚度突变部位, 最大间距􀀁 40 m, 后浇缝宽度10 m, 钢筋可连通不断开。后浇带封闭的间隔时间为40~ 60 d, 后浇混凝土可采用与本体结构相同的混凝土, 当采用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土时, 施工应具有完全保湿或保水养护的条件, 且混凝土的膨胀率应满足水中养护14 d 的混凝土限制膨胀率 0.015%的要求。

b) 不设伸缩缝和后浇带而采用跳仓法施工时,其分仓宽度、跳仓顺序、混凝土浇筑的间隔时间等应结合各工程的具体情况确定, 目前其主要应用于地下沟道、隧道以及大型设备基础等地下结构, 并需采取必要的防渗补缝措施。

c) 地上结构的墙体当可由建筑构造处理外观,并作好防渗、防水处理时, 可在墙体上设置控制缝引导收缩裂缝出现, 加大伸缩缝间距。控制缝采用在建筑物的线脚、饰条、凹角等处预埋板条来实现, 其间距一般在10 m 左右。

d) 结构设计时应尽量降低内、外部的约束度, 尽量避免出现刚度突变、应力集中严重的结构形式。

e) 对地下结构要尽量降低地基对结构的约束。对岩石等坚硬地基, 为减少其对基础或地下结构的约束, 应在地基和基础之间设置滑动层。滑动层可采用碎石垫层、沥青砂垫层, 也可在基础的混凝土垫层顶面铺设一层油毡。由于基底标高变化使基底出现台阶时, 应在基础台阶侧面设泡沫减阻板。

(2)温度钢筋

一般情况下对温度应力不作计算, 而是按经验适当增配温度钢筋, 延缓裂缝出现的时间, 分散裂缝分布和控制裂缝开展; 或在配筋计算时适当增大配筋量或降低钢筋强度设计值来考虑温度应力的影响。