上海某工程地下室外墙控制裂缝施工设计总结

****地下室外墙控制裂缝设计长期以来，地下室外墙裂缝一直是影响地下室工程质量和使用功能的主要质量通病，而超长地下室外墙裂缝的控制更是国内工程界尚未解决的难题，且产生裂缝后的经济和社会效益损失严重，因此必须采取有效措施控制裂缝的产生。某****地下室外墙裂缝控制设计思路为“抗放兼备，以抗为主”。“抗”就是给地下室混凝土外墙施加预应力抵消温度应力和部份收缩应力；“放”就是设置后浇带，分区施工，设放施工前期混凝土收缩应力，控制裂缝过早过多产生。工程概况某****建筑平面呈半圆环形，建筑面积主楼88000平方米，地下室面积21396平方米。平面尺寸：地下室外圆弧长近3000米，内圆弧长达230多米，宽度近90米。整个建筑物地下室，建筑设计及工艺要求连续贯通不能设变形缝（图1）。地下室层高7.2米，地下室顶板高出室外地坪1.2米。图1。地下室平面范围超长地下室外墙抗裂设计原则地下室外墙平面呈圆弧形，连续长度近300米。外墙上端约有1.2米左右暴露在室外，混凝土宜随季节气温变化而产生温度应力。对如此超出规范控制长度限制的结构必须加以特殊设计、施工措施处理，以控制墙体开裂的过多出现，以及对裂缝宽度加以限制。国外一些规范的裂缝控制标准［1］：美国ACI224建议的裂缝容许宽度为：干燥空气或有保护膜0.40mm潮湿、湿空气、土0.30mm海水飞溅区（干、湿交替）0.15mm档水结构0.10mm欧洲CEB－FIP模式规范（1978）对于配置对腐蚀不敏感的钢筋构件，按暴露条件分为三等：轻度的0.40mm中等程度的0.20mm严重的0.10mm前苏联CHиП规范（1984）按计算裂缝宽度分两种情况：短期展开ω1和长期展开ω2，并按使用条件（室内、露天条件和地下水变化的土中）和钢筋种类（A－Ⅰ，A－Ⅱ等）列出了详细的规定，例如，的Ⅰ～Ⅲ级钢筋构件。在封闭室内ω1＝0.4ω2＝0.3露天构件ω1＝0.4ω2＝0.3在地下水变化的土中ω1＝0.3ω2＝0.2我国混凝土设计规范规定［2］：在露天或高湿度环境中，三级裂缝宽度为0.20mm。属于露天或室内高湿度环境系指：直接受雨淋的构件；无围护结构的房屋中经常受雨淋的构件；经常受蒸汽和凝结水作用的室内构件（如浴室等）；与土壤直接接触的构件。综上述各国规范可以看出对混凝土构件裂缝宽度的控制值基本接近，尤其是在高湿度环境中使用的构件裂缝宽度控制要求都相对更加严格。混凝土的收缩和气温变化都会引起大面积混凝土在平面内不可忽视的变形，是引起超长地下室混凝土墙体产生裂缝的主要原因。混凝土墙体由于收缩产生的裂缝相当普遍，其原因有商品混凝土，有施工养护不当，也有结构设计本身原因，情况复杂，原因往往是多种情况并存。根据混凝土任意时间收缩计算公式［3］：εy(t)=ε0y·M1·M2······Mn(1-e-bt)t－－时间（天）b－－经验系数一般取0.01，养护较差0.03ε0y－－标准状态下的极限收缩。ε0y=3.24×10-4M1、M2······Mn－－考虑各种非标准条件的修正系数，一般与材料（水泥、骨料······），养护龄期、环境温度、配筋率、施工操作、风速······等。从公式可以看出，收缩应力是极其复杂又难以正确计算。在正常使用阶段温度的变化是引起大面积混凝土开裂的另一个主要原因，由于存在季节温差和内外温差，地下室外墙温差包含平均温差T=（T1+T2）/2和温差梯度△T=T1-T2两部分。平均温差会使墙板产生轴力，由此产生贯串的裂缝，温度梯度会使墙板产生弯距和由此产生的非贯串裂缝，对地下室外墙而言，显然贯串裂缝更为有害，应重视。温度应力基本概念L=αT×Lε=△T/L=αTα——线膨胀系数（1/℃）单向全约束条件下墙体应力：σ＝EαT但是实际工程地下室外墙周边并非完全约束，存在一定的弹性约束或弹塑性约束。温度应力要比上述公式计算应力小。单向弹性约束条件下：ε＝σ/Ε+αT为控制温度应力，防治地下室外墙裂缝开展，在设计中采用方法一般是控制结构连续长度，并且沿用温度应力与长度成正比关系的假定。目前针对混凝土的收缩应力或是温度应力大多数设计是依靠设置伸缩缝来加以控制裂缝，伸缩缝间距一般为30～40m。但是现代建筑的使用功能及建筑美观越来越要求采用大面积混凝土结构，而不设置变形缝。随着我国经济发展，这种大面积混凝土结构形式必将得到越来越广泛的应用。但是目前还没有比较完善的大面积混凝土控制裂缝的设计方法，甚至还没有准确的定义，导致许多工程无法圆满解决大面积混凝土的开裂问题。某****地下室外墙连续长度达近300米，为大面积混凝土长墙结构。为防治大面积混凝土的开裂，目前国内主要采用加膨胀剂和施加预应力两种措施。对于地下室外墙，由于蓄水养护非常困难，因此添加膨胀剂往往难以达到很好的效果。大面积混凝土的抗裂设计主要是由温度变化、混凝土收缩等因素控制的。为此某****地下室外墙裂缝控制设计基本方针定为“抗放兼备，以抗为主”。“抗”就是给地下室混凝土外墙施加预应力抵消温度应力和部份收缩应力；“放”就是设置后浇带，分区施工，设放施工前期混凝土收缩应力，控制裂缝过早过多产生。为克服混凝土的收缩、徐变变形，克服结构施工期的多种变形，设计上采取通过设置后浇带方法，使地下室外墙沿长度分为三个施工区段，每区段长度控制在100米以内。待各区段间在变形趋于稳定后，采用浇筑后浇带，使墙体最终连为一整体。各区段地下室外墙施工严格控制混凝土的水灰比，对混凝土的浇筑、养护加以针对性特殊措施，尽量限制早期裂缝的过多出现。对正常使用阶段由于温度变化而产生的墙体裂缝，抗裂缝设计采用预应力技术，沿墙体长向施加一定值的压应力，使墙体内的应力值达到在任何季节、任何工况下不出现拉应力或至少不出现超过混凝土抗拉强度值。由于温度应力计算需要的是构件内部温度，而不是大气温度。因此需要通过传热学方法由构件周围气温计算出构件内部的温度。温度应力设计指标季节平均气温：夏季T=30℃冬季T=0℃全年平均气温：T＝15℃地下室室内平均温度：夏季T=24℃冬季T=16℃墙体中部温度可以这样考虑，根据传热学原理，室内温度向外传递，室外温度同样向内传递，由于墙体材料内外一致，即导热系数、热交换系数相同，所以墙体中部最大温度必定为内外温度平均值。夏季墙体厚度中部温度：T＝27℃冬季墙体厚度中部温度：T＝8℃预应力抗裂设计只考虑平均季节温差引起的轴向应力，不考虑室内外温度梯度差产生的弯曲应力。全年平均气温差：△T＝16℃绝对季节气温差：△T＝30℃墙体厚度中部季节温度差：△T＝19℃综合室内外温差、全年平均温差、绝对季节温差等情况，并排除整个墙体施工期在最热的夏季气温T=30℃时或在最冷的冬季气温T=0℃时。同时考虑不稳定热传导的“滞后现象”，结构内部温度波动峰值滞后于外表温度波动峰值，且低于外表温度峰值。“在工民建承受年温差的一般结构中，对于厚度不大的结构t≤100mm，温度峰值降低约10～20％左右”［3］。所以抗裂设计温差取为：△T＝16℃。2．温度应力计算分析采用有限元分析程序ANSYS对墙体进行模拟计算，墙体下端与基础底板连接，上段与楼板相接，但由于楼板厚度相对较薄，且同样配置预应力钢筋，张拉时可以认为墙体与楼板同步变形，即计算模型为：墙体沿长向，下端有约束，取5米宽地下室底板与其相连，上端为自由。在墙体上端1/3墙高范围内，施加△T＝16℃的温度场，计算结果如下：图2。ANSYS程序温度应力计算结果示意图将ANSYS程序计算值结果，划分12个区格对数据进行整理，应力数据取值为各自所属区格附近最大应力值。区格划分及应力数据如下：区格划分示意应力(Mpa)区格号1－11－21－31－4应力3.53.21.910.61区格号2－12－22－32－4应力4.174.171.581.26区格号3－13－23－33－4应力0.610.291.581.58根据温度应力计算结果和地下室外墙上端1.2米暴露在外的实际情况，设计要求墙高上端1/3高度范围内预压应力达到抵抗温度拉应力，预应力布筋的方式由上端向下逐渐减小。实际配筋地下室外墙板±0.00M标高至-5.400M标高范围内采用无粘结预应力，预应力筋采用抗拉强度标准值fptk=1860Mpa，单根直径d=15.24mm，截面面积S=140mm2。张拉控制应力δcon=0.70fptk。在地下室外墙板±0.00M标高至-2.00M标高范围内建立平均不小于2Mpa的预压应力，以下部分压应力逐渐减小。配筋沿竖向分为三段：上段2600范围内2×2UΦl15@200中段1500范围内2×2UΦl15@300下段1200范围内2×2UΦl15@400顶部2×7UΦl15，见图4。图4。地下室外墙配筋图在此配筋情况下预应力张拉应力模拟计算结果见图5、图6。图5。ANSYS程序预应力张拉模拟计算结果示意图图6。ANSYS程序计算应力等高线同样将墙体划分12个区格，整理计算结果如下：区格划分示意应力(Mpa)区格号1－11－21－31－4应力－8－4－3－3区格号2－12－22－32－4应力－6－3－2－2区格号3－13－23－33－4应力－3－2－1－1从划分区格内数据分析，各区温度拉应力和预应力的压应力对比不难看出，墙体内预应力的压应力基本覆盖了墙体内的温度拉应力。也即在唯一气温变化作用下墙体内应力始终处在非拉应力状态下，墙体不会开裂。但是混凝土墙体开裂于多种因素有关，混凝土的早期收缩是相当重要的因素。为不使地下室外墙过早产生