超常钢筋混凝土结构无缝设计施工新技术.doc

超常钢筋混凝土结构无缝设计施工新技术 中国建筑材料科技研究院 房建材料与混凝土研究所 北京贝思达工贸有限责任公司 一、“缝”的概念在钢筋混凝土结构设计和施工中，常常涉及到许多“缝”的概念（也有称之为“带”），如伸缩缝、后浇缝、沉降缝、施工缝、加强带等等。这些“缝”内涵与外延各不相同，但彼此相互联系并时有交叉，在工程应用中时有混肴。现将在钢筋混凝土结构设计施工中常用到的“缝”分类如下并阐述其含义。 永久性伸缩缝 伸缩缝 临时性伸缩缝 沉降缝 缝 水平施工缝 施工缝 垂直施工缝 加强带 斜施工缝 伸缩缝(expansion joint)是结构设计在结构上的一种考虑,是基于混凝土干燥收缩和热胀冷缩而设的,其中永久性伸缩缝(通常称之为伸缩缝)是基于长期热胀冷缩的考虑,而临时性伸缩缝（通常称之为后浇带）则主要是基于干缩和施工期间水泥水化热的考虑,一般在4060天后用填充性膨胀砼回填。 沉降缝是基于地基的不均匀沉降，如主楼与裙房间高差而产生不均匀成降等而采用的构造措施，有些沉降缝永久保留，有些则多在主体结构封顶后用填充性膨胀土回填。 后浇带既是设计措施，于是一个施工的概念和措施，它是在砼施工期间保留的一个缝，在收缩或沉降基本完成后，用填充性砼二次回填，故称之后浇带，后浇带从“后浇”的严格意义上来说包括临时性伸缩缝和部分沉降缝，但为防止混肴起见，习惯上一般将后浇带与临时性伸缩缝混同，而不包括沉降缝。本为尊从这一习惯，所讲到的后浇带即指临时性伸缩缝。 施工缝是在混凝土施工间隙所形成的一种施工冷缝，包括水平施工缝、垂直施工缝和斜施工缝。施工缝在施工中应尽量避免出现，一旦出现则应进行处理。如水平缝可以做企口或阶梯形等，地下工程也可使用钢板止水带或橡胶止水带的办法处理，然后用1：2膨胀砂浆与新砼连接。垂直缝、斜缝也应凿毛、清理、然后用1：2膨胀砂浆与新砼连接。 膨胀加强带（简称加强带或膨胀带）是本技术提出的一个概念，是为取消后浇带。实现超长结构连接施工，而人为采取的措施。本为将对加强带的原理、性能及应用作详细介绍。 二、无缝设计的提出 在七十年代以前，对于一些超长钢筋砼结构，通常采用永久性伸缩缝来解决收缩开裂的问题。七十年代以来，后浇缝技术的出现特别是填充性膨胀砼在后浇带施工中的成功应用（以1977年毛主席纪念堂工程为典型代表），成为一种扩大伸缩缝间距和取消结构中永久伸缩的有效措施，后浇缝一般在两侧砼浇灌4060天收缩基本完后回填，使结构成为一种连续整体的无伸缩缝砼结构。这是一种“抗放兼施,以放为主”的设计原则，是针对普通水泥砼存在收缩开裂问题，以设置后浇带的办法释放大部分收缩应力，然后以膨胀砼填缝，抗衡残余收缩应力。这种设计及列入规范而广泛采用。 然而，后浇带的凿毛与清理给填缝施工带来一定麻烦，填缝不好还常常成为渗漏隐患，并且延长工期，有时还影响总体结构的设计，能否取消后浇缝，这是工程界向我们突出的新课题。 中国建材研究院于1985年以来研究成功复合膨胀剂、U型膨胀剂，90年代以来又发展了多功能复合高效膨胀剂CEA-B，在结构自防水技术领域取得重大突破，1992年补偿收缩砼防水工法列为国家级工法（YJGF22-J92），已在全国实施，在此基础上根据膨胀砼补偿收缩原理，1990年开始探索取消后浇带的科研工作者,首先在理论上搞清楚,后在工程上从小到大实践.经过几年的探索与实践,该技术受到建筑工程界的广泛关注.至今,北京大部分民用与工业设计院和主要施工单位均采用了这一无缝施工方法,中南、华东、华南、西北、西南、东北地区的大型设计和施工单位也采用了这一新技术，在北京大红门服装加工商贸城、北京金叶大厦、武汉百盛国际配售中心、福州长乐国际机场、石家庄化纤厂污水处理工程、广州彩色显象管厂工期厂房等50多个超长结构中应用成功，其中不但有的下结构、水工结构，而且在中国煤炭科技苑、力鸿花园等工程的地上楼面也得到使用，取得良好效果。 三、无缝设计的理论依据（一）：应力分析 “无缝设计”是相对的，根据工程结构具体情况，可无缝或少峰。这里的“缝”指的是释放收缩应力的后浇带或永久伸缩缝，不包括沉降缝。其设计思路是“抗放兼施,以抗为主”。即用掺膨胀剂的补偿收缩砼作为结构材料，其在水化硬化过程中产生膨胀作用，该膨胀由于受到钢筋和邻位的约束，能在结构中建立一定的预压应力？c，由此来抵抗收缩变形时产生的拉应力，防止混凝土开裂。 膨胀混凝土用于超长结构无缝施工，其限制膨胀率（2）设计和设定至为重要。2偏小，则不上收缩能力不足，无缝施工难以实现；2过大，对混凝土强度有明显影响。经大量试验研究与工程实践，CEA-B替代水泥10，对强度无影响，限制膨胀率适宜（2=1-10-4），在配筋率=0.2-0.8%下，可在结构中建立0.2-0.7Mpa预压应力，这一预应力大致可以抵消混凝土在硬化过程中因温度和干缩产生的拉应力，从而防止砼收缩开裂。或把裂缝控制在无害裂缝范围内（小于0.1mm）。基于这一“抗”的原理，采用CEA-B混凝土，后浇缝的间距延长至60mm是安全的，比规范2040m增加1倍左右。这是无缝设计概念中的“少峰”含义，已成功应用于结构设计中。随着我国建筑向大型化和多功能发展，平面面积逾万平方、长度尺寸超百米的钢筋混凝土结构越来越多。在这种情况下需要设置多条甚至数十条后浇缝以防止结构收缩开裂。如此多的后浇缝必然会给结构设计，特别是建筑施工带来诸多麻烦，延长施工工期，并增加降水和施工管理等费用。如果能够取消后浇缝，实现超长结构连续施工，显然具有重大技术经济意义。工民建的整体式基础，箱形基础的底板，车间混凝土地面，地下隧道、涵洞等结构，其特点是厚度（高度）H远小长宽与尺寸L，当H/L0.2时，板在收缩变形作用下，离开端部区域，板的全截面受拉应力较均匀。在地基约束下，将出现水平法向应力x。从工程实践可知，x是设计主要控制应力，是经常引起垂直裂缝的主要应力，其最大值max出现在板截面的中点X=0处，当max超过混凝土抗拉强度（Rt），板中部出现第一条垂直裂缝：开裂后每块板的水平应力重新分布x,若x Rt，又形成第二批裂缝，。这种裂缝有序性常可在工程中见到。为防止这种裂缝的出现，工业与民用建筑中已设置后浇缝作为释放收缩应力和控制裂缝的主要措施之一。从以下法向应力公式可见： max=ET(1-后浇缝只在较短的间距（L）范围对消减收缩应力（max）其显著作用，超过一定长度，即是设后浇缝也没有意义。按理论设计，消减max有效间距为2060m。下面谈到的膨胀加强带间距应设在此范围内。研究表明，CEA-B混凝土在硬化过程中产生膨胀作用，在钢筋和邻位约束下，钢筋受拉，而混凝土受压，当钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时，则有 ACC= AsEs. 2设= As/ Ac则C =Es (1)式中，C混凝土预压应力（Mpa）-AS钢筋截面积配筋率（） AC混凝土截面积ES钢筋弹性模量(Mpa) 2混凝土的限制膨胀率（也级钢筋伸长率）由（1）式可见，C与2成正比关系，而限制膨胀率2随CEAB掺量增加而增加，所以，我们通过调整膨胀剂掺量，可使混凝土获得不同的预压应力。根据水平法向力C分布曲线，我们设想在max处给与较大的膨胀应力C，而在两侧给与较小的膨胀应力（见图2），以便结构的收缩应力得到大小适宜的补偿，从而控制有序裂缝的出现。四、无缝设计的理论依据（二）：变形分析根据我国著名的水泥砼专家，中国工程院院士吴中伟教授关于膨胀混凝土的基本理论和观点，防止混凝土开裂，有如下判据：2-(st+sd-Ct)sk式中，2限制膨胀率 st冷缩率 sd干缩率 Ct受拉徐变绿，徐变Ct对补偿收缩防止开裂是有利因数。 sk极限延伸率满足上述判据，就不必设伸缩缝，否则应设伸缩缝，以避免收所应从自由端延长向积累，引起中断开裂。 我国著名的裂缝专家王铁梦教授通过对结构物应力一应变分析与计算，求得了平均伸缩缝间距计算公式如下： L=1.5 式中：H底板厚度或侧墙每次施工高度（mm）E混凝土的弹性模量（Mpa）Cx基础的水平阻力系数(N/mm3)a混凝土的线膨胀系数，为1.0*?arcosh双曲余玄函数的反函数Sk配筋混凝土的极限拉伸Rf混凝土抗拉强度标准值P=配筋率100d=钢筋直径T为综合温差，普通混凝土T=T1+T1T3式中, T1混凝土因水泥化热而引起的温升值 T2混凝土的收缩当量温差 T3膨胀混凝土的膨胀当量温差根据裂缝平均间距计算公式，可见，当skL 当T skL 而T=（T1+T2-T3）=T1+T2-T3=Sd+St-s这样式就便为Sd+St-2S 即不设缝而不开裂 比较可见，王铁梦的裂缝间距计算公式在极限状态下其本质同吴中伟的防止砼开裂的判据公式完全一致。当？ 砼可能抗裂，裂缝间距可由王铁梦公式求得；当？，即？时，砼不开裂。 五、抗裂分析与计算 在吴中伟院士和王铁梦教授学术思想指导下，通过对各种条件下砼膨胀和收缩的研究，利用数理统计回归分析方法，建立了膨胀与收缩的拟合数学解析式，式膨胀砼的抗裂性能够针对构件的结构尺寸和具体的施工条件进行计算，为设计和使用膨胀砼提供了更加科学的依据。 1、 膨胀砼补偿收缩模式水泥材料抗拉强度低，韧性差，当失水干燥或环境温度变化使砼产生收缩时，很容易出现裂缝。经多年研究和实践，膨胀砼被认为是一种更解决砼开裂的理想材料。膨胀砼在钢筋或邻为限制下，膨胀能做功，产生预压应力，可抵消部分或全部限制收缩所产生的拉应力，从而防止或减少收缩裂缝的出现。膨胀砼补偿收缩模式图如下：从上图看出，要想对膨胀砼进行补偿收缩能力的设计 ，最重要的是计算筒的限制膨胀率？和收缩率S。如果？大于S，砼中将有压应力存在；若其差值的绝对值小于砼的极限延伸率？，砼中虽有压应力尚不致使砼出现裂缝，若其差值的绝对值大于SK时，内部拉应力超过其抗拉强度，砼出现裂缝。因此，研究限制膨胀率？、收缩率S和极限伸率SK的大小，以及各种外部因素对这些参数的影响规律，是对膨胀砼的补偿收缩能力进行计算的关键。2、 限制收缩率S限制收缩率S包括干缩率SD和冷缩率ST,即 S=Sd+ST根据大量研究，并经回归分析，得出膨胀砼干缩率Sd的拟合方式和冷缩率ST的计算式分别为： ？所以式中：t为龄期（天） R为通县至干缩率与自由干缩率之比，根据统计资料R取值一般在0.60.8之间。 ？为偏离标准条件的修正系数，其中？为环境相对湿度影响系数；？为构件尺寸影响系数；？为养护方法影响系数；？为掺合料影响系数；？为砼强度等级影响系数。其取值范围已根据大量数据统计结果而确定，针对工程具体情况取值。 ？为砼热膨胀系数，为？ T1为砼水化引起的温升（？），可根据施工条件预计式设定。 T2为气温变化为差（？），可根据施工环境预计。3、 限制膨胀率？根据大量研究，并经回归分析，得出膨胀砼限制膨胀率？的拟合公式为？式中t为龄期（天）?为偏离标准条件的修正系数，其中？为膨胀剂品种影响系数;?为膨胀水泥品种影响系数；？为砼强度等级影响系数；？为膨胀剂掺量系数；？为水泥用量影响系数；？为配筋率影响系数；？为粗集料影响系数；？为水灰比影响系数；？为养护制度影响系数。其取范围已根据大量数据统计结果而确定，针对工程具体情况和设计要求确定。4、 极限延伸率配筋砼的极限延伸率？式中：Rf为砼抗拉强度标准值P=配筋率100D为钢筋直径（cm）如前所说，徐变对补偿收缩防止开裂是有因素，它可使普通砼的长期极限拉伸增加一倍左右，及提高了砼的极限变形能力。因此，在计算砼的抗裂性能时，显然需要把徐变（应力松弛）考虑进去，偏于安全取地普通砼的松弛系数为0.5，即砼的极限拉伸在考虑徐变的情况下，增加了50。故通考虑徐变后的极限延伸率Sk为： SkSk（10.5） 通过以上分析计算，我们可以针对具体工程差数和施工条件，对膨胀砼进行定量设计和计算，使之满足抗裂判据条件，即可实现无缝施工而不开裂。 六、无缝设计施工方法 根据以上的分析，在一定条件（满足抗裂判据公式）进行无缝设计是可行的。那么，在工程设计中，如何根据收缩应力曲线（图2）进行相应的补偿呢？参见图3的无缝设计示意图。 图3 地下结构防水砼无缝设计意图 在应力集中的？处（按传统方法留后浇带处），设膨胀加强带，其宽度2m,带的两侧架设密孔铁丝网，并用立筋（？）加固，目的是防止混凝土流入加强带，带内强度等级比两侧5Mpa；施工时，带外用膨胀砼（CEAB10，膨胀率约13万）;浇注到加强带时，改用大膨胀混凝土（掺CEAB144万），到加强带另一侧时，又改为小膨胀混凝土浇注。如此循环下去，可连续浇注100200M超长结构。由于混凝土供应或施工力量达不到连续作业要求时，可采用图4“间歇式无缝施工法”，加强带一侧改为台阶式。施工缝凿毛清洗干净后，用大膨胀混凝土浇加强带，随后用小膨胀混凝土浇注带外地段。 图4 “间歇式”无缝设计示意图 对于墙体，由于厚度薄，面积大，养护困难，又受风速和大气温度影响大，容易出现收缩裂缝。因此，应严格控制惨量，并按如下三中情况区别对待，对60M以内的墙掺量提高1，与地板一样处理；对150M以内的墙掺量提高2，与地板一样对待，对150M以上的墙，建议采用后浇加强带，及分段浇筑加强带两侧的小膨胀混凝土（掺CEAB10），养护14天后，用大膨胀混凝土（掺CEA14B15）回填加强带，见图5。此方法与传统后浇带设计一样，要设止水带。不同之处是，后浇加强带色宽度为2m ,回填用大膨胀混凝土，回填缝时间为14天，比传统后浇缝说断喙天时间提前30多天。 图5 墙体的后浇加强带设计示意图（立面） 对于地上部分结构件，因无防水要求，允许出现的裂缝宽度不超过0.3mm（有防水要求时，不超过0.1mm）。但由于地上部分湿度小，温差大，砼热胀冷缩成为较突出的矛盾，一般在结构件整体现浇长度100m以内时，可常规采用无缝技术；现浇长度在100200mm或更长时，较稳妥的办法是预应力技术与膨胀砼相结合，用预应力技术解决永久性伸缩缝，用膨胀砼解决后浇带，地上现浇楼板在采用预应力技术后浇带构造如图6。图6与图3的区别在于加强带两侧采用无收缩混凝土（掺CEA-B1415）。由于楼板厚度小，加强带两侧可用模板隔离，无需另架设密孔钢丝网。 七、无缝设计注意事项 1、 取消后浇缝的无缝设计，要根据结构特点灵活运用，沉降缝和具有沉降性质的后浇缝不能取消。能后取消的