摘要：介紹超長(zhǎng)大體積混凝土裂縫計(jì)算近似理論及裂縫控制預(yù)防措施。
關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)大體積混凝土裂縫 極限變形跳倉法
中圖分類號(hào)：[TQ178] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：
1.前言
工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域中的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題是一個(gè)相當(dāng)普遍的質(zhì)量問題，近年來它引起許多使用者的不滿于投訴，是目前困擾廣大工程技術(shù)人員的最大技術(shù)難題。特別是隨著建設(shè)規(guī)模的日趨增大，超長(zhǎng)超厚混凝土結(jié)構(gòu)日益增多，工程裂縫控制技術(shù)難度更高，人們不得不采取一些特殊的方法解決問題。
多年的建設(shè)實(shí)踐表明，大量的工程裂縫出現(xiàn)在承受外荷載作用之前，主要由“變形作用”引起，包括溫度、濕度、地基變形等。這類裂縫幾乎占總裂縫數(shù)量的80%以上，特別是現(xiàn)代化大型公共建筑超長(zhǎng)超厚大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，控制變形作用引起的裂縫問題是確保工程質(zhì)量的急待解決的主要技術(shù)問題。
2超長(zhǎng)大體積混凝土的定義
現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)、市政運(yùn)輸橋梁、地下工程、核電及其他結(jié)構(gòu)，雖然體積不像水工結(jié)構(gòu)那么大，但由于混凝土和水混的材料高強(qiáng)化發(fā)展，泵送商品混凝土的現(xiàn)澆施工工藝，結(jié)構(gòu)剛度的不斷強(qiáng)化等，結(jié)構(gòu)的水化熱及收縮應(yīng)力引起的裂縫已相當(dāng)普遍，必須采取綜合措施（設(shè)計(jì)、施工、材料及管理）加以控制。因此，大體積混凝土不再以截面尺寸具體大小來定義“大體積混凝土”而是以控制溫度收縮裂縫的必要性作為定義的依據(jù)。
美國ACI 116R(1985)定義：任意體量的混凝土其尺寸之大，足以必須采取措施控制由于水化熱和相伴的體積變化而引起的裂縫者，稱為大體積混凝土。
結(jié)合工程實(shí)踐情況，可定義“大體積混凝土”為：由于水化熱及體積穩(wěn)定性（收縮及其它變形作用），必須考慮控制溫度收縮應(yīng)力而引起的裂縫者，稱之為“具有大體積混凝土性質(zhì)的結(jié)構(gòu)”。
3超長(zhǎng)大體積混凝土裂縫的近似計(jì)算理論
根據(jù)專家多項(xiàng)工程現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果和處理工程裂縫的經(jīng)驗(yàn)和參考有關(guān)資料，連續(xù)式約束提出新的假定，假定基礎(chǔ)或地基為可變形體，通過剪力與水平位移的線性關(guān)系：………(1)
地基水平阻力系數(shù) 通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)和裂縫工程反演，給出定量結(jié)果，推導(dǎo)出連續(xù)式約束應(yīng)力近似計(jì)算方法，連續(xù)式約束條件下，引起豎向裂縫的水平正應(yīng)力：
= =-E ………(2)
最大值在中部：
X=0， =-E………(3)
考慮徐變引起的應(yīng)力松弛：
=-E H(t, ) ………(4)
端部剪應(yīng)力：
sh………(5)
為了較為確切地計(jì)算早期混凝土的溫度應(yīng)力，考慮彈性模量的變化及松弛系數(shù)隨時(shí)間的變化，將溫差分為許多區(qū)段 ，各段內(nèi)將 及H(t, )看做常量，最后疊加得考慮徐變作用的應(yīng)力（一般大塊或厚板均屬二維平面應(yīng)力），具齡期按時(shí)間增量法：
= = (t) (t， )………(6)式中： ；
為n段， 為第i段溫差；
(t)---混凝土處于第i段降溫時(shí)的彈性模量；
(t， )----由時(shí)間t至 的應(yīng)力松弛系數(shù)，t為由峰值溫度降至周圍氣溫的時(shí)間， 為第i段齡期；
應(yīng)用上述公式可計(jì)算任意時(shí)間的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)裂縫出現(xiàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，澆筑后3天至30天出現(xiàn)較為不利的應(yīng)力狀態(tài)，可對(duì)此階段進(jìn)行驗(yàn)算。
4抗裂基本理論
從公式（1）可看出：底板的最大控制應(yīng)力同溫差、收縮差、彈性模量及線膨脹系數(shù)成正比，為線性比例關(guān)系。與長(zhǎng)度呈非線底板的彈性模量增加，應(yīng)力增加；底板受地基的約束程度，即地基對(duì)底板的阻力系數(shù) 增加，應(yīng)力增加；底板的厚度增加，應(yīng)力降低。但所有這些關(guān)系都不是線性比例關(guān)系，增加或減少的速度呈非線性變化。最大應(yīng)力不僅與高長(zhǎng)比（H/L）有關(guān)，而且與底板長(zhǎng)度絕對(duì)尺寸有關(guān)。長(zhǎng)度增加，應(yīng)力增加，但不是線性關(guān)系。在較短的范圍內(nèi)，長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力影響較大，超過一定長(zhǎng)度后，影響變微，其后逐漸趨近于一常數(shù)，即長(zhǎng)度無論如何增加，應(yīng)力不變。所以，伸縮縫作于工民建筑中控制裂縫的主要措施之一，只在較短的間距范圍對(duì)消減溫度收縮應(yīng)力起顯著作用，超過一定長(zhǎng)度，即使設(shè)置伸縮也沒有意義，留和不留是一樣的，總而言之，“留伸縮縫，宜短些；若過長(zhǎng)，則失去效用”。
如果想在超長(zhǎng)或加長(zhǎng)（理論上可以無限長(zhǎng)）的底板上不設(shè)置伸縮縫，而又想控制不開裂，是否可能呢？公式（2）給出回答是肯定的，那就要調(diào)整公式中的其他因素，只要所得出的拉應(yīng)力（或最大約束應(yīng)變）≤結(jié)構(gòu)材料的抗拉強(qiáng)度（或極限拉伸）就可以保證結(jié)構(gòu)不會(huì)開裂，任意長(zhǎng)度的無縫工程完全可以實(shí)現(xiàn)，這就是以“抗”為主的基本依據(jù)。
從公式（3）可看出，溫度應(yīng)力首先和溫差及彈性模量成正比，升溫T為正，應(yīng)力 為負(fù)，即引起壓應(yīng)力；降溫T為負(fù)，應(yīng)力 為正，即引起拉應(yīng)力；將混凝土的收縮值換算為當(dāng)量溫差，此當(dāng)量溫差永遠(yuǎn)為負(fù)值，應(yīng)力為拉應(yīng)力，因此混凝土結(jié)構(gòu)的降溫與收縮同時(shí)發(fā)生時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)將承受疊加的拉應(yīng)力，容易開裂，所以夏季、春秋干燥季節(jié)施工的工程較冬季施工的工程更容易開裂。
水平法向應(yīng)力 （t）超過抗拉強(qiáng)度，在中部出現(xiàn)第一條裂縫，一塊分成兩塊，每塊板又有自己的水平應(yīng)力分布，且其圖形完全相似，但其最大值由于長(zhǎng)度減少了一半而減少，如果該值仍然超過抗拉強(qiáng)度，則形成第二批裂縫，每塊板再分成兩塊，共四塊板三條裂縫。如此持續(xù)下去一直到最后那塊板中部最大水平應(yīng)力小于或等于抗拉強(qiáng)度，裂縫便穩(wěn)定，不再增加。這就是混凝土結(jié)構(gòu)的“開裂有序性”。
5 極限變形控制伸縮縫間距
用極限變形概念研究伸縮縫的作用，并作為一種實(shí)用計(jì)算方法推導(dǎo)出裂縫間距公式：
在該式中混凝土極限拉伸 值可考慮配筋影響及徐變影響；溫差T中包括水化熱溫差、氣溫差、收縮當(dāng)量溫差。
由上式可以看出：地基對(duì)底板的阻力系數(shù) 變化時(shí)，伸縮縫間距也隨著變化，當(dāng) 0時(shí)，即地基對(duì)底板幾乎不產(chǎn)生阻力，底板接近自由變形時(shí)，伸縮縫間距可任意長(zhǎng)，即可不設(shè)伸縮縫。還可看出，溫差或收縮相對(duì)變形與結(jié)構(gòu)材料的極限拉伸之間的關(guān)系（即 ）很重要，一般總是 大于 ，他們的差別越大，伸縮縫間距越��；差別越小，伸縮縫間距越大。如果采取措施使 值趨近于 ， 趨近于∞，則完全無需伸縮縫。這就需要降低溫差或收縮，提高混凝土的極限拉伸應(yīng)變。
在工程實(shí)踐中，遇到形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)變化多端，其應(yīng)力狀態(tài)，難以嚴(yán)格求解，則可采用溫差（包括收縮）變形小于或等于極限拉伸應(yīng)變的原則控制裂縫： ≤ ，即所謂“抗”的原則。
5 “抗放原理”，后澆帶法的發(fā)展
目前，后澆帶取代永久性伸縮縫的方法已相當(dāng)成熟，應(yīng)用廣泛，但是后澆帶間歇時(shí)間較長(zhǎng)，影響工期，后澆帶中清理垃圾困難�？紤]到早期（7~10天）溫差及收縮差較大，同時(shí)我們應(yīng)用“抗與放”的設(shè)計(jì)原則，采取“抗放兼施，以抗為主”的具體方法，地下環(huán)境溫度及濕度變化較小，鋼筋混凝土具有一定抗拉能力（抗拉強(qiáng)度及極限拉伸），并根據(jù)溫度應(yīng)力與長(zhǎng)度呈非線性關(guān)系，很多工程實(shí)例采用“跳倉法”對(duì)超長(zhǎng)超大鋼筋混凝土地下工程都取得了不錯(cuò)的效果。
“跳倉法”是一項(xiàng)一看就懂，經(jīng)濟(jì)合理，施工周期短，容易推廣和應(yīng)用的“普通混凝土好好打的技術(shù)”。跳倉法施工技術(shù)，簡(jiǎn)單講就是將結(jié)構(gòu)分成約30~40m左右的塊體跳倉澆筑，塊體間歇7~10天，施工縫設(shè)止水鋼板或膨脹膠條避免滲漏或企口施工縫。這是一種抗放結(jié)合，先放后抗，以抗為主的方法。
跳倉法施工主要需注意以下幾個(gè)施工工藝：a）設(shè)計(jì)上合理選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)（C25~C30），可利用后期強(qiáng)度；b）合理加強(qiáng)構(gòu)造配筋；c）優(yōu)選混凝土配合比，有利于抗拉性能，嚴(yán)格控制砂石骨料含泥量，優(yōu)選外加劑及摻合料，有利于體積穩(wěn)定性；d）嚴(yán)格控制水灰比及現(xiàn)場(chǎng)塌落度（12±2cm）；e）根據(jù)氣候條件，加強(qiáng)保溫保濕養(yǎng)護(hù)（采取測(cè)溫措施，實(shí)行溫控）；f）加強(qiáng)振搗，采用二次壓光技術(shù)；g）控制拆模時(shí)間，拆模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至混凝土里表溫差趨于穩(wěn)定為止（20天左右）。
6 小結(jié)
大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，控制混凝土的裂縫，只須掌握現(xiàn)代化泵送混凝土和溫度收縮的基本知識(shí)，實(shí)行“設(shè)計(jì)、材料、施工三結(jié)合”的技術(shù)措施，就可以達(dá)到控制不出現(xiàn)有害裂縫的目的，關(guān)鍵是“切記嚴(yán)格執(zhí)行”。
參考文獻(xiàn)
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