高层建筑钢筋混凝土结构强约束部位裂缝的分析与控制.doc

高层建筑钢筋混凝土结构强约束部位裂缝的分析与控制【中国结构师考试网 - 结构工程师考试】 混凝土工程中材料的特性决定了结构较易产生裂缝，从实践中来看施工中混凝土出现裂缝的概率也是很大的，相当一部分裂缝对建筑物的受力及正常使用无太大的危害，但裂缝的存在会影响到建筑物的整体性、耐久性，会对钢筋产生腐蚀，是受力使用期应力集中的隐患，应当尽量在各方面给予重视，以避免裂缝的出现或把裂缝控制在许可的范围之内。一、高层建筑施工中几个特殊部位的裂缝分析1、大体积基础混凝土板 高层建筑中随着高度的不断增加，地下室愈做愈深，底板也愈来愈厚，厚度在3m以上的底板已屡见不鲜。高层建筑中基础底板为主要的受力结构，整体要求高，一般一次性整体浇筑。国内外大量实践证明，各种大体积混凝土裂缝主要是温度变化引起。大体积混凝土浇筑后在升温阶段由于体积大，集聚在内部的水泥水化热不易散发，混凝土内部温度将显著升高，这样在混凝土内部产生压应力，在外表面产生拉应力，由于此时混凝土的强度低，有可能产生表面裂缝。在降温阶段新浇混凝土收缩因存在较强的地基或基础的约束而不能自由收缩。升温阶段快，混凝土弹性模量低，徐变的影响大，所以降温时产生的拉应力大于升温时产生的压应力。差值过大时，将在混凝土内部产生裂缝，最后有可能形成贯穿裂缝。为解决 上述二类裂缝问题，必须进行合理的温度控制。 混凝土温度控制的主要目的是使因温差产生的拉应力小于同期混凝土抗拉强度的标准值，并有一定的安全系数。为计算温差，就要事先计算混凝土内部的最高温度，它是混凝土浇筑温度、实际水化热温升和混凝土散热温度的总和。混凝土内部的最高温度大多发生在浇筑后的3-7天。混凝土内部的最高温度Tmax可按下式计算：TmaxTo+（WQ）/（Cr）+（F）/（5O） （1）式中：T0混凝土的浇筑温度（）W每m3混凝土中水泥（矿渣硅酸盐水泥）的用量（kg/m3）F每m3混凝土中粉煤灰的用量（kg/m3）Q每kg水泥水化热（J/kg）C混凝土的比热r混凝土的密度不同厚度的浇筑块散热系数 实测资料显示，当基础板厚大于2米时，上述公式的相对误差在0.1%-1.3%之间，在计算温差后，即可计算出降温阶段混凝土内部的温度应力（2）xmaxxmaxET（1-（1）/（cosh L/2）H（t，）（2）式中：E混凝土的弹性模量（N/mm2）混凝土的线膨胀系数（10-5/）T温差（）L板长（mm）CxHEH板厚（mm） H0.2L时，取H0.2LCx地基水平阻力系数（N/mm3）H（t，）考虑徐变后的混凝土松驰系数，其中，t产生约束应力时的龄期，约束应力延续时间。注意同期内由于混凝土收缩引起的应力应转化为当量温差，计入T一并计算xmax. 由（1）、（2）分析可知：为避免裂缝出现，主要是减少T.可采用合理选用材料，降低水泥水化热，优化混凝土集料的配合比，控制水灰比，减少混凝土的干缩，具体控制措施见后。如有可能，减少浇筑长度L，增加养护时间减少降温速率以相应减少松驰系数对控制贯穿裂缝也有一定的意义。2、地下室混凝土墙板及楼板的裂缝分析 地下室墙板的裂缝产生与基础大体积混凝土裂缝产生的原因有相同之处，即混凝土在硬化过程中由于失水会产生收缩应变，在水泥水化热产生的升温达到最高点以后的降温过程会产生温度应变。但又有其特点：一是墙板受到基础、外围楼板受到地下室外墙的极大约束，这种约束远大于桩基对基础的约束，产生贯穿裂缝的机率大。二是内墙板及楼板受环境温度影响较大。三是内外温差小，产生表面裂缝的机率小。四是养护困难，散热快、降温速率大，混凝土的松驰徐变优势难以利用，在气温骤变季节尤应注意。在计算板内最大拉应力时仍可利用公式（2），但有以下几点应注意：1）H取0.2L，L为整浇长度；2）Cx取值应大于1.5N/mm3因为连接部位有较强钢筋约束；3）计算温差T时，要考虑底板及外墙（兼作围护情况下）紧靠土体，受环境温差小，而被它们约束的墙板及周边楼板在施工过程中基本同外界温度同步变化。4）若底板墙板施工间隔过长、外墙兼作围护时，则在计算混凝土收缩时应注意约束体与被约束体的收缩期不同，收缩量也不相同。3、高强混凝土裂缝分析 目前高层建筑中已广泛使用C40-C60中高强混凝土，随着材料科学的迅速发展，C80C120的高强混凝土在具体工程中已有应用。由于高强混凝土采用的配合比设计多为低水灰比、高标号水泥、高水泥用量、使用高效减小剂及掺加超细矿粉。这样其收缩机制与普通混凝土就有所不同。 高强混凝土由于其水泥用量大多在450-600kg/m3），是普通混凝土的1.5-2倍。这样在混凝土生成过程中由于水泥水化而引起的体积收缩即自缩就大于普通混凝土，出现收缩裂缝的机率也大于普通混凝土。 高强混凝土因采用高标号水泥且用量大，这样在混凝土硬化过程中，水化放热量大，将加大混凝土的最高温升，从而使混凝土的温度收缩应力加大。在叠加其他因素的情况下，很有可能导致温度收缩裂缝。由于高强混凝土中水泥石含量是普通混凝土的1.5倍，在硬化早期由于水分蒸发引起的干缩也将大于普通混凝土。二、裂缝的控制措施1、设计措施1）增配构造筋提高抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在0.3-0.5%之间。2）避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。3）在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。4）在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝，在正常施工条件下，后浇缝间距20-30m，保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况作设计变更。2、施工措施1）严格控制混凝土原材料的的质量和技术标准，选用低水化热水泥，粗细骨料的含泥量应尽量减少（1-1.5%以下）。2）细致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，减少混凝土的坍落度，合理掺加塑化剂和减少剂。3）浇筑时间尽量安排在夜间，最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置，或用湿麻袋覆盖，必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时，在水平及垂直泵管上加盖草袋，并喷冷水。4）根据工程特点，可以利用混凝土后期强度，这样可以减少用水量，减少水化热和收缩。5）加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。6）混凝土尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15以上，混凝土的现场试块强度不低于C5.7）采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。8）根据具体工程特点，采用UEA补偿收缩混凝土技术9）对于高强混凝土，应尽量使用中热微膨胀水泥，掺超细矿粉和膨胀剂，使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰，掺量15%-50%.该文章转载自无忧考网：1 引言 高层建筑工程钢筋混凝土结构产生裂缝的原因很多，主要是由温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降等变形作用引起的。据有关统计，由变形作用引起的裂缝几乎占全部裂缝的80以上，其中，在条件相同的情况下，强约束部位工程裂缝出现的概率更大、裂缝更宽。结构物的变形受到约束后才产生约束应力，当约束应力超过钢筋混凝土结构的抗拉强度时便产生裂缝，因此约束强弱对结构物是否产生裂缝有着相当大的影响。 2 高层建筑结构在强约束条件下的变形与裂缝分析 高层建筑中地下室外墙板、二层梁、顶层梁板与屋面女儿墙由于受温度应力的作用，比一般情况下更易产生裂缝，工程实践中经常会在这些部位出现裂缝。 2.1地下室结构 地下室工程中最容易产生裂缝的部位是外墙板，底板与顶板产生裂缝的概率不大，其主要原因是：高层建筑地下室结构往往超长，外墙板受到地下室底板的强大约束，其约束远远大于地下室底板与顶板所受的约束。外墙板产生的裂缝绝大多数为竖向裂缝，多数缝长与墙高相当，两端逐渐减小。裂缝大部分出现在拆模后不久，有的还与环境温度变化梯度有关。一般情况下为表面裂缝，有时也有贯穿裂缝。 2.2底层结构 高层建筑一、二层在上部结构中所受约束最大。地下室外墙板与顶板厚度大、配筋密集，地下室结构本身受到地下室基础、底板、外侧土体的约束，因此地下室结构对上部一、二层的约束很大。高层建筑一、二层结构梁板经常会出现横向裂缝，特别是位于两个电梯井间（电梯井采用筒体结构）的大梁，该大梁还受到两个钢筋混凝土简体的强大约束，实际工程中经常有竖向裂缝出现，裂缝一般位于板下梁的两侧，有时裂缝在梁底跟通，这些裂缝通常是表面裂缝，深度在12 cm以内。 2.3中间层结构 高层建筑中间结构层梁板产生裂缝的情况很少，一个主要原因就是其所受的约束较小。 2.4顶层结构 高层建筑楼层结构越往上所受的约束越小，其水平位移越大，符合“约束强变形小、约束弱变形大”的规律。因此，距离底部基础约束最远的顶层结构所受的约束最小，其水平位移最大。但是顶层上部由于无约束或约束极小（如屋面机房对其的约束），受到的下部结构约束与上部相比很大，再加上顶层结构温差变化大，屋面板面大体薄对温度变化敏感，加上屋面板转角部位分别受到两个方面的约束，因此屋面板容易在转角部位产生八字形裂缝。还有一些屋面南侧边梁受到日照温差相当大，因此南侧边梁也容易产生竖向裂缝。 2.5屋面女儿墙 屋面女儿墙的约束情况与地下室外墙板、顶层结构相似。女儿墙受到的下部约束很大，而上部由于一般只按构造要求设一道压顶梁，上部约束很小，再加上女儿墙为薄壁结构，温差变化大，极易产生收缩裂缝。 3 大底板多塔楼建筑结构在强约束条件下的变形与裂缝分析 大底板多塔楼高层建筑产生的裂缝除具有一般高层建筑的特点外，还具有其自身的特点。大底板底板与地下室楼面在塔楼部位受到的水平约束与竖向约束均很大，因此在塔楼与裙房（或广场）的连接部位容易产生裂缝。 3.1大底板底板 大底板多塔楼高层建筑经常采用桩筏或桩箱基础其特点是竖向荷载的差异，使塔楼与裙房或广场产生差异沉降，这种类型的桩筏或桩箱基础的一个特点是底板厚度H远小于长宽尺寸L，当H/L小于或等于0.2时，底板在温度收缩变形作用下，离开端部区域，板的全截面受拉应力较均匀。在不均匀沉降作用、地基约束、塔楼竖向作用力下，将出现水平法向应力，该应力是引起垂直裂缝的主要原因，尤其在底板厚度或肋梁较小的裙房与广场部位特别容易产生裂缝。 一般横向裂缝产生是由于上部荷载的不均匀作用，导致地基与基础受力不均匀，在差异沉降、底板收缩与地基约束下，底板自身的刚度不够，调节不均匀受力的能力较弱，遂产生了横向裂缝。沿底板对角线分布的斜向裂缝，其裂缝宽度一般呈现中间大两端小的枣核状，具有较明显的受剪破坏的特征，也是在差异沉降与地基约束作用下，底板自身的刚度不够而产生的。有时在塔楼与广场连接处的柱子会出现沿柱根呈“口”字形的裂缝，裂缝进一步发展时，“口”字四角再向外呈斜向发展，长度一般较短。 3.2地下室顶板 大底板多塔楼高层建筑的地下室顶板平面尺寸一般都很大、各边长度超长，温度变化引起的伸缩与混凝土自身收缩值均较大。塔楼大量的混凝土墙柱与剪力墙是结构中重要的抗侧力构件，它的存在大大提高了结构的抗侧移能力，加大对顶板变形的约束。由于顶板受到周边塔楼结构的强约束，而中间广场部位有一个较大的空间，只受到地下室墙柱的弱约束，因此顶板周边受到的约束远远大于中央部位受到的约束，周边受到的应力也远远大于中央部位。由于顶板在塔楼附近应力集中，因此裂缝首先在这里产生。由于平面尺寸大、结构超长，顶板其它部位也逐渐有裂缝产生，顶板中心由于约束很弱，一般无裂缝产生。塔楼部位的顶板受到地下室与上部结构的约束均较大，而自身的梁板跨度均较小且梁断面较大、刚度较好，一般不会出现裂缝。 3.3地下室外墙板 大底板多塔楼高层建筑地下室外墙板除具有一般地下室外墙板的特点外，由于外墙板受到塔楼结构的强约束，因此外墙板除具有一般的竖向裂缝外，在裙房（或广场）与塔楼连接处易产生较大的裂缝，裂缝一般呈竖向略带斜向，裂缝上部靠近塔楼，下部靠近裙房。 4 其它结构在强约束条件下的变形与裂缝分析 4.1汽车坡道 现代建筑物经常具有车辆直接进入二层的汽车坡道，一层通常作为车库。车道一端与一层楼面连接，另一端位于室外自然基础或地下室顶板上，平面布置如图1。由于车道的斜向布置使其具有极强的约束，特别是另一端位于地下室顶板上的情况，使车道产生平行于横向的裂缝，裂缝经常为贯穿性的。 4.2回字形结构 有些工程由于使用的需要，设计成呈“回”字形的内外两个钢筋混凝土简体，两简体间采用梁板连接。当内外两个简体间距较近时，梁板受到的变形约束极大，容易在楼面产生裂缝。某工程为地下一层结构，由内外两个简体构成，中间为无顶板水池，四周为走道有顶板，混凝土强度等级为C30。内外简体墙板厚度分别为250mm、300mm，顶板厚度为120mm，顶板配筋为上下双层双向10mm150mm。顶板刚度相对简体很弱，受到的约束很大。顶板产生的裂缝如图2所示，在角部呈45角分布，中间呈垂直于简体方向布置。 5 防止钢筋混凝土强约束部位结构裂缝的技术处理措施 强约束是建筑工程产生裂缝的一个重要原因，对有强约束的建筑工程，应采取减小约束、加强结构刚度、施加预应力等技术措施来有效减少裂缝的产生。 5.1减小约束 减小约束从根本上缓解裂缝的产生。对超长结构和大底板塔楼结构可以采用后浇带、伸缩缝，充分释放混凝土的伸缩应力，给结构留有合理的伸缩空间。对处在基岩或老混凝土上的基础或结构采用设置滑动层和铰接点的方法。如对斜形车道，可将其另一端设在具有滑动层的自然基础上。 5.2加强刚度 加强结构刚度，提高整体抗裂能力。在强约束区提高配筋，减小钢筋间距和钢筋直径，提高混凝土与钢筋的协同作用，提高抗裂能力。如：可在地下室外墙板中设置暗梁；在竖向荷载变化很大的连接部位加密钢筋；对加强大底板多塔楼高层建筑地下室底板整体刚度，提高其调节不均匀沉降的作用与抗裂能力；加强混凝土配合比的设计等。 5.3施加预应力 施加预应力直接约束结构的变形，减小因约束而产生的内力，从而防止结构开裂。预应力技术尤其适合于楼面结构，楼面结构的裂缝以横向为主，纵向钢筋的配置对其有重大的影响，一般可在纵向主梁中采用预应力筋以施加预应力。 5.4施工措施 加强施工，做好混凝土的养护工作，尽可能提高混凝土的实际强度。严格掌握后浇带的封堵时间，使混凝土有充分应力的时间等。 6 工程实例6.1实例 1 湖南某工程有地下室一层且连成整体，上部由7幢高层主楼组成。整个平面呈一个大的“L”形，两个长边分别达到153.5m、133.6m。主楼采用框架剪力墙结构。广场地下室采用框架结构，柱网间距8.2m。每幢主楼有两个东西对称布置的电梯间和楼梯间混凝土筒体。 地下室外墙板产生较多竖向表面裂缝，间距在34m，个别有渗水现象。地下室底板无明显裂缝与渗水现象。地下室顶板产生了较多斜向45裂缝且大多有渗水现象，裂缝主要分布在强约束区与应力集中的大阴角处，如图3所示。 7幢主楼连接两个电梯间、楼梯间的二层大梁均有裂缝产生。裂缝在梁侧呈竖向分布，上端接近于板底，下端通到梁底，梁底下侧个别也有连通。裂缝深度在1cm以内。三层该部位大梁也有少量裂缝产生，四层以上该部位大梁没有裂缝发现。由于顶层边梁配筋得到加强，屋面板转角均配置了上下层放射筋，因此顶层结构没有发现裂缝。 6.2 实例2 湖南某工业科技园综合楼工程建筑面积56100m2。A楼地下1层，地上6层，结构长度（含悬挑结构）为300.5m。基础采用人工挖孔桩与钻孔灌注桩，底板厚度为40cm。结构形式为全现浇框架结构，混凝土强度等级为C30。上部建筑采用通透式设计，外墙采用落地式大排窗。 6.2.1地下室裂缝控制 1）减少约束 在29轴设置一条伸缩缝分成东西两块，每块底板又设置了两条后浇带，如图4地下室平面示意图所示。地下室底板、外墙板、室外顶板及后浇带的混凝土均采用掺入10%UEA -H的微膨胀混凝土，提高混