（农业工程专业论文）超长框剪结构微膨胀混凝土抗裂设计方法的研究.pdf

摘要 在混凝土超长框剪设计中，为考虑水化熟和季节温差对建筑物所造成的影响，根据有关规范、 参考文献的实测数据，研究了超长框剪结构设计中的“抗裂分析”概念设计方法。为超长剪结构 不设永久变形缝提供了可靠的概念设计计算模型，可避免结构产生有害裂缝。同时结合两个工程 实例：超长框剪结构和超长大跨度结构的具体设计措施，提出了有效解决超长大跨度结构的温度 应力问题的概念设计方法。即设置后浇带释放混凝土水化热当量温差而产生的温度应力，采用微 膨胀混凝土抵消昼夜温差等产生的温度应力，在分析了温度应力产生最集中的地方加强构造措 施，避免了有害裂缝的产生。此外，施工的现场管理与合理的施工组织顺序也是非常重要的。比 如材料，配合比，现场监控等多方面的配合。泰安英吉利大厦和泰安体育综合训练馆应用以上设 计措施后，完全满足达到了最初的设计要求。证明以上概念设计方法是可行有效的。为解决同类 设计和施工问题提供了可靠的参考依据。 关键词：超长框剪结构，微膨胀混凝土，概念设计 1 i i a b s t r a c t i ns u p e r - l o n gs h e a r - f r a m es t r u c t u r ed e s i g n ，c o n s i d e r e di n f l u e n c eo ft h eh y d r o h e a ta n dt h es e a s o n t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nb u i l d i n g 。c o n c e p td e s i g nm e t h o do f “a n t i c r a c k i n ga n a l y s i s ”h a sb e e ns t u d i e d i nt h i sp a p e r , w h i c hi sa c c o r d e dt ot h er e a lc o n s t r u c t i o nd a t aa n dt h er e l e v a n tn o r m t h i sp a p e rs u b m i t s ar e l i a b l ec o n c e p tc a l c u l a t i o nm o d e lf o rs u p e r - l o n gs h e a r - f r a m es t r u c t u r eo f n oe x t e n s i o n - s e a m ，a n dt h e h a r m f u lc r a c k sc a nb ea v o i d e d a tt h es a m el i m eu n i f i e st w op r o j e c t se x a m p l e s ：t h es u p e r - l o n g s h e a r - f r a m es t r u c t u r ea n ds u p e r - s p a ns t r u c t u r ec o n c r e t ed e s i g nm e a s u r e ，p r o p o s e dt h ee f f e c t i v e c o n s t r u c t i o nt e m p e r a t u r es t r e s sq u e s t i o nc o n c e p t u a ld e s i g nm e t h o dt oa v o i da p p e a rc r a c k i n g a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n tt h ep o u r i n gb e l tr e l e a s ec o n c r e t eh y d r a t i o nh e a te q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e p r o d u c e st h et e m p e r a t u r es t r e s s t h em i c r oi n f l a t i o nc o n c r e t ec o o n t e r b a l a n c ed a y - n i g h it e m p e r a t u r ew h i c et h es t r e s sc o n c r e t ep r o d u c e d ， w a sa n a l y z i n gt h et e m p e r a t u r es t r e s st op r o d u c et h em o s tc e n t r a l i z e dp l a c et os t r e n g t h e nt h es t r u c t u r e m e a s u r e ，h a sa v o i d e dt h eh a r m f i f lc r a c kp r o d u c t i o n ，i na d d i t i o n , t h ec o n s t r u c t i o ns c e n em a n a g e m e n ta n d t h er e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o no r d e ra l s oi sm u s to f t e l li m p o r t a n t f o ri n s t a n c em a t e r i a l m i x t u r er a t i o ，s c e n em o n i t o r i n ga n ds oo nv a r i o u sc o o r d i n a t i o n a f t e rt h et a i a ny j lb u i l d i n ga n dt h e t a l a ns p o r t ss y n t h e s i z e sd e s i g nm e a s u r e ，h a sc o m p l e t e l ys a f i s f i e d l ym e tt h ei n i t i a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s a b o v et h ep r o o ft h ec o n c e p t u a ld e s i g nm e t h o di sf e a s i b l ee f f e c t i v e s of r o mt h i s p a p e rp r o v i d e dt h e r e l i a b l er e f e r e n c ef o rt h es o l u t i o ns i m i l a rd e s i g na n dt h ec o n s h u e t i o nq u e s t i o n k e yw o r d s ：s u p e r - l e n g t hf r a m e s h e a rw a l ls t r u c t u r e s ，m i n i - e x p a n s i o nc o n c r e t e ，c o n c e p td e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 繇蒡p 移 慨州，7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研魅虢募旷啤夯。“。叶。 确胛 1 1 日 日 扣， 翎 月 厅 l d 、 年 掣 西 油 蕊 砂 问 问 时 时 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 目前我国随着经济实力和生产力水平的提高，建筑行业新材料新技术也日新月异。其中建筑 结构行业标准也以每3 5 年的速度更新。以往建筑单体的规模和功能都相对简单，而如今大体量 的公共建筑如雨后春笋般涌现出来而且业主的要求也不再像计划经济时期那么单纯，恰恰相反， 对设计和施工的要求愈来愈高。其中业主对无缝设计的渴望与国家规范设立永久“变行缝”的矛 盾由为突出。这对于设计和施工既是压力也是工作的挑战! 随着建筑向大型化和多功能发展，超长( 即超过温度伸缩缝间距) 高层或大柱网建筑不断出 现，混凝土强度等级的提高，施工中泵送混凝土工艺的应用，使超长混凝土结构易出现的温度收 缩裂缝有逐渐增多的趋势。虽然这类裂缝属非结构性裂缝，一般不致影响构件承载力和结构安全， 但却会影响结构的耐久性和整体性。同时也会给使用者感官和心理上造成不良影响。另外由于我 国富源辽阔，不同地区气候环境、温湿度差异很大，现行规范对防止和减轻温度收缩裂缝的设计 措旅制定的较为笼统和局限。因此不少设计人员较重视强度设计，而不太认真考虑抗裂的构造措 施。这样一旦出现裂缝不仅影响工程质量，同时在进入住房商品化，质量纠纷日趋增多的今天也 不利于保护自己。 许多混凝土结构、砌体结构等建筑物在建设过程中和使用过程中出现了不同程度、不同形式 的裂缝，这是一个相当普通的现象。它是常期困扰着建筑工程技术人员的技术难题。 虽然结构设计是建立在强度的极限承载力基础上的，但大多数工程的使用标准却是由裂缝控 制的。 结构的破坏和倒塌也都是从裂缝的扩展开始的，如强烈地震后震区的建筑物上布满了各种各 样的裂缝，荷载试验的钢筋混凝土梁上出现大量裂缝等等。所以人们对裂缝往往产生一种破坏前 兆的恐惧感。的确，从近代固体强度理论的发展中可以看到，裂缝的扩展是结构物破坏的初始阶 段；相对的某些裂缝，其承载力也可能受到一定威胁。同时，结构物裂缝可以引起渗漏，引起持 久强度的降低，如保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土碳化等。所以，习惯的概念。甚至某些验收规 范和某些工程现场都是不允许结构物上出现裂缝的，例如某引进工程的一位外国专家即要求混凝 士不得出现裂缝。 但是。近代科学关于混凝土强度的细观研究以及大量工程实践所提供的经验都说明，结构物 的裂缝是不可避免的，裂缝是一种人们可以接受的材料特征，如对建筑物抗裂要示过严，必将付 出巨大的经济代价；科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内。这样关于裂缝的预测、预 防和处理工作。统称之为“建筑物的裂缝控制”，这方面的科学研究工作具有重要的现实意义和 技术经济意义。但迄今国际上些有关的研究论文和技术报告都只是零散地发表在期刊杂志上， 并且专题性问题讨论较多，综合性资料及论著则很少。 国际上许多国家都有专门的科研机构从事钢筋混凝土在荷载作用下裂缝的研究工作，编制了 规范，如美国混凝土协会a c l 2 2 4 委员会；英国水泥与混凝土协会c c a 及其规范b s 8 1 1 0 、 b s 8 0 0 1 ；德国钢筋混凝土协会及规范d i n l 0 4 5 - - 1 9 7 2 ：法国规范c c b a ；欧洲混凝土协会c e b ； 欧洲混凝土协会一国际预应力混凝土协会( c e b f i p ) ：前苏联混凝士及钢筋混凝土研究院及穆拉 雪夫学派等【l ”。 我国清华大学、东南犬学、大连理工大学、中国建筑科学研究院、冶金部建筑研究总院等都 做了大量研究工作并编制出钢筋混凝土规范有关裂缝方面的设计规定，在工程设计中发挥作用。 上述各研究机构及其成果针对外荷载作用引起的裂缝问题是相当丰富的。 工程实践中的许多裂缝现象往往无法用荷载的原因加以解释。大批高层建筑地下室在施工期 间出现早期裂缝，其宽度及数量均随时间的推移而增加，并未发现荷载的变化。 所以，我们重点探索了由“变形变化引起的裂缝问题”。这种变形作用包括温度( 水化热、 气温、生产热、太阳辐射等) 、湿度( 自生收缩、失水干缩、碳化收缩、塑性收缩等) 、地基变形 ( 膨胀地基、湿陷地基、地基差异沉降等) 。 作者在处理裂缝的经验中，包括混凝土结构、混合结构、砌体结构、地下管线通廊、水池、 容器等特殊构筑物，特别是各种工业设备基础，高低温作用下的基础工程，包括核电站的一些基 础等，在这些工程中变形作用引起的裂缝占绝大部分，所以这方面的研究与工程实践显得十分现 实和迫切。 按现代国际上发展的极限状态设计理论，工程设计必须满足两个极限状态 3 j ： 承载力的极限状态( u l t i m a t el i m i ts t a t e s ) 使用极限状态( s e r v i c e a b i l i t yl i m i ts t a t e s ) 使用极限状态主要是从生产、生活包括精神等方面要求，对建筑物在裂缝、变形等方面必须 控制的状态。 工程建设中必须强调高质量严要求，但是仍然须强调科学和技术进步，使得工程满足经济合 理和施【：周期的要求，建议采用如下标准9 ： ( 1 ) 优良 结构施工后，承受使用荷载前。其变形及施工荷载( 包括自重荷载) 不超过抗裂荷载时，没 有出现肉眼可见裂缝。当变形及施工荷载( 包括自重荷载) 超过抗裂荷载时，允许出现小于规范 规定之裂缝，但不影响使用要求。结构投入使用后，应满足设计使用荷载条件下裂缝宽度限制。 结构由于变形作用引起的裂缝，在交工前妥善处理后的工程。 ( 2 ) 合格 结构施工后，其变形及施工荷载( 包括白重荷载) 不超过抗裂荷载时，出现了可见裂缝，但 不影响使用要求。当施工荷载( 包括自重荷载) 超过抗裂荷载时，出现大于或等于规范规定之裂 缝。经处理后结构投入使用后。应满足设计使用荷载条件下裂缝宽度限制。 上述两种属轻微裂缝。 ( 3 ) 较差 结构物出现了大量超过规范允许的裂缝，还出现蜂窝麻面，但据裂缝性质、部位、结构特点 等分析，裂缝对承载力并无严重影响，从持久强度或美观等方面使用要求，须适当处理或略加封 闭就可保证j t 程正常使用。此为中等程度裂缝。 ( 4 ) 不合格 结构物的裂缝远超过规范规定( 参考本书建议的控制宽度) ，同时出现许多蜂窝空洞，经分 2 析，已严重影响到结构的承载力或有失稳及脆性破坏可能性，必须采取相应加固补强措施后才能 使用者。结构物报废或推倒重建者占极少数，从技术上，一般不宜轻易作出报废的结论a 此为严 重裂缝。凡影响承载力或使用条件者为有害裂缝。反之为无害裂缝。 除了上述一般标准，结构物出现了非允许裂缝后，还应多作具体分析。例如，大型设备基础 保护层较厚，基础内力很低，表面虽出现很宽裂缝( 甚至是贯穿性的) ，但经分析属变形变化引 起的，则一般不影响承载力，虽须灌缝( 贯穿者) 、封闭( 表面性的) 即可正常作用。 控伟9 裂缝应该防患于未然，首先尽量预防有害裂缝，防不住的就堵，堵不住再排( 有防排水 要求的工程) ，重点在防，实践证明，只要设计与施工紧密配合，这是完全可以做到的。过去许 多工程，凡是采取了控制措施的，一般都取得了良好效果。 根据本人l o 年从事结构设计的经历，根据工程结构实际裂缝处理和预防方面的点滴经验， 结合运用一些有关的建筑力学基础理论，并同时参考不同专业的某些资料和论文，提出的有关结 构物裂缝控制的若干方法和技术措施。虽然规范很好的解决了单个构件的计算和工作机理研究。 最新的高层建筑混凝土结构技术规程j g j 3 - 2 0 0 2 在总则中1 0 5 条【1 1 ，提出了高层建筑结构设 计应重视概念设计的要求。但是规范里面对概念设计的条款和条文说明却少之又少。基于以上原 因，笔者感到有必要结合泰安地区温差大，气候干燥这一地区特点，根据多年的工程设计实践和 体会，通过整理和归纳其中框架剪力墙超长结构无缝设计的经验。通过科学的方法进行进一步的 分析和总结，希望给以后此类工程设计提供有价值的参考资料 1 2 国内外研究现状 1 2 1 裂缝产生的主要原因、广义荷载及其特点 结构物在实际使用过程中承受两大类荷载，有各种外荷载和变形荷载( 温度、收缩、不均匀 沉陷) ，统称为广义荷载。其中静荷载、动荷载和其他荷载，称为第一类荷载；而变形荷载，称 为第二类荷载。裂缝的主要原因不外乎以下三种【，j ： ( 1 ) 由于外荷载( 如静、动荷载) 的直接应力，即按常规计算的主要应力引起的裂缝。 ( 2 ) 由于外荷载作用，结构次应力引起的裂缝。因为许多结构的实际工作状态同常规计算 模型有出入，例如壳体计算常用薄膜理论假定，相对壳面误差不大，相对边缘区域误差较大，于 是该区域常因弯矩和切力引起裂缝；而弯矩和切力相对薄膜理论的直接应力来说，称之为次应力。 又如屋架按铰接节点计算，但实际混凝土屋架节点却有显著的弯矩和切力，它们时常引起节点裂 缝，此处的弯矩和切力称为次应力。还有些常规不计算的外荷载应力，但实际却引起结构裂缝。 ( 3 ) 由变形变化引起的裂缝( 我们称之为第二类“荷载”) 。结构由温度、收缩和膨胀、不 均匀沉降等因素引起的裂缝。应特别注意这种裂缝起因是结构首先要求变形，当变形得不到满足 才引起应力。而且应力尚与结构的刚度大小有关，只有当廊力超过一定数值才引起裂缝，裂缝出 现后变形得到满足或部分满足，同时刚度下降，应力就发生松驰。某些结构，虽然材料强度不高， 但有良好的韧性，也可适应变形要求，抗裂性能较高。这是区别于荷载裂缝的主要特点。 其次。按普通外荷载的计算原则，从外荷载的作用、结构内力的形成，直到裂缝的出现与扩 展，荷载不变条件下，似乎都是在同一时间瞬时发生并一次完成的，是个“一次过程”。但是变 形荷载的作用，从环境的变化，变形的产生，到约束应力的形成，裂缝的出现与扩展等都不是在 3 同一时间瞬时完成的，它有一个“时闻过程”，称之为“传递过程”，即麻力累积和传递的过程， 它是一个多次产生和发展的过程，这是区别于外荷载裂缝的第二个特点。 建筑物的裂缝也可能由于特殊的变形变化引起，如地震引起的裂缝可看作地基的“动态变形 变化”；滑坡、地基水平位移引起建筑物裂缝也是由于地基变形引起的，可能是缓慢地徐变变形， 也可能是突然失稳变形。 次应力引起的裂缝也是由荷载引起，只是按常规一般不计算，但应该看到随着设计技术的不 断发展，所谓的“常规”也在不断改进，计算逐渐做到全面合理，故可归到第一类，即荷载引起 的裂缝中去。这样，裂缝就分为两大类：荷载引起的裂缝及变形变化引起的裂缝。 一个令人感兴趣的问题是，引起裂缝的上述两大类原因，哪一种是主要的? 根据笔者的经验和国内外的调查资料，工程实践中结构物的裂缝原因。属于由变形变化( 温 度、收缩、不均匀沉陷) 引起的约占8 0 以上；属于由荷载引起的裂缝引起的约占2 0 左右。前 述8 0 的裂缝中也包括变形变化与荷载共同作用，但以变形变化为主所引起的裂缝；同时。在2 0 的裂缝中也包括变形变化与荷载共同作用，但以荷载为主所引起的裂缝。 1 2 2 混凝土的微观裂缝与宏观裂缝 多年来，特别是6 0 年代，因有关混凝土的现代试验研究设备的出现( 如各种实体显微镜、x 光照像设备、超声仪器、渗透观测仪等) ，完全证实了在尚未受荷的混凝士和钢筋混凝士结构中 存在肉眼不可见的微观裂缝( 简称“微裂”) 。据此，有些学者考虑了混凝土的实际结构，建立了 构造模型，如骨料和水泥石组成的“层构模型”、“壳核模型”和“组合盘体模型”等，并通过弹 性理论计算，从理论上证明变形约束应力可以引起微裂。图1 - 1 所示为混凝土的微裂及三种计算 模型。微裂主要有三种9 j ： ( 1 ) 粘着裂缝是指骨料与水泥石的粘接面上的裂缝，主要沿骨料周围出现。 ( 2 ) 水泥石裂缝是指水泥浆中的裂缝，出现在骨料与骨料之间。 ( 3 ) 骨料裂缝是指骨料本身的裂缝。 在这三种裂缝中，前两种较多，骨料裂缝较少。混凝土的微裂主要指粘着裂缝和水泥石裂缝。 混凝土中微裂的存在，对于混凝土的基本物理力学性质：如弹塑性、徐变、各种强度、变形、泊 松比、结构刚度、化学反应等有重要影响。 荷载试验表明，当混凝十受压，荷载在3 0 极限强度以下时，微裂几乎不变动；到3 0 7 0 荷载时微裂开始扩展并增加；到7 0 9 0 荷载时，微裂显著地扩展并迅速增多，且微裂之问 相互串连起来，直至完全破坏。 由于微裂的分布是不规则的，沿截面是非贯穿的，故具有微裂的混凝土是可以承受拉力的。但是， 在结构的某些受拉力较大的薄弱环节，微裂在拉力作用下很容易扩展并串连全截面，从而较早地 导致断裂。另外，混凝土材料的非均匀性对混凝土抗拉甚为敏感，故抗拉强度的离散程度远较抗 压过大。实际工程结构的裂缝。绝大多数由抗拉强度和抗拉变形( 极限拉伸) 不足而引起。但以 往的科研和技术工作，在这方面大都只是围绕抗压强度方面进行研究( 人们关心抗压强度) ，在 抗拉方面研究工作却很少，这使得在目前条件下很难找到准确的计算理论。 在混凝土抗剪，微裂扩展串连之前，混凝土截面有良好的抗剪能力，即使微裂扩展并串连横 贯全截面，仍可靠磨擦力及交错面的咬合而维持工作。但进一步扩展将会失去抗剪能力，这时欲 4 维持其继续工作必须配霞钢筋。结构物纯剪破坏是很少的，而剪拉破坏( 主拉应力) 则是常见的。 微裂的原因可按混凝土的构造理论加以鼹释，即视混凝土为骨料、水泥石、气体、水分等所 组成的非均质材料，在温度、湿度变化条件下，混凝土逐步硬化，同时产生体积变形。这种变形 是不均匀的：水泥石收缩较大，骨料收缩很小；水泥石的热膨胀系数大，骨料较小。它们之间的 变形不是自由的，产生相互约束应力。在构造理论中一种极为简单的计算模型，是假定圆形骨料 不变形且均匀地分布于均质弹性水泥石中，当水泥石产生收缩时引起内应力，这种应力可引起粘 着微裂和水泥石变裂。 混凝土微裂的存在、扩展、增加，使应力应变曲线向水平线倾斜，应力滞后于应变。泊松比 增加刚度下降，持久强度降低，徐变增加。 混凝士微裂是肉眼不可见的。肉眼可见裂缝范围一般以0 0 5 r a m 为界( 实际最佳视力可见 o 0 2 r a m ) 。大于等于o 0 5 i m 的裂缝称为“宏观裂缝”。宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。 一般工业及民用建筑中，宽度小于0 0 5 m m 的裂缝对使用( 防水、防腐、承重) 都无危险性， 故假定具有小于0 0 5 m m 裂缝的结构为无裂缝结构，所谓不允许裂缝设计，也只能是相对的无大 于0 0 5 m m 初始裂缝的结j 车 。 可以认为，混凝士有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的，所谓结构的抗裂质量只是把裂缝控制 在一定的范围内而已。近代混凝士皿微观的研究认为：微裂的扩展程度就是材料破损程度的标志， 同时，微裂的存在也是材料本身固有的一种物理性质。 随着混凝土预制工艺的不断改进( 如高温高压成型、真空脱水、新型压轧板工艺、掺入各种 外加剂等) ，会使微裂逐步减少，从而获得高强和超高强的构件。 热拌混凝土的新工艺可使混凝土在硬化前的塑性状态时沿全截面受热，促进水化。混凝士各 组分产生不均匀热膨胀几乎处于自由状态，从而减少了内部初始应力，具有减少微裂的优点，这 是发展热拌的最早理论基础。蒸养的混凝土承受初凝后的剧烈温差，硬化过程中的不均匀热膨胀 受到显著的约束，所以含有较多的微裂。处于长期潮湿状态下养护的混凝士初始内应力较小，因 为收缩差别较轻，收缩速率较低，故微裂亦较轻。 1 2 1 3 裂缝的形式与质量控制 裂缝按其形状分为表面的、贯穿的、纵向的、横向的、上宽下窄、下宽上窄、枣核形、对角 线式、斜向的、外宽内窄的和纵深的( 深度达1 ，2 厚度) 等等。裂缝形状与结构受力状态有直接 关系。一般裂缝的方向同主拉应力方向垂直，但在砌块结构中和结构物的变截面处，剪应力可能 同裂缝平行( 纯剪裂缝) 。 同一条裂缝上的裂缝宽度是不均匀的，控制裂缝宽度是指较宽区段的平均宽度。所谓较宽区 段，指该裂缝长度的l o 1 5 范围。这样确定的平均裂缝宽度为该裂缝的最大宽度，以乳，表 示；同样可在裂缝长度的1 0 1 5 较窄区段内，确定平均宽度为最小的裂缝宽度，以靠。表示： 在最大及最小之间有平均裂缝宽度，占，表示( 为最大与最小之平均值) 。 在某一构件上的同一受力存在有最大裂缝宽度( 各条裂缝最大宽度的平均值) ，晟小裂缝宽 度( 各条裂缝最小宽度的平均值) 及最大与最小平均值的平均裂缝宽度。 同样方法可确定最大、最小及平均裂缝间距。以 k 。】， 厶。】，陋】表示。 为了描绘某一工程，如一面墙、一段公路、一块地坪、一块楼板等结构物的裂缝程度，将裂 缝条数除以结构物的长度( 长条形结构物) 、结构物的面积( 大面积结构) 或体积，称为“裂缝 密度”，也叫“裂缝率”，e ：n m 。e 为裂缝密度或裂缝率；n 为裂缝条数；m 为长度或面积。有时 尚须表明具有不同裂缝跃度、裂缝宽度及深度的裂缝率。 裂缝分为愈合、闭合、运动、稳定的及不稳定的等。地下防水工程或其他防水结构，在水压 头不高( 水位在l o m 以下) 的情况f ，产生0 1 0 2 m m 的裂缝时，开始有些渗漏，水通过裂缝 同水泥结合，形成氢氧化钙，浓度不断增加，生成胶凝物质胶合了裂缝。此外，氢氧化钙与空气 中水分带入的二氧化碳结合，发生碳化，形成白色碳酸钙结晶，使原裂缝被封闭，裂缝仍然存在， 但渗漏停止，这种现象称为裂缝的自愈现象。这种裂缝不影响持久应用，是稳定的。 结构的初始裂缝在后期荷载作用时，有可能在压应力作用下闭合，裂缝仍然存在，但是稳 定的。 结构上的任何裂缝及变形缝，在周期性温差和周期性反复荷载作用下产生周期性的扩展和闭 合，称为裂缝的运动，但这是稳定的运动。许多防水工程冬季渗漏，夏季停止就是这种道理。有 些裂缝产生是不稳定性的扩展，视其扩展部位，考虑加固措施。 根据国内外设计规范及有关试验资料，混凝土最大裂缝宽度的控制标准大致如下：口1 ( 1 ) 无侵蚀介质，无防渗要求，0 3 0 4 m t a ； ( 2 ) 轻微侵蚀，无防渗要求，0 2 0 3 m m ； ( 3 ) 严重侵蚀，有防渗要求，0 1 0 2 r a m ； 上述标准是设计上和检验上的控制范围，在工程实践上，有一些结构物带有数毫米宽的裂缝 工作，但多年并无破坏危险。如冶金建筑中的各种受热结构、各种大型特种结构及设备基础等， 一般均存在大量裂缝，欲完全控制裂缝不出现是不可能的，主要根据裂缝的部位，所处环境，配 筋情况及结构形式，进行具体分析作出判断。笔者根据实际结构物的裂缝处理经验，认为规范中 限制的裂缝宽度应当根据具体条件加以放宽，例如大量性的表面裂缝，如果经分析由变形作用引 起，其宽度不受限制，只须作表面封闭处理即可。 一般情况下，在由变形变化引起裂缝的工程中，超静定结构占多数，裂得较严重，如钢架、 特构、组合结构等。但是，这类结构的承载能力方面具有较大的安全度，有良好的韧性，能适应 较大的变形而不致出现倒塌性破坏，所以在处理质量问题时可根据裂缝出现后，应力衰减等的具 体情况放宽控制范围。在基本建筑工程中控制裂缝宽度的质量标准应加以改进，在目前阶段一般 可采取既保证质量又保证效率的控制办法。 当结构的裂缝由荷载引起，荷载( 内力p 或m ) 和变形( 应变) 在关系如图1 - 2 所示。 从圈卜2 中可看出，普通钢筋混凝土构件内力不到3 0 极限荷载( 混凝土应力达到抗拉强度， 钢筋应力达5 0 6 0 m p a 左右) 便出现裂缝，裂缝宽度在0 0 5 o 1 m m 左右，这种裂缝对结构的安 全度没有影响，还可承受7 0 8 0 的极限荷载。应当注意，许多工程的粱式结构、桁架结构等 仅在自重静载作用就出现受拉区开裂或剪力区主拉应力裂缝；有的因为拆模过早，抗拉强度不足， 自重引起裂缝是经常发生的事，因为其自重引起的内力超过了3 0 的极限内力。这种结构的极限 承载力是不会降低的。总的安全度不变。 如果出于某种原因，我们不允许出现裂缝，那么就施加预应力，对构件施加预压变形，压至 全部荷载作用一v ( 静、活荷载) ，都不出现裂缝，图中的全预应力曲线，须付出较大的裂缝出现 到破坏，增加荷载的余地不多了，约2 0 极限荷载，裂缝后变形增多了，结构破坏的前兆很少形 6 成脆性破坏，近年来发展部分预应力结构( 见图l - 2 中间曲线) ，给混凝土一部分预压变形，既适 当提高了抗裂性又允许产生轻微裂缝，裂缝后变形增多了，结构破坏的前兆多了一些，极限承载 力不变，对于一些大跨结构也是可取的。但是如果我们对钢筋混凝土的裂缝有了正确认识的话， 采用普通钢筋混凝土结构，既便是带有一定程度裂缝也是一种很安全的结构。 1 2 4 建筑结构变形作用引起的裂缝存在的两类大学派： 从国内外有关规范及一些重大工程的实际设计可看出，对待建筑结构变形作用引起的裂缝问 题，客观上存在着两类学派u j ： 第一类，殴计规范规定得很灵活，没有验算裂缝的明确规定，设计方法留给设计人员自由处 理。对伸缩缝和沉降缝的设置，没有严格规定，基本上按经验设置，有许多工程不留伸缩缝，不 留沉降缝，基本上采取“裂了就堵，堵不住就排( 有防排水要求的工程) ”的实际处理手法。一 些有关的裂缝计算则只作为参考资料而不作为规定( 包括荷载引起的裂缝) 。 第二类，设计规范有明确规定，对于荷载裂缝有计算公式并有严格的允许宽度限制。对于变 形引起的裂缝没有计算规定，只要按规范每隔一定距离留一条伸缩缝，荷载差别大，留沉降缝不 认为问题不复存在了，即留缝就不裂的设计原则。 采取第一类设计原则的如日本、英、美等国家；采取第二类设计原则的如前苏联、德国、东 欧一些国家和我国。 大量的工程实践证明，留缝与否，并不是决定结构变形开裂与否的唯一条件，留缝不一定不 裂，不留缝不一定裂，是否开裂与许多因素有关。 至于把工程建设的安全和防水要求完全寄托在补裂和堵漏上也是靠不住的，因为并不是任何 裂缝都能顺利堵住。有些开裂经过长时期、多次反复堵漏也不成功，其影响生产和造成的经济损 失往往超过土建投资若干倍。例如，某工程施工工期仅一年半，堵漏数次却花了三年的时间；有 的设备基础长期漏水，影响加热温度，降低了产品质量。 有些裂缝虽然没有达到使建筑物倒塌的危险程度，但由于精神作用以及建筑装修及美观方面 的原因，也常常影响到建筑物的使用。 1 3 研究的内容和方法 通过本人主持完成的一个超长框剪结构进行分析： 1 3 1 泰安英吉利大厦工程概况 泰安英吉利大厦框架剪力墙结构，建筑面积4 2 0 0 0 m 2 。主楼高6 7 m ，主楼总尺寸1 9 8 0 2 米。该工程有主楼和裙房两部分组成。地下一层，地上十七层：裙房地上三层。主楼和裙房之间 设沉降后浇带。本工程主楼为现浇钢筋混凝士框剪结构，基础采用钢筋混凝土交梁筏板。裙房为 钢筋混凝士框架结构，采用独立基础。该工程处于的场地稳定性好，无不良地质现象。 地卜工程已经施工完毕，目前准备地上结构混凝土的施工。混凝土强度等级为c 3 0 - c 4 0 。 本工程主楼结构超长，不设伸缩缝，采取以下技术措施： ( 1 ) 、水平构件配筋采用“小直径，小间距”。 7 ( 2 ) 、设加强带两道，不留后浇带。 ( 3 ) 、梁板( 全楼) 掺加膨胀剂，掺量由试验和计算确定。 ( 4 ) 、全楼采用补偿混凝土加强带，强度等级提高级。 ( 5 ) 、地下室底板及现浇楼面必须进行二次抹面工作减少表面收缩裂缝。 ( 6 ) 地下室顶板，裙楼顶层，主楼顶层三个加强层，除箍筋外所有钢筋的连接均采用焊接 ( 7 ) 建筑物外保温建筑做法。等等 本超长结构无缝旌工方案是在抗裂分析和以往类似工程经验的基础上提出的。 查阅相关无缝设计旌工的资料，结合本工程的实际情况进一步的完善和总结。 以中国建筑科学研究院c a d 工程部，p k p m 系列软件为计算辅助一i ：具。 以现场实际观测的沉降变化和混凝土的变形开裂分布规律为原始资料。建立符合研究对象的数学 模型和数值分析。 实际观测和国家行业规范分析相结合；理论和实践相结合；主要通过图书查询；网上浏览； 工地现场实测等方法来收集资料。拟运用数值分析和弹塑性力学等相关知识来撰写论文。 8 第二章温度应力的理论分析 2 1 约束的概念 在解决结构物变形变化引起的应力状态时，有一个很重要的切不可忽略的基本概念，即约束 的概念。当结构产生变形运动时，不同结构之间、结构内部各质点之间，都可能产生相互影响， 相互牵制，这就是“约束”。由于建筑物有各种结构组合，约束的形式也因之而有许多种，但大 致可分为“外约束”与“内约束”两大类。 2 1 1 外约束 一个物体的变形受到其他物体的阻碍，一个结构的变形受到另一结构的阻碍，这种结构与结 构之间，物体与物体之间的相互牵制作用称作“外约束”，例如地上框架变形受到地基基础的约 束，挡士墙体变形受到基础的约束，结构横梁变形受到立柱的约束等，均属外约束【7 】。 由于各种建筑结构所处的具体条件不同，便在结构之间产生不则程度的约束，故按约束程度 大小，外约束又可分为三种：无约束( 自由体) 、弹性约束、全约束( 嵌固体) 。 ( 1 ) 无约束( 自由体) 所谓自由体是指，一个物体或构件，其为形 不受其他物体或构体的约束，呈完全自由的变形， 它们之间的连接构造是通过可滑动的滚轴，通过 可滑动的自由接触来实现的，接触面上的摩擦力 小到可以忽略不计的程度。雎图2 - 1 圈2 - 2 ，图2 - 3 田2 _ l 自由体系示意 圈2 - 2 自由体系示意田2 - 3 自由体系示意 无约束自由体的变形既然不受到阻碍，便不会产生约束应力( 外约束应力) 变形变化的“荷 载”在结构内部不引起应力，当然也无须担心外约束引起裂缝。 ( 2 ) 弹性约束。弹性约束是指，物体或构件的变形不是完全自由的，而是受到其他物体或构 件的约束。但被约束所受到约束体约束，由于被约束结构或约束结构都是弹性可变形的，所以被 约束不可能一点不动，而是部分为形式；即不完全自由变形。这种状态，在实际工程中颇为常见。 9 圈2 - 4 弹性约束示意圈2 - 5 弹性约束示意 ( 3 ) 全约束( 嵌固体) 全约束是指，物体或构件的变形受到其他物休所构件的完全约束，致使变形体完全不能变形； 该物体即称为“嵌固体”，如图3 - 6 所示，全约束梁( 嵌固梁) 没有变形的余地。在实际工程中， 地基梁的收缩变形受到柱基的约束，几乎完全 1t 圈2 - 6 全约束示意 不能变形，接近于全约束。全约束状态的约束 应力最大。 根据约束的形式，外约束又分为“集中式” 约束和“连续式”约束两种。 如果约束体对被约束体( 变形体) 通过若 干节点集中传递约束作用，称为“集中式”约 束。例如框架结构的横梁变形通过许多柱头( 节 点) 受到立柱的约束即属此例。 如果约束体对被约束体通过无穷多节 点传递约束作用，则称为“连续式”约束，如长墙 受到地基的约束，水坝受到坝基的约束。在外约束条件 下，为了反映结构物承受的约束程度，也就是反映结构 物的可变形程度，可定义结构的约束系数和自由度系 数如f 。 豳2 - 7 连续式约束示意 结构的自由变形可分为两部分：一部分是实际变形；另一部分是被约束的变形： = 巧+ 疋 为无约束条件下的自由变形，点为实际变形，最为约束变形。 自由度系数：叩2 约束系数；r = d 元 行+ r = l 结构构件的自约束程度与组成构件的分子( 颗粒、质点) 结合强度及刚度有关。相关粘性介质， 其自由度系数近于1 0 ( 珂= 1 o ) ，约束系数近于0 ( r = o ) ；相对固体结构材料，如钢材、混凝土 等，自由度系数近于0 ( 玎卸) ，约束系数近于1 o ( r j l o ) 。 构件的外约束应力起因于结构与结构的约束，约束变形可能有各种形式，因此，既可能产生 贯穿性断裂，也可能产生局部裂缝。 2 1 2 内约束( 自约束) 一个物体或一个构件本身各质点之间的相互约束作用称为“内约束”或自约束”，沿一个 构件截面各点可能有不同的温度和收缩变形，引起连续介质各点间的内约束应力，例如深梁承受 非均匀受热或非均匀收缩，烟囱筒壁的非均匀受热以及各种大体积混凝土设备基础的非均匀温差 1 0 或收缩。相对没有外约束的自由体构件，只有非线性不均匀变形( 温度、湿度等) 引起自约束应 力。 豳喇 圈2 4 自约束 研究内约束时，一般假定混凝土及钢筋混凝土构件为均 质弹性体。但在特殊情况下，如研究混凝土内部微裂的出现 时，需要考虑混凝土内部构造， 探讨石子骨料与水泥浆的约束应力。假定水泥的收缩变 形受到不变形的骨料约束，则按外约束计算方法进行。因此， 外约束与内约束是相对的，在不同条件下可以采取不同的假 定。 2 2 温度应力的基本概念 结构物可能承受由各种温湿度及其他原因引起的变形。如图2 - 9 所示的悬臂梁，承受一均匀 的温度差t ( 升温为正，降温为负) ，梁将产生自由伸长l ，梁内不产生应力。 梁端自由伸长值( 自由位移) ：口死占：垒生：口r 三 式中a 一线膨胀系数( 杆件每升高1 摄氏度的相对变形) ( 1 。c ) ； 图2 - 9 自由变形粱示意图 t 一温差( 。c ) ； l 一悬臂梁的跨度( c m ) ； 占一相对自由变形。 如果悬臂梁的右端呈嵌固状，则梁的温度变形受到障碍，完全不能移动，梁内便产生约束应 力，其应力数值由以下两个过程叠加而得，间图( 2 - 9 ) ( 1 ) 假定梁里自由变形，梁端变形三= a t l 。 ( 2 ) 施加一外力p ，将自由变形粱压缩回到原位，产生得应力即为变形约束应力。 1 1 根据外力p 得作用，位移三= 面p l ，p = a l i e f ，则将自由变位址压回原位的压应力即约 束应力为： 仃：一p 一a l e f ：一c t t l e f e a r ( 2 - 1 ) j 。上f 。己 这就是自由变形全部被压回到原位时的最大约束力，其值与温差、线膨胀系数及弹性模量成 比例，而与长度无关。 当悬臂梁的右端呈非嵌固状属弹簧约束梁的变形时，则由于温差t ，梁将产生位移，此时弹 簧受到水平力推力，产生一变位点，梁同时也受到弹簧的反作用，产生一压缩变位五，间图( 2 1 1 ) 卜卜雌 卜幞 图2 1 0 垒约束作用粱示意 图2 1 l 弹性约束作用粱示意 梁的自由变位即弹簧自由长度a l = a t l 受到了弹簧约束，只获得了部分变位龟，而其余部 分a l 一点= 疋是被弹簧压缩的变位。该变位是约束变位，其相对值为疋l = 岛，同时产生相 对的约束应力以= j 峰。 自由变位直观上为梁端实际变位4 与约束变位岛之和，即 a - - - - - 点+ 况 但是，由于变位有正负号，科学的表达应是梁端的实际变位61 等于约束变位62 与自由 变位al 之代数和。若用相对变形表达，则悬臂梁湍的实际变位为： q 2 岛+ 小争口丁 ( 2 - 2 ) 上式中盯，及t 都带有正负号，如拉力仃，为正，升温差t 为正，反之均为负号。公式( 2 2 ) 是变形变化( 温度、收缩、沉降等) 状态下基本应力应变关系，与普通荷载状态下应力j 应变关 系不同之处，在于多出一个自由变位项，在解决工程问题或整理试验资料中应特别予以注意。 如果欲分析的结构物是一个由无数多个微小立方体连接组成的连续整体、均质、弹性的结构 物，则当结构承受某种不均匀温度变化作用时，各微小立方体由于体积微小，可视为一个点，该 点呈均匀受热( 冷) 。如方体) 如果结构物没有内外约束，则小立方体变成一个膨胀( 收缩) 的 1 2 另一相似微小立方体，不引起应力。只有变形。但实际上，既可能有外约束，也可能有内约束， 由于温度分布不均，一般产生弹性约束，则各点，即各微小立方体的实际变形便会由两部分组成， 一是约束应变，二是自由温度相对变形。假定某点的温度初始值为0 。c ，承受温差为t ，线膨胀 系数为a ，则任何一点( 微小立方体) 的相对变形。 一维问题，即单向约束问题 ( 1 ) 弹性约束条件下 占：! + a r e ( 2 ) 全自由条件下 全自由条件下，无约束应力，有最大变形： 仃= 0 占= 口t ( 3 ) 全约束条件下 全约柬条件下，无变形，有晟大约束应力： q 。= 一e a t 占= 0 由上述可知，结构物最大应力与长度无关，并且很容易计算。所以有些工程的设计，曾用 上述公式对温度应力作简单估算。但实际情况说明。这种作法过高地估算了温度应力。 1 3 第三章温度应力概念分析 3 1 框架竖向结构的简化概念分析 3 1 1 概念分析 钢筋混凝土结构的温度应力影响 ( 1 ) 概述 钢筋混凝土建筑物，由于受到自然环境中各种温度变化的影响，结构表面和内部会产生温度 变形。这种变形受到约束时就会产生温度应力，当温度应力达到一定数值，结时构内部的微观裂纹 将会发展成为宏观裂缝。此外，混凝土的收缩和徐变也会使结构产生。在工程中考虑温度变形的 影响往往不可忽略混凝土的收缩和桧变。钢筋混凝士结构由于温度改变产生的内力的大小与建筑 物所处的地理位置、地形地貌条件、结构物的方位、朝向及所处的季节、太阳辐射强度、气温变 化、云、雾、雨、雪有关。 温度裂缝：在工程中，当混凝土的收缩或温度变形受到外界约束条件的限制而不能自由发生 时，结构构件中产生“强制应力”，也就是收缩应力或温度应力。配有钢筋的混凝土构件中，由 中于钢筋具有和混凝土儿乎相同的温度膨胀系数。因此单独由于温度变化不会在两者之间造成强 但应力。但受压钢筋没有收缩的性质，因此它将对混凝土的收缩产生阻碍。从而使钢筋受到强制 压应力，使混凝土受到强制拉应力。截面的配筋越犬，这种强制拉应力就越，当截面中配筋过多， 甚至会使混凝士受拉开裂。 温度应力：温度应力对建筑物的影响主要有两个方面，一个是长度方向，另一个是高度方。在 长度方向，当房屋的长度越太，楼板等纵向连续构件由收缩和温度变化引起的长度改变越大。如 果这些纵向构件的变化受到竖向构( 柱件、墙) 的约束，在纵向构件中会产生拉应力或压应力，而 竖向构件中也会相应地受到水平推力和拉应力。在多层及高层建筑中，收缩和温度应