地下室溫度收縮裂縫成因的理論分析及控制措施(一)

1、地下室溫度收縮裂縫成因的理論分析及控制措施(一)    摘 要:混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的主流,針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地下室進(jìn)行研究,地下室裂縫產(chǎn)生的主要原因是由于混凝土的變形變化受到約束作用而產(chǎn)生的,引起變形變化的原因主要有溫度變化,對形成地下室收縮裂縫的樁、底板等的約束作用和構(gòu)件的自約束應(yīng)力進(jìn)行了理論分析,分析了由溫度引起的裂縫,并提出控制措施? 關(guān)鍵詞:地下室;收縮裂縫;控制 地下室結(jié)構(gòu)一般都是由鋼筋混凝土墻圍合而成,在設(shè)計(jì)荷載所用下,鋼筋混凝土墻一般是不會產(chǎn)生裂縫的,然而高層建筑地下室墻壁開裂現(xiàn)象比較普遍,尤其在施工階段,混凝土早期裂縫出現(xiàn)幾率比較

2、高,并且?guī)缀醵疾皇怯珊奢d作用而引起的,由此就必須對非荷載作用下地下室墻壁裂縫原因進(jìn)行分析?除地下室墻體會開裂外,地下室底板,頂板都會產(chǎn)生非荷載裂縫?根據(jù)20012006年的統(tǒng)計(jì)資料,高層建筑地下室大底板出現(xiàn)裂縫的數(shù)量占底板總數(shù)的10%,而地下室外墻的開裂數(shù)量占被調(diào)查工程總數(shù)的85%以上?控制外墻裂縫技術(shù)難度很大,在國內(nèi)外的工程實(shí)踐中還沒有非常成熟有效的技術(shù)措施,本文擬對此作探討? 1 地下室的外部約束分析 地下室是結(jié)構(gòu)物比較特殊的一部,它位于結(jié)構(gòu)的底部,并且與基礎(chǔ)相連接,這樣地下室通過基礎(chǔ)或者直接與地基相互作用?對于地下室來說,地基或者地基與基礎(chǔ)共同對地下室的作用就成為本文所說的地下室外部約束

3、? (1)地基對地下室地板的約束? 地下室底板澆注在地基上,地基和底板之間有粘結(jié)、摩擦作用?當(dāng)?shù)装灏l(fā)生溫度變形或者收縮變形時(shí),底板和地基之間將產(chǎn)相對運(yùn)動(dòng),但由于粘結(jié)作用和摩擦作用的存在,地基將阻止底板的相對運(yùn)動(dòng),在地基與底板接觸面上必然會產(chǎn)生剪應(yīng)力,這個(gè)剪應(yīng)力就是地基對底板的約束作用? 由于地基條件的多樣性,底板界面尺寸的變化,底板上的結(jié)構(gòu)形式和荷載的變化等,底板與地基之間的剪應(yīng)力變化是比較復(fù)雜的,只有通過近似簡化的方式來求解此剪應(yīng)力?假定某點(diǎn)的剪應(yīng)力z與該點(diǎn)水平位移u成正比: (2)樁基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)的約束? 樁基礎(chǔ)是一種承載性能高、穩(wěn)定性好、沉降及差異變形小、沉降穩(wěn)定快、抗震能力強(qiáng)及能適應(yīng)各種復(fù)

4、雜地質(zhì)條件且適用范圍廣的基礎(chǔ)形式,因而在工程中的運(yùn)用愈來愈廣泛?在分析地下室結(jié)構(gòu)的約束時(shí),必然要考慮樁基的存在所來帶的約束作用? 在相關(guān)資料上把樁的約束作用均勻分配到每根樁所分擔(dān)的地基面積上,然后與地基對底板的約束進(jìn)行疊加,其單位面積地基上樁的阻力Cx,為: 2 混凝土溫度、收縮應(yīng)力的理論計(jì)算公式 混凝土裂縫的產(chǎn)生可以從兩個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行判別:其一就是混凝土的拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度;其二是混凝土的拉應(yīng)變超過了混凝土的極限拉應(yīng)變?混凝土的極限拉應(yīng)變不容易測得,因而用混凝土的拉應(yīng)力是否達(dá)到混凝上的抗拉強(qiáng)度作為判斷混凝土的是否開裂的依據(jù)比較方便,運(yùn)用也比較普遍?這樣,計(jì)算混凝土溫度、收縮應(yīng)力就非常

5、必要的了? 2.1 溫度收縮應(yīng)力計(jì)算的公式 假定:(1)結(jié)構(gòu)物同地基接觸面上的剪應(yīng)力與水平變位成線性比例: 上式中T底板與地基結(jié)束面上的剪應(yīng)力; Cx水平阻力系數(shù),即產(chǎn)生單位位移的剪應(yīng)力,取值同前文所述; U產(chǎn)生剪應(yīng)力:的地基水平位移; (2)結(jié)構(gòu)物為地基上的長條形結(jié)構(gòu)物一薄板、矮墻等,板厚或者墻高與長度之比HlL<_0.20 (3)結(jié)構(gòu)物厚度t均勻,高度H均勻,受力沿高度和厚度均勻,結(jié)構(gòu)物相對地基有溫差T,計(jì)算的是只考慮對貫穿裂縫起控制作用的平均拉應(yīng)力?計(jì)算公式為: 2.2 溫度收縮應(yīng)力的有限元計(jì)算 對于單一的混凝土構(gòu)件,譬如一片規(guī)則的墻體或是一塊規(guī)則的混凝土底板受到均勻的約束及均勻的

6、溫度、收縮變形的作用時(shí),運(yùn)用上一小節(jié)的理論計(jì)算公式時(shí)比較方便的,但當(dāng)我們面對的是一片不規(guī)則的墻體,不規(guī)則的底板,不均勻的約束和荷載時(shí),運(yùn)用以上的理論公式就比較難以反映構(gòu)件的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)?更只得我們注意的是,當(dāng)我們要掌握整個(gè)結(jié)構(gòu)在溫度、收縮變形作用下的應(yīng)力分布狀態(tài)時(shí),用以上的理論公式時(shí)難以得到比較滿意的結(jié)果? 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,有限元理論的完善,相應(yīng)有限元軟件的精度也在提高,這樣,選擇運(yùn)用可信有限元軟件對我們所要研究的結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件進(jìn)行有限元分析是比較方便,且其分析結(jié)果也是可供參考的?3 地下室溫度收縮裂縫控制的措施 針對溫度收縮變形的特點(diǎn),以上具體的分析了影響溫度收縮變化的具體因素,為有效的控制

7、地下室裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展,相應(yīng)的從結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料質(zhì)量、施工措施三個(gè)方面來考慮裂縫的控制措施? 3.1 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面 (1)減少結(jié)構(gòu)約束? 約束是變形變化產(chǎn)生裂縫的必要條件,假如沒有約束存在,那么變形彎化不會使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力,亦不會使結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件開裂?地下室底板的變形變化受到地基、墊層、樁基礎(chǔ)等的約束,地下室側(cè)墻受到地基、基礎(chǔ)、底板、頂板的約束,頂板受到側(cè)墻的約束?減小結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件受到的約束程度可以相應(yīng)的減小結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的約束應(yīng)力?為了減小地基對底板造成的外部約束,可以在地基與底板之間設(shè)置滑動(dòng)層或者緩沖層,緩沖層用于構(gòu)件局部突出嵌入巖石的情況?在地板和墊層之間設(shè)置滑動(dòng)層,減小底板受

8、到的約束程度,讓地板在變形變化作用下有更大的伸縮的自由度,以至于可以釋放有變形變化所引起的應(yīng)力? (2)設(shè)置伸縮縫? 設(shè)置伸縮縫就是把長度比較大的結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)長度比較小的單元結(jié)構(gòu),其本質(zhì)就是減小獨(dú)立結(jié)構(gòu)的長度,從一定意義上說,就通過減小結(jié)構(gòu)的長度來減小約束作用?縮縫間距可以釋放一定的溫度收縮變形引起的變形變化,使由于約束產(chǎn)生的應(yīng)力不致使結(jié)構(gòu)開裂?但伸縮縫的設(shè)置會破壞結(jié)構(gòu)的整體性,對施工、維護(hù)和結(jié)構(gòu)抗震度是不利的,對于地下室,還會帶來使用上的不便,而且容易發(fā)生諸如滲漏等的使用隱患? (3)設(shè)置后澆帶? 設(shè)置后澆帶是目前運(yùn)用比較廣泛的防止溫度收縮變形產(chǎn)生裂縫的一種方法?并且是擴(kuò)大伸縮縫間距或者取

9、消伸縮縫的有效措施?后澆帶是施工期間設(shè)置的臨時(shí)變形縫,其目的是釋放早期的溫度收縮變形變化?早期混凝土的收縮量比較大且溫度場相對不穩(wěn)定,后澆帶必須留置一定的時(shí)間,根據(jù)具體的情況,留置時(shí)間可不同,但從理論上說后澆帶留置時(shí)間盡可能長些,溫度收縮變形釋放的比較充分,效果比較好?后澆帶要有一定的寬度,一般規(guī)定是0.81.0m但這寬度范圍并不是不可以突破的,在已經(jīng)發(fā)表的文章中作者指出只要施工條件允許,應(yīng)將后澆帶寬度盡量取的大些?后澆帶是為了釋放變形產(chǎn)生的約束應(yīng)力,所以穿越后澆帶的連續(xù)鋼筋總量越少越好? (4)配置一定量的構(gòu)造鋼筋? 合理的配置構(gòu)造鋼筋是可以比較有效的限制裂縫的擴(kuò)展,但配筋不能防止裂縫的出現(xiàn)

10、?配筋的總的原則是細(xì)而密,一般來說,在實(shí)際工程中,所選用的鋼筋直徑在8-16范圍內(nèi),鋼筋間距一般在100200mm之間? 配置的構(gòu)造鋼筋需要有一定的量,可以用配筋率作為一個(gè)重要的衡量指標(biāo)?對于怎樣的配筋率才是有效而又經(jīng)濟(jì)沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識?從文獻(xiàn)可得到通常配筋率在0.2%1%之間變化,且在此范圍內(nèi),隨配筋率的增加對裂縫寬度的控制效果也相應(yīng)的提升;研究者傾向于采用 0.8%1%之間的配筋率,這是值得參考的;對于超過1%的配筋率,隨著配筋率的增加裂縫控制的效果不明顯? (5)采用專門的預(yù)加力措施,如采用預(yù)應(yīng)力控制地下室外墻裂縫? 3.2 材料質(zhì)量方面的措施 混凝土材料自身的質(zhì)量嚴(yán)重的影響著混凝土的

11、性能,從材料方面對混凝土質(zhì)量進(jìn)行控制,是一個(gè)有效的防裂措施,具體如下: (1)減小混凝土的收縮?減小混凝土的收縮可以選用收縮值比較小的水泥,例如礦渣水泥>普通硅酸鹽水泥>粉煤灰水泥;采用水泥細(xì)度相對較大的水泥;采用較低的水灰比;降低砂率,選用質(zhì)量比較高的骨料及良好的粗骨料的級配:利用混凝土的后期強(qiáng)度,盡可能的選用強(qiáng)度等級比較低的混凝土;適當(dāng)?shù)倪x用外加劑和摻合料? (2)減小混凝土產(chǎn)生的水化熱?減小混凝土水化熱可以通過減少水泥用量,采用低水化熱水泥和標(biāo)號比較低的水泥? (3)選用質(zhì)量良好的外加劑,并且適當(dāng)、正確的使用?如采用膨脹劑配置的補(bǔ)償收縮混凝土可以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂能力? (4

12、)混凝土的抗拉性能比較差是由混凝土自身的組成決定的,所以首先要保證混凝土的質(zhì)量,讓混凝土充分的發(fā)展自身的強(qiáng)度:其次就是可以加入纖維來改善混凝土的受拉性能? 3.3 施工方面的措施 施工措施對混凝土的防裂是非常重要的?混凝土的澆注方案對混凝土的溫度應(yīng)力和溫度裂縫產(chǎn)生較大的影響;確定合理的施工方案,選擇合適的澆注時(shí)間(如避免高溫天氣),保證現(xiàn)場混凝土質(zhì)量,混凝土的澆注質(zhì)量,尤其是對新澆混凝土的養(yǎng)護(hù)是非常關(guān)鍵的?混凝土的養(yǎng)護(hù)直接影響著混凝土的早期收縮,混凝土的內(nèi)外溫度差以及混凝土的強(qiáng)度增長,總的說來,就是養(yǎng)護(hù)可以給混凝土營造一個(gè)有利于混凝土性能發(fā)揮的良好的外部環(huán)境?對于地下室的側(cè)墻養(yǎng)護(hù)相對比較困難,這需要采取一些措施給予解決? 參考文