超长混凝土结构无缝设计分析及工程实践

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

2、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

3、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: (假设无相对滑移)(1) 令 则(2) 其中:混凝土预压应力(MPa)； Ac混凝土截面积(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

4、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，还可以在混凝土结构的适当部位提高膨胀剂的掺量，

5、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

6、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 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

7、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2

8、0。 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: 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，

9、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) 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普通膨胀混凝土，试验结

10、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2.3104，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: