超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力及控制對(duì)策

超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力及控制對(duì)策超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)是指伸縮縫間距大于規(guī)范限值的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。一項(xiàng)調(diào)查顯示：目前已建工程中出現(xiàn)的裂縫有80%左右是由化學(xué)收縮、干縮、溫度以及不均勻沉降等變形因素引起的非荷載裂縫，僅有20%的裂縫是直接由外荷載引起的，而在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中，由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫尤為普遍。一、何為溫度應(yīng)力混凝土的溫度應(yīng)力按成因可分為兩類：（1）自身應(yīng)力，主要是混凝土水化熱散發(fā)時(shí)內(nèi)外層變形不一致導(dǎo)致；（2）約束應(yīng)力，是指混凝土的熱脹冷縮受到外界約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力，本文主要討論后者。超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)底板和墻體的特點(diǎn)是厚度或高度H遠(yuǎn)小于長(zhǎng)、寬方向的尺寸L，當(dāng)L/H＞0.2時(shí)，板在溫度、干縮變形時(shí)，離開端部區(qū)域，全截面受拉應(yīng)力較均勻。在地基約束作用下，將出現(xiàn)水平法向應(yīng)力，是設(shè)計(jì)控制應(yīng)力，是引起垂直裂縫的主要應(yīng)力，出現(xiàn)在圖1所示的截面中點(diǎn)x=0處。圖1構(gòu)件的主要應(yīng)力圖法向最大應(yīng)力 的計(jì)算公式為：其中：E——混凝土彈性模量，MPa；H——板厚，mm；L——結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)度，mm；Cx——地基阻力系數(shù)，N/mm3；cosh——雙曲線余弦函數(shù)；α——混凝土線膨脹系數(shù)，為1.0e-5/℃；T——綜合溫差，T=T1+T2-T3T1——混凝土因水泥水化導(dǎo)致的升溫值；T2——混凝土干縮當(dāng)量溫差；T3——混凝土膨脹當(dāng)量溫差。觀察式（1）可以發(fā)現(xiàn)法向最大應(yīng)力 的大小與構(gòu)造和材料兩大因素有關(guān)，我們把他們記做構(gòu)造系數(shù)S和材料因子M， 。由式（2）可得：法向最大應(yīng)力與材料因子M呈線性關(guān)系，即與水化溫差T1、收縮T2、膨脹T3所構(gòu)成的綜合溫差、混凝土彈性模量、線膨脹系數(shù)成正比例關(guān)系，這些因素都屬于混凝土的材料性質(zhì)。由式（3）知道：構(gòu)造系數(shù)S是[0,1]之間的數(shù)，與結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)度L、長(zhǎng)高比L/H、地基阻力系數(shù)Cx等構(gòu)造因素有關(guān)。二、“放”的技術(shù)措施2展示了當(dāng)混凝土的彈性模量（E=30000MPa）和結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)高比一定（L/H=20）時(shí)，地基阻力系數(shù)、結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)度對(duì)構(gòu)造系數(shù)S的影響。圖2地基阻力系數(shù)、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與構(gòu)造系數(shù)的關(guān)系圖3展示了彈性模量和地基阻力系數(shù)一定時(shí)，結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)高比、長(zhǎng)度對(duì)構(gòu)造系數(shù)S的影響。圖3長(zhǎng)高比、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與構(gòu)造系數(shù)的關(guān)系從圖2看出，在長(zhǎng)高比相同的情況下，構(gòu)造系數(shù)S隨著地基阻力系減小而顯著減小，故可以通過(guò)減小地基約束的方法來(lái)釋放溫度應(yīng)力，工程上常見(jiàn)的做法是在底板防水層上滿鋪一層10~20mm厚的細(xì)砂作為滑動(dòng)層；對(duì)于局部嵌入地基部位，如下翻梁或集水坑，做法為在防水層和防水保護(hù)層間加設(shè)30~50mm厚瀝青木絲板或聚苯乙烯泡沫塑料，以消除嵌固作用，釋放約束應(yīng)力，如圖4所示。圖4緩沖層示意圖從圖3看出，在相同地基阻力系數(shù)條件下，隨著長(zhǎng)高比L/H增加，構(gòu)造系數(shù)S顯著增加。因此釋放約束應(yīng)力的另一思路是通過(guò)合理分縫設(shè)計(jì)，降低結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)高比，伸縮縫的應(yīng)用正是基于這一原理，規(guī)范（GB50010-2010）規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距如表1所示。表1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距（m）留設(shè)伸縮縫雖然能有效釋放溫度應(yīng)力，但也存在許多弊端：（1）由表1間距限值可知，對(duì)于建筑規(guī)模在數(shù)百米乃至上千米尺度的超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)，僅伸縮縫就達(dá)數(shù)十條，會(huì)給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)不便；（2）伸縮縫破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，削弱了抗震性能，地震時(shí)伸縮縫部位易發(fā)生碰撞破壞；（3）伸縮縫嵌填材料易老化失效，防火性能不好，增加了工程維護(hù)成本；（4）對(duì)于地下室結(jié)構(gòu)，伸縮縫部位的滲漏水現(xiàn)象是頑疾（圖5）。圖5伸縮縫滲漏水為了避免上述問(wèn)題，又要釋放溫度應(yīng)力，目前工程上常采取以下幾種措施：跳倉(cāng)法“跳倉(cāng)法”就是把超長(zhǎng)、超寬的混凝土結(jié)構(gòu)劃分成若干區(qū)段，采用間隔澆筑的一種施工方法。如圖6所示，按照“分塊規(guī)劃、隔塊施工、分層澆筑、整體成型”的原則，如同跳棋一樣，隔一段澆一段，相鄰兩段間隔時(shí)間一般不少于7天，以有效釋放混凝土在硬化初期劇烈的溫度和干燥收縮應(yīng)力。圖6跳倉(cāng)法“品”狀順序施工跳倉(cāng)法的施工組織形式多種多樣，最為常見(jiàn)的是采用“品”狀跳倉(cāng)澆筑，間隔7天后，再按倒“品”狀進(jìn)行填倉(cāng)，除此之外，還有緊湊型跳倉(cāng)以及組合型跳倉(cāng)等。圖7國(guó)內(nèi)部分跳倉(cāng)法成功應(yīng)用案例誘導(dǎo)縫誘導(dǎo)縫是為了控制混凝土開裂的位置，人為地造成薄弱連接面，或人為削弱某一塊的構(gòu)件截面，工藝構(gòu)造如圖8所示。通過(guò)留置誘導(dǎo)縫，當(dāng)構(gòu)件的收縮應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件在設(shè)定位置有序開裂，開裂后構(gòu)件的長(zhǎng)高比L/H減小，釋放了收縮應(yīng)力，從而防止在其他部位繼續(xù)發(fā)生無(wú)序的開裂。誘導(dǎo)縫通常有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法：（1）減少鋼筋約束，通常在誘導(dǎo)部位可減少30~50%的縱向配筋；（2）埋設(shè)裂縫誘導(dǎo)物，如圖8所示，在表面做出溝槽并用防水材料嵌填密封，以達(dá)到削弱截面的目的；（3）當(dāng)在施工縫位置做誘導(dǎo)縫時(shí)，新老混凝土面不需要進(jìn)行鑿毛處理，以造成薄弱連接面。從防水施工角度分析，誘導(dǎo)縫處的混凝土可以連續(xù)澆筑，而伸縮縫處則必須支設(shè)模板，中止?jié)仓?，待混凝土硬化后，拆除模板，方可繼續(xù)施工。圖8誘導(dǎo)縫工藝構(gòu)造III后澆帶（伸縮）后澆帶是指為適應(yīng)環(huán)境溫度變化、混凝土收縮等因素影響，在梁、板（包括基礎(chǔ)底板）、墻等結(jié)構(gòu)中預(yù)留的具有一定寬度且經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后再澆筑的貫通混凝土帶，如圖9所示。與傳統(tǒng)伸縮縫不同，后澆帶是只存在于施工階段的臨時(shí)性伸縮縫，避免了永久留縫所導(dǎo)致的滲漏水等問(wèn)題。后澆帶的留設(shè)間距可取與伸縮縫相同，封閉時(shí)間一般需根據(jù)兩側(cè)混凝土的收縮完成情況結(jié)合施工作業(yè)要求確定（一般不少于14d），大體積混凝土需待兩側(cè)混凝土中心溫度降至環(huán)境溫度時(shí)再澆筑。圖9后澆帶及其防水構(gòu)造以上幾種措施的本質(zhì)都是通過(guò)合理的構(gòu)造形式，降低構(gòu)造系數(shù)S的數(shù)值，可以有效釋放結(jié)構(gòu)承受的約束應(yīng)力，可以說(shuō)構(gòu)造系數(shù)S表征的“放”的技術(shù)路線。三、“抗”的技術(shù)措施回到公式（2），在混凝土強(qiáng)度等級(jí)確定的情況下，彈性模量E和線膨脹系數(shù)α很難發(fā)生本質(zhì)變化，因此降低材料因子的主要手段便是降低綜合溫差，即降低水泥水化升溫值T1、干縮當(dāng)量溫差T2以及引入膨脹當(dāng)量溫差T3。通過(guò)合理地調(diào)配膠凝材料體系可以有效降低水泥水化升溫以及混凝土干燥收縮，這里不做詳述，有興趣的讀者可以閱讀文獻(xiàn)[7-9]，本篇主要介紹膨脹混凝土的概念和原理。大量工程實(shí)踐表明，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的墻、板類構(gòu)件的裂縫發(fā)展是有規(guī)律的，當(dāng)降溫和收縮時(shí)，基礎(chǔ)與地基的接觸面上出現(xiàn)剪應(yīng)力，基礎(chǔ)底板中產(chǎn)生水平拉應(yīng)力，如圖10a）所示；當(dāng)最大拉應(yīng)力 （混凝土極限抗拉強(qiáng)度）時(shí)，出現(xiàn)第一次開裂并引起應(yīng)力重分布，其圖形與開裂前相似，但應(yīng)力峰值由于構(gòu)件長(zhǎng)度減少了一半而減小，如圖10b）所示；若此時(shí)仍有

，則繼續(xù)開裂，出現(xiàn)第二批裂縫并導(dǎo)致應(yīng)力重分布，如圖10c）所示，若此時(shí)

小于，則開裂穩(wěn)定下來(lái)，否則繼續(xù)以上述規(guī)律發(fā)展。圖10結(jié)構(gòu)開裂的有序性如果可以在裂縫位置施加一定的壓應(yīng)力使 ，即可控制這種有序開裂。膨脹混凝土可以實(shí)現(xiàn)這一功能，膨脹劑可使混凝土在硬化過(guò)程中產(chǎn)生膨脹作用，在鋼筋的鄰位約束下，鋼筋受拉，而混凝土受壓，當(dāng)鋼筋拉應(yīng)力與混凝土壓應(yīng)力平衡時(shí)，則：由式（5）可見(jiàn)，預(yù)壓應(yīng)力與限制膨脹率呈正相關(guān)，而隨膨脹劑摻量的增加而增加，因此在實(shí)踐中可以通過(guò)調(diào)整膨脹劑的摻量來(lái)使混凝土獲得不同程度的預(yù)壓應(yīng)力。根據(jù)水平法向力力的分布，在峰值位置給予較大的而在兩側(cè)給予較小的，如圖11所示，全面地補(bǔ)償混凝土的收縮應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)有序裂縫的控制。圖11膨脹應(yīng)力補(bǔ)償收縮應(yīng)力示意圖由此從理論上引入“膨脹加強(qiáng)帶”的概念：膨脹加強(qiáng)帶是為了控制超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)收縮開裂而設(shè)置的混凝土帶，其作用是以較大的膨脹（預(yù)壓）應(yīng)力補(bǔ)償混凝土構(gòu)件因溫差、干縮導(dǎo)致的應(yīng)力集中部位，在2~3m寬度范圍內(nèi)采用大膨脹混凝土澆筑，并設(shè)置附加鋼筋以增強(qiáng)對(duì)混凝土的約束能力。膨脹加強(qiáng)帶的作用是補(bǔ)償混凝土的自身收縮，因此膨脹混凝土又被稱為補(bǔ)償收縮混凝土通過(guò)使用補(bǔ)償收縮混凝土，引入膨脹當(dāng)量溫差，降低材料因子S，表征了“抗”的技術(shù)路線。四、抗放兼?zhèn)洌钥篂橹饔墒剑?）可知，通過(guò)設(shè)定0.02%~0.05%的混凝土限制膨脹率，在配筋率0.2%~0.8%條件下，可在結(jié)構(gòu)中建立0.2~0.7MPa的預(yù)壓應(yīng)力，可以大致抵消混凝土因溫度和干縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力。結(jié)合后澆帶的使用，“防、抗結(jié)合，以抗為主”，如圖12所示，先采用小膨脹混凝土澆筑后澆帶兩側(cè)，待溫度和干縮變形得到有效釋放后，改用強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)的大膨脹混凝土澆筑后澆帶部分，如此可實(shí)現(xiàn)500m結(jié)構(gòu)不留設(shè)永久性伸縮縫。圖12補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)