張維秀范 鑫 張偉光 中石油東北煉化工程公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

張?jiān)?吉林建筑工程學(xué)院 吉林 132002

王 巖 中石油東北煉化公司金屬結(jié)構(gòu)分公司 吉林 132002

超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)實(shí)踐

張維秀＊范 鑫 張偉光 中石油東北煉化工程公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

張?jiān)?吉林建筑工程學(xué)院 吉林 132002

王 巖 中石油東北煉化公司金屬結(jié)構(gòu)分公司 吉林 132002

通過分段澆筑補(bǔ)償收縮混凝土抵抗干縮變形,同時(shí)通過溫差應(yīng)力計(jì)算,確保使用過程中混凝土溫差應(yīng)力不超過抗拉強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)超長混凝土結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計(jì)。

超長 鋼筋混凝土 結(jié)構(gòu) 無縫設(shè)計(jì)

超長地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于民用建筑中,如地下停車場、地下商店、水池等類建筑。其共同特點(diǎn)是:有防水要求,一般都有較大的安全度,不存在承載力問題,關(guān)鍵是解決好干縮和溫差裂縫。按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,混凝土伸縮縫最大間距,室內(nèi)或土基為 30m,露天為 20m。按《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》和《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,混凝土伸縮縫最大間距,巖基露天為15m,巖基地下或有保溫為 20m,土基露天為20m,土基地下或有保溫為 30m。實(shí)際工程中如按這些規(guī)定將要設(shè)很多縫,帶來結(jié)構(gòu)受力不合理、底板布置和防水防滲困難、延長施工工期等一系列難題,并增加投資,因此越來越多的工程趨向于整體化不設(shè)縫。

然而,許多超長結(jié)構(gòu)由于未采取有效的設(shè)計(jì)、施工措施而導(dǎo)致開裂,因此如何采取有效的措施,避免干縮裂縫和溫差裂縫已成為超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)中必須解決的重要課題。

1 工程概況

某工程由地上 9棟 33層 (高 100m)的高級(jí)住宅群、商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)以及地下車庫構(gòu)成,整個(gè)工程建筑面積 4.2×105m2,為特大型一級(jí)一類建筑工程。平、立面布置、水文地質(zhì)復(fù)雜。地下車庫占地面積 17008m2,最大直線長度 286m,高 6.15m。采用 C30、S6混凝土,內(nèi)摻 UEA膨脹劑,限制膨脹率取 0.025%,膨脹加強(qiáng)帶限制膨脹率取 0.030%,整個(gè) 286m長的地下部分未留伸縮縫。

由于工程的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重超長,決定采用兩步施工的辦法:①將整個(gè)工程劃分為 20塊每塊為 50～60m的施工區(qū)段澆筑補(bǔ)償收縮混凝土,在每一區(qū)段中部設(shè)置一道連續(xù)膨脹加強(qiáng)帶,補(bǔ)償干縮變形,以控制每個(gè)區(qū)段不出現(xiàn)干縮裂縫;②每一施工區(qū)段間設(shè)置后澆膨脹加強(qiáng)帶,但應(yīng)在一個(gè)月后澆注,將整個(gè)結(jié)構(gòu)連接起來。同時(shí),結(jié)合整個(gè)高層建筑群的布置,在高層外側(cè)第二跨布置沉降后澆帶,解決不均勻沉降問題。

2 補(bǔ)償收縮混凝土的機(jī)理

補(bǔ)償收縮混凝土是利用膨脹劑在混凝土凝結(jié)過程中經(jīng)水化反應(yīng)生成膨脹物質(zhì)鈣礬石 (3CaSO4·32H2O)、氫氧化鈣 (Ca(OH)2)使混凝土的體積膨脹,而混凝土在鋼筋和邊界條件的限制下產(chǎn)生0.2～1.0MPa的自壓應(yīng)力,使得混凝土由于凝固過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力得以抵消,達(dá)到提高混凝土抗裂性能的目的。補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率為0.015%～0.060%。對于一般超長混凝土結(jié)構(gòu),可在收縮最大的部位設(shè)置連續(xù)膨脹加強(qiáng)帶,在連續(xù)膨脹加強(qiáng)帶內(nèi)摻加大劑量膨脹劑,而在連續(xù)膨脹加強(qiáng)帶兩側(cè)摻加小劑量膨脹劑。在膨脹加強(qiáng)帶兩側(cè)設(shè)置細(xì)鋼絲網(wǎng),澆筑時(shí)從兩側(cè)向膨脹加強(qiáng)帶施工,利用細(xì)鋼絲網(wǎng)擋住兩側(cè)微膨脹混凝土,然后澆筑連續(xù)膨脹加強(qiáng)帶,整體結(jié)構(gòu)一次澆筑完成。這可達(dá)到有效控制干縮變形、避免開裂的目的。理論上講,利用補(bǔ)償收縮混凝土可以解決無限長結(jié)構(gòu)的澆筑 (干縮)問題,但由于使用過程中存在環(huán)境溫差,當(dāng)結(jié)構(gòu)長度大于 70m時(shí),一般應(yīng)設(shè)置后澆膨脹加強(qiáng)帶。

3 補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率

為了確定補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率,首先應(yīng)計(jì)算出水化熱溫升和混凝土干縮產(chǎn)生的收縮率,然后根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫差計(jì)算出環(huán)境溫差應(yīng)力,以確保使用過程中混凝土溫差應(yīng)力不超過抗拉強(qiáng)度。

3.1 混凝土水化熱溫升

混凝土水化熱溫升按下式計(jì)算[4][5]

式中,T1為混凝土的水化熱溫升,℃;β為結(jié)構(gòu)散熱影響系數(shù),對多維散熱取 0.3,一維散熱取 0.5～0.6;W為混凝土的水泥用量,kg/m3;Q為水泥 28天的水化熱,kJ/kg,對 42.5、52.5的普通硅酸鹽水泥取 340～380,對 42.5、52.5的礦渣水泥取 250～290,對 UEA膨脹劑取 240～250;C為混凝土比熱,kJ/(kg·℃),取 0.96;γ為混凝土密度,kg/m3,取 2500。

由于水化熱對板、墻結(jié)構(gòu)升、降溫都較快,且溫度升高產(chǎn)生的是壓應(yīng)力,為此,不考慮水化熱溫升影響。

3.2 混凝土干縮率

混凝土齡期的收縮率按下式計(jì)算:

式中,εy為混凝土計(jì)算齡期 t的收縮率;t為混凝土計(jì)算齡期,d;ε0=3.24×10-4為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土極限收縮率;M1為水泥品種修正系數(shù),取1.25;M2為水泥細(xì)度修正系數(shù)取 1.35;M3為巖石骨料種類修正系數(shù),取 1.00;M4為水灰比修正系數(shù),取 1.00;M5為水泥漿量修正系數(shù),取 1.00;M6為初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間修正系數(shù),取 1.04;M7為使用環(huán)境濕度修正系數(shù),取 0.77;M8為構(gòu)件尺寸修正系數(shù),取 0.65;M9為應(yīng)力比修正系數(shù),取 1.00;M10為配筋率修正系數(shù),取 1.00。

取 180天干縮率作為最終收縮率:

因此,采用限制膨脹率 0.025%的補(bǔ)償收縮混凝土,就可確保混凝土凝固后不出現(xiàn)干縮裂縫。

3.3 環(huán)境溫差應(yīng)力

根據(jù)王鐵夢提出的長墻及地基板的溫度收縮應(yīng)力理論,假定地基與周圍環(huán)境氣溫相同,均為初始溫度,結(jié)構(gòu)全截面溫度均勻,當(dāng)后期環(huán)境升溫,溫差 T2為正值,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓應(yīng)力;當(dāng)后期環(huán)境降溫,溫度 T2為負(fù)值,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力。該工程取當(dāng)?shù)貐^(qū)極端最高溫度 36.6℃為初始溫度,冬季采暖溫度取 10℃,溫差為 26.6℃。

溫差應(yīng)力按下式計(jì)算:

式中,σxmax為最大拉應(yīng)力,N/mm2;E為混凝土彈性模量,N/mm2,E隨時(shí)間變化,取 2.28×104;α為混凝土線膨脹系數(shù),取 1.0×10-5;T2為環(huán)境溫差,℃;β為系數(shù);Cx為水平阻力系數(shù),N/mm3,根據(jù)地基情況選取,該工程取 0.6;L為結(jié)構(gòu)長度,mm;H為結(jié)構(gòu)高度,mm;H(t,z)為徐變折減系數(shù), 取 0.3。

只要計(jì)算出的應(yīng)力σxmax不超過混凝土的抗拉強(qiáng)度就不會(huì)開裂。

(1)計(jì)算β系數(shù):

C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 flk為2.01N/mm2。

Σxmax

4 補(bǔ)償收縮混凝土構(gòu)造

4.1 構(gòu)造鋼筋

補(bǔ)償收縮混凝土澆筑后產(chǎn)生微膨脹,受到鋼筋的約束產(chǎn)生自應(yīng)力,混凝土的自應(yīng)力σc按下式計(jì)算:

式中,σc為混凝土自應(yīng)力,N/mm2;As為鋼筋截面積,mm2;Es為鋼筋彈性模量,N/mm2,取 2.0×105N/mm2;εs為鋼筋的伸長率,也就是補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率;Ac為混凝土截面積,mm2。

由式 (4):

這就是補(bǔ)償收縮混凝土所需配置的構(gòu)造鋼筋。該工程εs=0.025%,計(jì)算出頂板、底板和外墻構(gòu)造配筋面積分別為:

4.2 配筋率

《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》明確應(yīng)采用雙排雙向鋼筋網(wǎng),水池池壁水平筋間距不大于150mm,中部 H/3(H為池壁高)范圍內(nèi)水平鋼筋加密至 100mm。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,對受彎構(gòu)件一側(cè)的最小配筋率取 0.215%?！痘炷镣饧觿?yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定墻體宜大于 0.4%,樓板宜約為0.6%。

對該工程按照 4.1計(jì)算出的配筋,頂板、底版和外墻配筋率分別為:

計(jì)算結(jié)果滿足各規(guī)范的規(guī)定,應(yīng)按計(jì)算配溫差構(gòu)造筋。

4.3 膨脹加強(qiáng)帶

膨脹加強(qiáng)帶混凝土比兩側(cè)混凝土強(qiáng)度提高一級(jí),采用 C35混凝土澆筑,適當(dāng)增加加強(qiáng)鋼筋,對后澆膨脹加強(qiáng)帶和沉降后澆帶加設(shè) 3mm厚的鍍鋅鋼板止水帶。各部位膨脹加強(qiáng)帶構(gòu)造見圖 1～圖3。

5 施工養(yǎng)護(hù)

首先選用性能穩(wěn)定、質(zhì)量好、有較多應(yīng)用實(shí)例的膨脹劑,一般選用建研院研制的 UEA膨脹劑,施工前應(yīng)根據(jù)《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》及《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行試配。對混凝土應(yīng)加以覆蓋并保濕養(yǎng)護(hù),保持混凝土表面處于濕潤狀態(tài)。同時(shí)采取保溫隔熱措施,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

6 結(jié)語

圖1 底板膨脹加強(qiáng)帶構(gòu)造詳圖

圖2 梁膨脹加強(qiáng)帶 (箍筋同梁箍筋)

圖3 外墻和頂板膨脹加強(qiáng)帶構(gòu)造詳圖

通過控制補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率補(bǔ)償干縮,避免干縮裂縫;通過溫差應(yīng)力計(jì)算,控制長期使用過程中混凝土拉應(yīng)力不超過抗拉強(qiáng)度,從而有效解決超長地下混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題。

本文所述工程已建成并使用多年,效果良好。

1 GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

2 CECS 138:2002,給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

3 GB 50069-2002,給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

4 黃以莊,黃華敬等.超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì) [J].建筑結(jié)構(gòu),2010(6).

5 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.

6 JGJ/T 178-2009,補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程 [S].

7 GB 50119-2003,混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范 [S].

8 JGJ 55-2000,普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程 [S].

(修改回稿 2010-09-28)

＊張維秀:教授級(jí)高級(jí)工程師,一級(jí)注冊結(jié)構(gòu)師,注冊巖土工程師。1989年畢業(yè)于南京水利科學(xué)研究院巖土工程專業(yè)獲工學(xué)碩士?，F(xiàn)從事工程設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話:(0432)63959402。