1、1超长混凝土结构无缝设计分析及工程实践摘要: 我国现代建筑正朝着多功能、体型复杂、尺度不断增大的方向发展，超长建筑物常有出现，为了减少温度变化对结构的影响。本文笔者结合工程设计实践，通过温差应力计算，采用混凝土膨胀加强带作为控制超长结构的温度收缩应力，成功地实现了超长混凝土结构的无缝设计，从而有效解决超长混凝土结构的裂缝问题。 关键词: 超长混凝土结构；无缝设计；混凝土收缩；温度应力计算；膨胀加强带 Abstract: China is moving toward multi-function modern architecture and shape, scale increasing co
2、mplex development direction, super long buildings often appear, in order to reduce the influence of the temperature changes of structure. In this paper the author according to the engineering design practice, through the temperature stress calculation, the concrete expansion strengthening belt super
3、-length structure as control temperature shrinking stress, successfully realized the seamless overlong concrete structure design, so as to effectively solve the problem of cracks of overlong concrete structure. Keywords: overlong concrete structure; Seamless design; 2Shrinkage of concrete; Temperatu
4、re stress calculation; Expansion strengthening belt 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 1 前言 随着我国社会经济的飞速发展和城市化进程不断加快，现代建筑正朝着多功能、体型复杂、尺度不断增大的方向发展，由于功能上的需要，尤其是超长建筑要求不设伸缩缝，若按传统的设计方法，必然需要设置多条甚至数十条后浇带或伸缩缝以防止结构收缩开裂。如此多的后浇带或伸缩缝无疑会给设计和施工带来很大麻烦，对钢筋混凝土超长结构的温度变形、材料的收缩变形及其效应若在结构设计中处理不当，将使结构产生裂缝，严重者将影响结构的正常使用。因此超长混凝土结构的无缝设
5、计已成为工程中必须解决的重要课题。 2 无缝设计的技术原理 混凝土受到各种因素的影响，都会产生收缩，但在收缩与膨胀的过程中受到钢筋和外约束作用，使收缩受到限制，在内部产生“内聚力”和外界的“限制力”等间接应力，造成混凝土开裂。无缝设计就是充分利用补偿混凝土的化学补偿能力，并将其转化为构件的预压应力，以抵消混凝土内的间接应力，从而防止或减少混凝土收缩开裂，连续浇筑大尺度混凝土结构的一种新技术。 研究表明，在钢筋和外约束下补偿混凝土在硬化过程中膨胀作功，3使钢筋受拉，而混凝土受压。当钢筋拉力和混凝土压力平衡时则有: (假设无相对滑移)(1) 令 则(2) 其中:混凝土预压应力(MPa)； Ac混凝
6、土截面积(mm2)； 钢筋拉应力(MPa)； As钢筋截面积(mm2)； Es钢筋弹性模量。 公式(2)表明补偿收缩混凝土的预压应力与截面配筋率、钢筋的弹性模量 ES 及补偿收缩混凝土的限制膨胀率有关。限制膨胀率随膨胀剂掺量增加而增加，所以可以通过调整膨胀剂的掺量来获得不同的预压应力。 因此，要有效控制超长混凝土结构的裂缝，需在一定的间距范围内削弱温度等间接应力的作用。根据参考文献，当结构长度大于 55m 时，结构用混凝土就应用补偿混凝土或在结构间接应力较大的位置设置膨胀加强带，由于膨胀带掺入了大量的膨胀剂，产生较大的膨胀率，而两侧混凝土膨胀较小，形成中间大两端小的膨胀补偿区。 3 超长混凝土
7、结构无缝设计的技术措施 超长混凝土结构随着温降和收缩的产生，温度收缩应力从结构的两端向中间逐渐增大，结构的中间部位收缩应力最大，当最大温度收缩应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土结构就从中部开裂，形成贯穿性结构裂缝，影响结构的抗震性能及防水质量。为了既防止超长混凝土结构的开裂，又不显著增加材料费用，除了采用补偿混凝土技术外，还可以在4混凝土结构的适当部位提高膨胀剂的掺量，形成一个较两侧膨胀量更大的混凝土膨胀加强带。 图 1 混凝土膨胀加强带模型示意图 从图 1 可知，超长混凝土结构使用普通混凝土的温度收缩曲线为ABCDE，其应力从两端向中部增大到 B、D 两点时，即ftk(混凝土立方体强度抗拉标准
8、值)，开始发生开裂，释放能量；当超长混凝土结构采用小掺量膨胀剂的补偿收缩混凝土时，能够抵消部分温度收缩应力，其温度收缩应力曲线为 AFGHE，其应力仍从两端向中部随结构长度的延伸而增加，达到 F、H 两点时开始开裂。可见，小掺量膨胀剂的补偿收缩混凝土达到结构开裂时的结构长度较普通混凝土延长，起到一定的补偿作用。当大面积采用小掺量膨胀剂的补偿收缩混凝土、并在适当部位 F、H 处局部加大膨胀剂掺量形成膨胀加强带时，对混凝土结构进行叠加式重复补偿，其温度收缩应力曲线为 AIJKE。当小掺量补偿收缩混凝土的温度收缩应力从两边向中间逐渐增长到 F、H 处，两点的拉应力达到混凝土的抗拉强度，如果应力继续增
9、长混凝土结构就会发生开裂，为避免开裂，必须在 F、H 处设置膨胀加强带，由于在加强带增大膨胀剂掺量，加强带部位储存了较大预压应力对其进行补偿，使其应力分别降低至 I、K，温度收缩应力从 I、K 两点开始重新增长。区间 I、K 应力随长度增加而增加，到达中点 J 处应力达到最大值，此时tk，这就保证结构不会开裂。 4 工程实例设计分析 5本地区某 7 层办公用房，平面尺寸为 9022.5m，柱网尺寸为7.5m7.5m，框架柱截面 bh=600mm600mm，框架梁截面bh=300mm550mm，层高 H = 4.8m， 150mm 厚现浇混凝土板，梁板柱混凝土强度等级均为 C30，因使用功能和建
10、筑需要，要求采用无缝设计。C30 补偿混凝土配合比，见表 1。 表 1 C30 补偿混凝土配合比(?) 4.1 设计方案 结构长度达到 90m，远远超出了规范规定的 55m，应设温度缝或后浇带，但由于功能和建筑需要，要求采用无缝设计；宽度未超过规范规定长度。因此在水平构件混凝土选择补偿收缩混凝土，并在长度方向的合适位置设置膨胀加强带。混凝土采用 42.5 普通硅酸盐水泥，掺 12%UEA，加强带处掺 15%UEA，梁板平均配筋率，浇筑混凝土时温度为 20。 4.2 温度计算 混凝土在浇筑完成后，由于水化热的作用，在内部产生一个较大的温升过程， 考虑到超长结构肋梁楼盖厚度较小，但属薄板结构，温度
11、散热较快，混凝土结构单面散热时的虚厚度 h= 混凝土结构的计算厚度 H(m)，双面散热按下式计算: 6板: H = h + 2h= 0.15 + 20.802 =1.754m 梁: H = h + 2h= 0.55 + 20.802 = 2.154m 龄期 t 时，混凝土中心温度与外界气温之差T(t) : T(t) = Tmax(t)T=25 + (1e0.9t)20= 5+(1e0.9t) 混凝土的表面温度: 板：梁： 从上述两式可以看出表面与浇筑温度基本相同，假设混凝土构件内部沿高度呈线性分布，则龄期 t 时，构件温度为 : T (T 中心+T 表面)= 25 + 24.2(1e0.9t)
12、 由混凝土的收缩公式: y(t) = 3.24104 1.211.25(1e0.02t)= 4.9104(1e0.02t) 则收缩温差当量: 由表 2 可知，在第 30 天时，综合温差达到最大值为15.2。 表 2 各龄期混凝土构件综合温差值 4.3 限制膨胀率测定 笔者曾在该工程开工前，会同施工单位和商品混凝土供应商对膨胀加强带的作用在实验室进行模拟实验，即采用 100 mm100 mm300mm 的限制架，中间三分之一装入膨胀加强带混凝土，两边各三分之一装入7普通膨胀混凝土，试验结果如表 3 所示，从表 3 可见，普通膨胀混凝土(内掺 UEA12%)的 14d 水中限制膨胀率为 2.310
13、4，而膨胀加强带混凝土(内掺 UEA15%)限制膨胀率为 3.6104，明显高于普通膨胀混凝土。二者复合后限制膨胀率达到 3.0104，证明膨胀加强带混凝土对两侧混凝土有补偿收缩作用，使总体膨胀率由 2.3104 提高到3.0104，使混凝土温度收缩应力减小，防止超长混凝土结构的开裂。表 3 膨胀加强带混凝土的试验结果 4.4 应力计算 由公式算距结构中点 x=0m，x=20m，x=40m 处的应力，见表 4。 表 4 早期施工及硬化阶段温度应力计算结果表(MPa) 显然，间接应力均未达到混凝土的抗拉强度标准值，混凝土未发生开裂；因此，采用混凝土膨胀加强带作为控制超长结构的温度收缩应力，减少或
14、避免混凝土开裂是有效的。 5 结束语 综上所述，基于笔者大量的工程设计实践，通过对超长混凝土结构进行温度应力计算，采用膨胀剂补偿混凝土收缩并形成自压应力，以膨胀带取代后浇带，并采取有效的配筋构造措施，同时配合以严格的施工8技术管理，成功地实现了超长混凝土结构的无缝设计，取得了良好社会效益和经济效益。 参考文献: 1 张子明，宋智通.混凝土绝热温升和热传导方程的新理论J.河海大学学报，1993 2 GB500102002 混凝土结构设计规范S.北京:中国建筑工业出版社，2002. 3 RISN-TG0022006 补偿收缩混凝土应用技术导则S.北京:中国建筑工业出版社，2006. 4 王铁梦.工程结构裂缝控制M.北京:中国建筑工业出版社.
