超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計分析及工程實踐

1、<p>　　超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計分析及工程實踐</p><p>　　摘要: 我國現(xiàn)代建筑正朝著多功能、體型復(fù)雜、尺度不斷增大的方向發(fā)展，超長建筑物常有出現(xiàn)，為了減少溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響。本文筆者結(jié)合工程設(shè)計實踐，通過溫差應(yīng)力計算，采用混凝土膨脹加強帶作為控制超長結(jié)構(gòu)的溫度收縮應(yīng)力，成功地實現(xiàn)了超長混凝土結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計，從而有效解決超長混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題。 </p><p>　

2、　關(guān)鍵詞: 超長混凝土結(jié)構(gòu)；無縫設(shè)計；混凝土收縮；溫度應(yīng)力計算；膨脹加強帶 </p><p>　　Abstract: China is moving toward multi-function modern architecture and shape, scale increasing complex development direction, super long buildings often appea

3、r, 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 stren

4、gthening belt super-length structure as control temperature shrinking stress, successfully realized the seamless overlong</p><p>　　Keywords: overlong concrete structure; Seamless design; Shrinkage of concret

5、e; Temperature stress calculation; Expansion strengthening belt </p><p>　　中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　1前言 </b></p><p>　　隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程不斷加快，現(xiàn)代建筑正朝著多功能、體型復(fù)雜、

6、尺度不斷增大的方向發(fā)展，由于功能上的需要，尤其是超長建筑要求不設(shè)伸縮縫，若按傳統(tǒng)的設(shè)計方法，必然需要設(shè)置多條甚至數(shù)十條后澆帶或伸縮縫以防止結(jié)構(gòu)收縮開裂。如此多的后澆帶或伸縮縫無疑會給設(shè)計和施工帶來很大麻煩，對鋼筋混凝土超長結(jié)構(gòu)的溫度變形、材料的收縮變形及其效應(yīng)若在結(jié)構(gòu)設(shè)計中處理不當，將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，嚴重者將影響結(jié)構(gòu)的正常使用。因此超長混凝土結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計已成為工程中必須解決的重要課題。 </p><p>　　2

7、無縫設(shè)計的技術(shù)原理 </p><p>　　混凝土受到各種因素的影響，都會產(chǎn)生收縮，但在收縮與膨脹的過程中受到鋼筋和外約束作用，使收縮受到限制，在內(nèi)部產(chǎn)生“內(nèi)聚力”和外界的“限制力”等間接應(yīng)力，造成混凝土開裂。無縫設(shè)計就是充分利用補償混凝土的化學(xué)補償能力，并將其轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的預(yù)壓應(yīng)力，以抵消混凝土內(nèi)的間接應(yīng)力，從而防止或減少混凝土收縮開裂，連續(xù)澆筑大尺度混凝土結(jié)構(gòu)的一種新技術(shù)。 </p><p&g

8、t;　　研究表明，在鋼筋和外約束下補償混凝土在硬化過程中膨脹作功，使鋼筋受拉，而混凝土受壓。當鋼筋拉力和混凝土壓力平衡時則有: </p><p>　　(假設(shè)無相對滑移)(1) </p><p><b>　　令 則(2) </b></p><p>　　其中:――混凝土預(yù)壓應(yīng)力(MPa)； </p><p>　　Ac――混凝

9、土截面積(mm2)； </p><p>　　――鋼筋拉應(yīng)力(MPa)； </p><p>　　As――鋼筋截面積(mm2)； </p><p>　　Es――鋼筋彈性模量。 </p><p>　　公式(2)表明補償收縮混凝土的預(yù)壓應(yīng)力與截面配筋率、鋼筋的彈性模量ES及補償收縮混凝土的限制膨脹率有關(guān)。限制膨脹率隨膨脹劑摻量增加而增加，所以可以通過

10、調(diào)整膨脹劑的摻量來獲得不同的預(yù)壓應(yīng)力。 </p><p>　　因此，要有效控制超長混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，需在一定的間距范圍內(nèi)削弱溫度等間接應(yīng)力的作用。根據(jù)參考文獻，當結(jié)構(gòu)長度大于55m 時，結(jié)構(gòu)用混凝土就應(yīng)用補償混凝土或在結(jié)構(gòu)間接應(yīng)力較大的位置設(shè)置膨脹加強帶，由于膨脹帶摻入了大量的膨脹劑，產(chǎn)生較大的膨脹率，而兩側(cè)混凝土膨脹較小，形成中間大兩端小的膨脹補償區(qū)。 </p><p>　　3超長混凝土

11、結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計的技術(shù)措施 </p><p>　　超長混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫降和收縮的產(chǎn)生，溫度收縮應(yīng)力從結(jié)構(gòu)的兩端向中間逐漸增大，結(jié)構(gòu)的中間部位收縮應(yīng)力最大，當最大溫度收縮應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，混凝土結(jié)構(gòu)就從中部開裂，形成貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫，影響結(jié)構(gòu)的抗震性能及防水質(zhì)量。為了既防止超長混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，又不顯著增加材料費用，除了采用補償混凝土技術(shù)外，還可以在混凝土結(jié)構(gòu)的適當部位提高膨脹劑的摻量，形成一個較兩側(cè)膨脹量更大的

12、混凝土膨脹加強帶。 </p><p>　　圖1混凝土膨脹加強帶模型示意圖 </p><p>　　從圖1可知，超長混凝土結(jié)構(gòu)使用普通混凝土的溫度收縮曲線為ABCDE，其應(yīng)力從兩端向中部增大到B、D兩點時，即≥ftk(混凝土立方體強度抗拉標準值)，開始發(fā)生開裂，釋放能量；當超長混凝土結(jié)構(gòu)采用小摻量膨脹劑的補償收縮混凝土?xí)r，能夠抵消部分溫度收縮應(yīng)力，其溫度收縮應(yīng)力曲線為AFGHE，其應(yīng)力仍從兩端

13、向中部隨結(jié)構(gòu)長度的延伸而增加，達到F、H兩點時開始開裂。可見，小摻量膨脹劑的補償收縮混凝土達到結(jié)構(gòu)開裂時的結(jié)構(gòu)長度較普通混凝土延長，起到一定的補償作用。當大面積采用小摻量膨脹劑的補償收縮混凝土、并在適當部位F、H處局部加大膨脹劑摻量形成膨脹加強帶時，對混凝土結(jié)構(gòu)進行疊加式重復(fù)補償，其溫度收縮應(yīng)力曲線為AIJKE。當小摻量補償收縮混凝土的溫度收縮應(yīng)力從兩邊向中間逐漸增長到F、H處，兩點的拉應(yīng)力達到混凝土的抗拉強度，如果應(yīng)力繼續(xù)增長混凝土結(jié)

14、構(gòu)就會發(fā)生開裂，為避免開裂，必須在F、H處設(shè)置膨脹加強帶，由于在加強帶增大膨脹劑摻量，加強帶部位儲存了較大預(yù)壓應(yīng)力對其進行補償，使其應(yīng)力分別降低至I、K，溫度收縮應(yīng)力從I、K兩點開始重新增長。區(qū)間I、K應(yīng)力隨長度增加而增加，到達中點J處應(yīng)力達到最大值，此時≤ｆtk</p><p>　　4工程實例設(shè)計分析 </p><p>　　本地區(qū)某7層辦公用房，平面尺寸為90×22.5m，柱網(wǎng)

15、尺寸為7.5m×7.5m，框架柱截面b×h=600mm×600mm，框架梁截面b×h=300mm×550mm，層高H = 4.8m， 150mm厚現(xiàn)澆混凝土板，梁板柱混凝土強度等級均為C30，因使用功能和建筑需要，要求采用無縫設(shè)計。C30補償混凝土配合比，見表1。 </p><p>　　表1 C30補償混凝土配合比(?) </p><p>

16、<b>　　4.1 設(shè)計方案 </b></p><p>　　結(jié)構(gòu)長度達到90m，遠遠超出了規(guī)范規(guī)定的55m，應(yīng)設(shè)溫度縫或后澆帶，但由于功能和建筑需要，要求采用無縫設(shè)計；寬度未超過規(guī)范規(guī)定長度。因此在水平構(gòu)件混凝土選擇補償收縮混凝土，并在長度方向的合適位置設(shè)置膨脹加強帶。混凝土采用42.5普通硅酸鹽水泥，摻12%UEA，加強帶處摻15%UEA，梁板平均配筋率，澆筑混凝土?xí)r溫度為20℃。 <

17、;/p><p><b>　　4.2溫度計算 </b></p><p>　　混凝土在澆筑完成后，由于水化熱的作用，在內(nèi)部產(chǎn)生一個較大的溫升過程， </p><p>　　考慮到超長結(jié)構(gòu)肋梁樓蓋厚度較小，但屬薄板結(jié)構(gòu)，溫度散熱較快，混凝土結(jié)構(gòu)單面散熱時的虛厚度h＇= </p><p>　　混凝土結(jié)構(gòu)的計算厚度H(m)，雙面散熱按下

18、式計算: </p><p>　　板: H = h + 2h＇= 0.15 + 2×0.802 =1.754m </p><p>　　梁: H = h + 2h＇= 0.55 + 2×0.802 = 2.154m </p><p>　　齡期t時，混凝土中心溫度與外界氣溫之差△T(t) : </p><p>　　T(t) =

19、Tmax(t)－Tα=25 + ξ(1－e－0.9t)－20= 5+ξ(1－e－0.9t) </p><p>　　混凝土的表面溫度: </p><p><b>　　板：梁： </b></p><p>　　從上述兩式可以看出表面與澆筑溫度基本相同，假設(shè)混凝土構(gòu)件內(nèi)部沿高度呈線性分布，則齡期t 時，構(gòu)件溫度為: T (T中心+T表面)= 25 +

20、24.2ξ(1－e－0.9t) </p><p>　　由混凝土的收縮公式: </p><p>　　εy(t) = 3.24×10－4 ×1.21×1.25(1－e－0.02t)= 4.9×10－4(1－e－0.02t) </p><p><b>　　則收縮溫差當量: </b></p><

21、;p>　　由表2 可知，在第30天時，綜合溫差達到最大值為－15.2℃。 </p><p>　　表2各齡期混凝土構(gòu)件綜合溫差值 </p><p>　　4.3 限制膨脹率測定 </p><p>　　筆者曾在該工程開工前，會同施工單位和商品混凝土供應(yīng)商對膨脹加強帶的作用在實驗室進行模擬實驗，即采用100 mm×100 mm×300mm 的限制架

22、，中間三分之一裝入膨脹加強帶混凝土，兩邊各三分之一裝入普通膨脹混凝土，試驗結(jié)果如表3所示，從表3可見，普通膨脹混凝土(內(nèi)摻UEA12%)的14d水中限制膨脹率為2.3×10－4，而膨脹加強帶混凝土(內(nèi)摻UEA15%)限制膨脹率為3.6×10－4，明顯高于普通膨脹混凝土。二者復(fù)合后限制膨脹率達到3.0×10－4，證明膨脹加強帶混凝土對兩側(cè)混凝土有補償收縮作用，使總體膨脹率由2.3×10－4提高到3.

23、0×10－4，使混凝土溫度收縮應(yīng)力減小，防止超長混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。 </p><p>　　表3膨脹加強帶混凝土的試驗結(jié)果 </p><p><b>　　4.4 應(yīng)力計算 </b></p><p>　　由公式算距結(jié)構(gòu)中點x=0m，x=20m，x=40m處的應(yīng)力，見表4。 </p><p>　　表4早期施工及硬化階

24、段溫度應(yīng)力計算結(jié)果表(MPa) </p><p>　　顯然，間接應(yīng)力均未達到混凝土的抗拉強度標準值，混凝土未發(fā)生開裂；因此，采用混凝土膨脹加強帶作為控制超長結(jié)構(gòu)的溫度收縮應(yīng)力，減少或避免混凝土開裂是有效的。 </p><p><b>　　5結(jié)束語 </b></p><p>　　綜上所述，基于筆者大量的工程設(shè)計實踐，通過對超長混凝土結(jié)構(gòu)進行溫度應(yīng)

25、力計算，采用膨脹劑補償混凝土收縮并形成自壓應(yīng)力，以膨脹帶取代后澆帶，并采取有效的配筋構(gòu)造措施，同時配合以嚴格的施工技術(shù)管理，成功地實現(xiàn)了超長混凝土結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計，取得了良好社會效益和經(jīng)濟效益。 </p><p><b>　　參考文獻: </b></p><p>　　[1] 張子明，宋智通.混凝土絕熱溫升和熱傳導(dǎo)方程的新理論[J].河海大學(xué)學(xué)報，1993． </p