地下室溫度收縮裂縫成因的理論分析及控制措施

　　摘 要:混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的主流,針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地下室進(jìn)行研究,地下室裂縫產(chǎn)生的主要原因是由于混凝土的變形變化受到約束作用而產(chǎn)生的,引起變形變化的原因主要有溫度變化,對形成地下室收縮裂縫的樁､底板等的約束作用和構(gòu)件的自約束應(yīng)力進(jìn)行了理論分析,分析了由溫度引起的裂縫,并提出控制措施｡?
　　關(guān)鍵詞:地下室;收縮裂縫;控制
　　
　　地下室結(jié)構(gòu)一般都是由鋼筋混凝土墻圍合而成,在設(shè)計荷載所用下,鋼筋混凝土墻一般是不會產(chǎn)生裂縫的,然而高層建筑地下室墻壁開裂現(xiàn)象比較普遍,尤其在施工階段,混凝土早期裂縫出現(xiàn)幾率比較高,并且?guī)缀醵疾皇怯珊奢d作用而引起的,由此就必須對非荷載作用下地下室墻壁裂縫原因進(jìn)行分析｡除地下室墻體會開裂外,地下室底板,頂板都會產(chǎn)生非荷載裂縫｡根據(jù)2001～2006年的統(tǒng)計資料,高層建筑地下室大底板出現(xiàn)裂縫的數(shù)量占底板總數(shù)的10%,而地下室外墻的開裂數(shù)量占被調(diào)查工程總數(shù)的85%以上｡控制外墻裂縫技術(shù)難度很大,在國內(nèi)外的工程實踐中還沒有非常成熟有效的技術(shù)措施,本文擬對此作探討｡
　　
　　1 地下室的外部約束分析?
　　
　　地下室是結(jié)構(gòu)物比較特殊的一部,它位于結(jié)構(gòu)的底部,并且與基礎(chǔ)相連接,這樣地下室通過基礎(chǔ)或者直接與地基相互作用｡對于地下室來說,地基或者地基與基礎(chǔ)共同對地下室的作用就成為本文所說的地下室外部約束｡?
　　(1)地基對地下室地板的約束｡?
　　地下室底板澆注在地基上,地基和底板之間有粘結(jié)､摩擦作用｡當(dāng)?shù)装灏l(fā)生溫度變形或者收縮變形時,底板和地基之間將產(chǎn)相對運動,但由于粘結(jié)作用和摩擦作用的存在,地基將阻止底板的相對運動,在地基與底板接觸面上必然會產(chǎn)生剪應(yīng)力,這個剪應(yīng)力就是地基對底板的約束作用｡?
　　由于地基條件的多樣性,底板界面尺寸的變化,底板上的結(jié)構(gòu)形式和荷載的變化等,底板與地基之間的剪應(yīng)力變化是比較復(fù)雜的,只有通過近似簡化的方式來求解此剪應(yīng)力｡假定某點的剪應(yīng)力z與該點水平位移?u?成正比:
　　
　　(2)樁基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)的約束｡?
　　樁基礎(chǔ)是一種承載性能高､穩(wěn)定性好､沉降及差異變形小､沉降穩(wěn)定快､抗震能力強及能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件且適用范圍廣的基礎(chǔ)形式,因而在工程中的運用愈來愈廣泛｡在分析地下室結(jié)構(gòu)的約束時,必然要考慮樁基的存在所來帶的約束作用｡?
　　在相關(guān)資料上把樁的約束作用均勻分配到每根樁所分擔(dān)的地基面積上,然后與地基對底板的約束進(jìn)行疊加,其單位面積地基上樁的阻力Cx,為:
　　
　　2 混凝土溫度､收縮應(yīng)力的理論計算公式?
　　
　　混凝土裂縫的產(chǎn)生可以從兩個指標(biāo)來進(jìn)行判別:其一就是混凝土的拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度;其二是混凝土的拉應(yīng)變超過了混凝土的極限拉應(yīng)變｡混凝土的極限拉應(yīng)變不容易測得,因而用混凝土的拉應(yīng)力是否達(dá)到混凝上的抗拉強度作為判斷混凝土的是否開裂的依據(jù)比較方便,運用也比較普遍｡這樣,計算混凝土溫度､收縮應(yīng)力就非常必要的了｡
　　
　　2.1 溫度收縮應(yīng)力計算的公式?
　　假定:(1)結(jié)構(gòu)物同地基接觸面上的剪應(yīng)力與水平變位成線性比例:
　　
　　上式中T——底板與地基結(jié)束面上的剪應(yīng)力;
　　
　　?Cx?——水平阻力系數(shù),即產(chǎn)生單位位移的剪應(yīng)力,取值同前文所述;
　　
　　?U?——產(chǎn)生剪應(yīng)力:的地基水平位移;?
　　(2)結(jié)構(gòu)物為地基上的長條形結(jié)構(gòu)物一薄板､矮墻等,板厚或者墻高與長度之比HlL<_0.20 (3)結(jié)構(gòu)物厚度t均勻,高度H均勻,受力沿高度和厚度均勻,結(jié)構(gòu)物相對地基有溫差T,計算的是只考慮對貫穿裂縫起控制作用的平均拉應(yīng)力｡計算公式為:?
　　
　　2.2 溫度收縮應(yīng)力的有限元計算?
　　對于單一的混凝土構(gòu)件,譬如一片規(guī)則的墻體或是一塊規(guī)則的混凝土底板受到均勻的約束及均勻的溫度､收縮變形的作用時,運用上一小節(jié)的理論計算公式時比較方便的,但當(dāng)我們面對的是一片不規(guī)則的墻體,不規(guī)則的底板,不均勻的約束和荷載時,運用以上的理論公式就比較難以反映構(gòu)件的真實應(yīng)力狀態(tài)｡更只得我們注意的是,當(dāng)我們要掌握整個結(jié)構(gòu)在溫度､收縮變形作用下的應(yīng)力分布狀態(tài)時,用以上的理論公式時難以得到比較滿意的結(jié)果｡?
　　隨著計算機的發(fā)展,有限元理論的完善,相應(yīng)有限元軟件的精度也在提高,這樣,選擇運用可信有限元軟件對我們所要研究的結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件進(jìn)行有限元分析是比較方便,且其分析結(jié)果也是可供參考的｡

　　3 地下室溫度收縮裂縫控制的措施?
　　
　　針對溫度收縮變形的特點,以上具體的分析了影響溫度收縮變化的具體因素,為有效的控制地下室裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展,相應(yīng)的從結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計､材料質(zhì)量､施工措施三個方面來考慮裂縫的控制措施｡
　　
　　3.1 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計方面?
　　(1)減少結(jié)構(gòu)約束｡?
　　約束是變形變化產(chǎn)生裂縫的必要條件,假如沒有約束存在,那么變形彎化不會使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力,亦不會使結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件開裂｡地下室底板的變形變化受到地基､墊層､樁基礎(chǔ)等的約束,地下室側(cè)墻受到地基､基礎(chǔ)､底板､頂板的約束,頂板受到側(cè)墻的約束｡減小結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件受到的約束程度可以相應(yīng)的減小結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的約束應(yīng)力｡為了減小地基對底板造成的外部約束,可以在地基與底板之間設(shè)置滑動層或者緩沖層,緩沖層用于構(gòu)件局部突出嵌入巖石的情況｡在地板和墊層之間設(shè)置滑動層,減小底板受到的約束程度,讓地板在變形變化作用下有更大的伸縮的自由度,以至于可以釋放有變形變化所引起的應(yīng)力｡?
　　 (2)設(shè)置伸縮縫｡?
　　設(shè)置伸縮縫就是把長度比較大的結(jié)構(gòu)分成若干個長度比較小的單元結(jié)構(gòu),其本質(zhì)就是減小獨立結(jié)構(gòu)的長度,從一定意義上說,就通過減小結(jié)構(gòu)的長度來減小約束作用｡縮縫間距可以釋放一定的溫度收縮變形引起的變形變化,使由于約束產(chǎn)生的應(yīng)力不致使結(jié)構(gòu)開裂｡但伸縮縫的設(shè)置會破壞結(jié)構(gòu)的整體性,對施工､維護(hù)和結(jié)構(gòu)抗震度是不利的,對于地下室,還會帶來使用上的不便,而且容易發(fā)生諸如滲漏等的使用隱患｡?
　　(3)設(shè)置后澆帶｡?
　　設(shè)置后澆帶是目前運用比較廣泛的防止溫度收縮變形產(chǎn)生裂縫的一種方法｡并且是擴(kuò)大伸縮縫間距或者取消伸縮縫的有效措施｡后澆帶是施工期間設(shè)置的臨時變形縫,其目的是釋放早期的溫度收縮變形變化｡早期混凝土的收縮量比較大且溫度場相對不穩(wěn)定,后澆帶必須留置一定的時間,根據(jù)具體的情況,留置時間可不同,但從理論上說后澆帶留置時間盡可能長些,溫度收縮變形釋放的比較充分,效果比較好｡后澆帶要有一定的寬度,一般規(guī)定是0.8～1.0m但這寬度范圍并不是不可以突破的,在已經(jīng)發(fā)表的文章中作者指出只要施工條件允許,應(yīng)將后澆帶寬度盡量取的大些｡后澆帶是為了釋放變形產(chǎn)生的約束應(yīng)力,所以穿越后澆帶的連續(xù)鋼筋總量越少越好｡?
　　(4)配置一定量的構(gòu)造鋼筋｡?
　　合理的配置構(gòu)造鋼筋是可以比較有效的限制裂縫的擴(kuò)展,但配筋不能防止裂縫的出現(xiàn)｡配筋的總的原則是細(xì)而密,一般來說,在實際工程中,所選用的鋼筋直徑在8-16范圍內(nèi),鋼筋間距一般在100～200mm之間｡?
　　配置的構(gòu)造鋼筋需要有一定的量,可以用配筋率作為一個重要的衡量指標(biāo)｡對于怎樣的配筋率才是有效而又經(jīng)濟(jì)沒有一個統(tǒng)一的認(rèn)識｡從文獻(xiàn)可得到通常配筋率在0.2%1%之間變化,且在此范圍內(nèi),隨配筋率的增加對裂縫寬度的控制效果也相應(yīng)的提升;研究者傾向于采用 0.8%～1%之間的配筋率,這是值得參考的;對于超過1%的配筋率,隨著配筋率的增加裂縫控制的效果不明顯｡?
　　(5)采用專門的預(yù)加力措施,如采用預(yù)應(yīng)力控制地下室外墻裂縫｡
　　
　　3.2 材料質(zhì)量方面的措施?
　　混凝土材料自身的質(zhì)量嚴(yán)重的影響著混凝土的性能,從材料方面對混凝土質(zhì)量進(jìn)行控制,是一個有效的防裂措施,具體如下:?
　　(1)減小混凝土的收縮｡減小混凝土的收縮可以選用收縮值比較小的水泥,例如礦渣水泥>普通硅酸鹽水泥>粉煤灰水泥;采用水泥細(xì)度相對較大的水泥;采用較低的水灰比;降低砂率,選用質(zhì)量比較高的骨料及良好的粗骨料的級配:利用混凝土的后期強度,盡可能的選用強度等級比較低的混凝土;適當(dāng)?shù)倪x用外加劑和摻合料｡?
　　(2)減小混凝土產(chǎn)生的水化熱｡減小混凝土水化熱可以通過減少水泥用量,采用低水化熱水泥和標(biāo)號比較低的水泥｡?
　　(3)選用質(zhì)量良好的外加劑,并且適當(dāng)､正確的使用｡如采用膨脹劑配置的補償收縮混凝土可以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂能力｡?
　　(4)混凝土的抗拉性能比較差是由混凝土自身的組成決定的,所以首先要保證混凝土的質(zhì)量,讓混凝土充分的發(fā)展自身的強度:其次就是可以加入纖維來改善混凝土的受拉性能｡
　　
　　3.3 施工方面的措施?
　　施工措施對混凝土的防裂是非常重要的｡混凝土的澆注方案對混凝土的溫度應(yīng)力和溫度裂縫產(chǎn)生較大的影響;確定合理的施工方案,選擇合適的澆注時間(如避免高溫天氣),保證現(xiàn)場混凝土質(zhì)量,混凝土的澆注質(zhì)量,尤其是對新澆混凝土的養(yǎng)護(hù)是非常關(guān)鍵的｡混凝土的養(yǎng)護(hù)直接影響著混凝土的早期收縮,混凝土的內(nèi)外溫度差以及混凝土的強度增長,總的說來,就是養(yǎng)護(hù)可以給混凝土營造一個有利于混凝土性能發(fā)揮的良好的外部環(huán)境｡對于地下室的側(cè)墻養(yǎng)護(hù)相對比較困難,這需要采取一些措施給予解決｡
　　
　　參考文獻(xiàn)
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