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摘要：本文通过控制补偿收缩混凝土的限制膨胀率补偿干缩,避免干缩裂缝;通过温差应力计算,确保使用过程中混凝土温差应力不超过抗拉强度,实现超长混凝土结构的无缝设计。
关键词：超长结构；膨胀混凝土；无缝设计；温度应力；加强带
1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，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，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:
σcAc=σsAs=Esε2As(假设无相对滑移)(1)
令ρ=Ac/As则σc=ρEcε2(2)
其中:σc———混凝土预压应力(MPa);
Ac———混凝土截面积(mm2);
σs———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σc与截面配筋率ρ、钢筋的弹性模量ES及补偿收缩混凝土的限制膨胀率ε2有关。限制膨胀率ε2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。
2温度应力计算
2.1混凝土的水化热温升
混凝土水化热温升按下式计算
T1=βWQ/Cγ（3）
式中:T1为混凝土的水化热温升/℃;β为结构散热影响系数,多维散热(墙板、楼板、梁)取0.3,一维散热(底板)取0.5~0.6;W为混凝土的水泥用量/kg/m3;Q为水泥28d龄期的水化热,取决于水泥标号,425~525号普通硅酸盐水泥,取340~380kJ/kg,425~525号矿渣水泥,取250~290kJ/kg,UEA膨胀剂240~250kJ/kg;C为混凝土比热,取0.96kJ/(kg•℃);γ为混凝土体积密度,取2400kg/m3。
根据式(3)计算,多维散热时,普通硅酸盐水泥混凝土的水化热温升约为16℃~19℃。
2.2温度作用下单层排架结构的柱顶位移
受温度作用,单层排架结构的柱顶位移为:
Δc=α(T1+T2)τ（4）
式中:Δc为柱顶侧位移/mm;α为混凝土线膨胀系数,取1.0×10-5/℃;T22为环境平均温差/℃;τ为纵向构件的间距长度,计算框架、排架平面外的纵梁时取柱距/mm。
2.3单层排架结构的柱顶位移产生的温度内力
柱顶位移产生的轴力为：
N=KcΔc(5)
Kc=3EcJ/H3c(6)
式中,N为温差造成的柱顶推力/N,Kc为柱的侧向抗推刚度/N/mm,Ec为混凝土的弹性模量/N/mm2,J为柱的截面惯性矩/mm4,Hc为柱的计算长度/mm。
根据式(5)求得的温度内力,可以调整纵梁因此而需增加的纵向钢筋。同时纵梁的伸缩产生的推力作用于柱顶,还会在柱中产生附加剪力和弯矩,也应适当加强柱的配筋。
3采用膨胀剂补偿混凝土收缩
3.1膨胀混凝土的自压应力计算
混凝土的微膨胀受到钢筋的约束,造成钢筋受拉伸而混凝土受压。由两者平衡可以计算混凝土的自压应力:
σc=AsEsεs/Ac(7)
式中:σc为混凝土的自压应力/N/mm2;
Ac为混凝土截面积/mm2;
As为钢筋截面积/mm2;
Es为钢筋弹性模量,取2.0×105N/mm2;
εs为钢筋的伸长率,即混凝土的限制膨胀率/%。
3.2膨胀混凝土无缝设计
⑴结构长度≥70m(净化厂房)~90m(一般厂房)时,在中部(梁板应力集中处或梁板跨中)设置宽度为2000mm的膨胀带。带内UEA掺量为14%~15%(膨胀率约为4×10-4~6×10-4),带外UEA掺量为8%~12%(膨胀率约为2×10-4~3×10-4),等量取代水泥,对裂缝有严格要求时,取上限。
带内钢筋贯通并配置加强筋,加强筋面积为受力主筋的1/2,混凝土强度提高一级。施工时混凝土浇筑顺序为:由两侧向膨胀带推进,最后连续浇筑膨胀带。
⑵结构长度≤70m(净化厂房)~90m(一般厂房)时,设置后浇带解决施工中的温度应力问题。后浇带间距30~40m,宽度800~1000mm。钢筋贯通并配置加强筋,加强筋面积为受力主筋的1/2。混凝土强度提高一级,宜采用膨胀混凝土以补偿收缩。后浇带宜设置在梁跨1/3处。当需要连续浇筑混凝土时,也可以用膨胀带代替后浇带。
⑶结构面积很大,一次性连续浇筑有困难时,可采用间歇式无缝施工法(跳仓法)。
⑷以膨胀加强带取代后浇带:膨胀加强带设在后浇带的位置,带宽800~1000mm,养护14d后再浇筑后浇带。
在膨胀加强带内采用自应力为0.5~1.0N/mm2的膨胀混凝土(内掺UEA14%~15%,等量取代水泥),钢筋贯通并配置加强筋,加强筋的面积为受力主筋的1/2,混凝土强度提高一级。
4配置补偿收缩的构造钢筋
根据膨胀混凝土与纵向纲筋的应力关系,由式(8)可得温度构造钢筋计算公式如下:
式中:σc为膨胀混凝土的自压应力/N/mm2,对净化厂房取0.5~0.7,一般厂房取0.2~0.4;εs为钢筋的伸长率,正常环境条件下取为α(T1+T2)。
由式(8)求得的钢筋面积即为补偿收缩混凝土构件因温度变化而增加的构造钢筋。
5有效的构造措施
5.1适当加强纵向梁或墙的纵向通长钢筋
纵向框架梁上部通长钢筋不小于支座或跨中钢筋面积的1/4,一般采用2~4根与负弯矩钢筋等直径的钢筋;侧向构造钢筋直径不小于φ16;墙体水平纵向钢筋最小配筋率不小于0.4%或φ12@150。
5.2适当加强楼板、屋面板的纵向通长钢筋楼板、屋面板纵向钢筋最小配筋率一般不小于0.3%或不小于φz7@150(冷轧带肋钢筋),双层配置,温度变化较大时适当增加。
6在结构中设置控制缝(引导缝)
在混凝土墙体(包括女儿墙)及楼盖的模板上设置凸条(或插片),造成截面凹槽(或预留缝)的薄弱部位,用以引导混凝土收缩裂缝有序出现,从而避免了相邻区域的随意开裂。控制缝(引导缝)的间距不大于12m,一般设在柱或墙处(图1)。
钢筋贯通,基本不影响结构性能。应预先作好止水、防渗处理,并以建筑装饰手法加以遮盖。如某地下室,长度320m,未设缝,也未加膨胀带,只设后浇带,并采用徐有邻教授建议的每隔10m设一道控制缝,并在墙上控制缝处钢筋的保护层内设φ6@150钢筋网片,取得了很好的效果。
图1混凝土结构中的控制缝(引导缝)
7实例分析
7.1工程概况
某单层厂房排架结构(超长混凝土结构),长L=120m,柱高H=10m,柱距ι=7.5m,钢筋混凝土柱,截面600mm×600mm,混凝土强度等级C30,柱顶设通长纵向混凝土梁,截面300mm×600mm,求温差产生的柱顶位移和纵向梁的温度内力以及柱顶侧向推力。
柱截面惯性矩:J=600×6003/12=10.8×109mm4;混凝土弹性模量:Ec=3.0×104N/mm2;柱侧向抗推刚度:Kc=3×3.0×104×10.8×109/100003=972N/mm2;取水化热温升:T1=18℃;当地气温平均温差:T2=20℃;总的温差:T1+T2=38℃。
由上述参数可得单柱柱顶侧位移:
Δc=1.0×10-5×38×7500=2.85mm
单柱顶部侧向推力及纵梁轴力:
N=972×2.85=2.77kN
由此累积的各柱顶位移、柱顶侧向推力及纵梁轴向压力如图2所示。
图2温度变化引起的位移/mm及内力分布/kN
7.2某超长混凝土结构,长L=216m,宽B=108m,三层,层高5.2m+5.2m+9.3m,层1,2柱网尺寸为7.2m×7.2m,三层柱距7.2m,跨度39.6m,采用钢筋混凝土框架结构,屋顶采用梯形钢屋架。无缝设计的主要措施有:
7.2.1设置后浇加强带
工程在层2,3超长混凝土楼面的纵向设置了4条缝,间距43.2m,横向在中间设置了1条缝,把整个楼面分成10个单元,每个单元两个方向的长度都控制在55m以内。
后浇加强带设在后浇带的位置,带宽1000mm,在膨胀加强带内采用膨胀混凝土(内掺UEA14%~15%,等量取代水泥),钢筋贯通并配置加强筋,加强筋面积为受力主筋的1/2,混凝土土强度提高一级,养护28d后再浇筑后浇带。
此外,为了钢屋架的安装需要,还留出了一部分后施工区域,经过半年后才浇筑,减少了施工期间的温度应力。
7.2.2加密次梁间距
加强梁内的纵向通长钢筋(为满足防微振设计要求,故梁的截面尺寸较大)。层2每隔7.2m设300mm×800mm的纵横向框架梁,上下各配置4φ25通长钢筋;沿纵向布置300mm×800mm次梁,间距2.4m,上下各配置2φ25通长钢筋。
层3(华夫板)每隔7.2m设300mm×(700~1150)mm纵横向框架梁,上下各配置4φ25通长钢筋;沿纵横向布置300mm×700mm井字形次梁,间距1.2m,上下各配置325通长钢筋。
通长钢筋计算:钢筋伸长率εs=α(T1+T2)=1.0×10-5×38=3.8×10-4;取混凝土的自压应力σc=0.5N/mm2;梁中纵向钢筋面积:Ab=300×800×0.5/(2.0×105×3.8×10-4)=1578.9mm2。
8结语
综上所述，从理论上可知，在超长混凝土结构中充分利用补偿收缩混凝土的补偿性能，能做到较长范围内的无缝设计和施工，但由于建筑工程的特性所决定，受外界的影响较大，不可能做到无限长的无缝设计和施工。
参考文献
[1]GB50010—2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]黄以庄,黄华敬等.超长混凝土结构无缝设计[J].建筑结构,2010(6).