工程结构裂缝控制的综合方法.pdf
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1、2000年5月第29卷第5期施工技术CON STRUCT I ON TECHNOLOGY工程结构裂缝控制的综合方法王铁梦(冶金部建筑研究总院,北京100088)摘要由于变形作用(水化热、收缩、气温差)引起工程结构的裂缝是很复杂并很重要的问题。作者在大量的施工和处理裂缝的经验以及理论研究基础上提出“工程结构裂缝控制的综合方法”,包括结构力学近似计算法、结构与基础的共同作用、施工技术、材料优选、以及环境条件等。关键词工程结构;裂缝;控制;结构设计;施工方法;材料;环境条件中图分类号 TU 74613文献标识码 A文章编号 100228498(2000)0520005205Comprehensive
2、M ethod for Cracking-Control in StructureWANG Tie2m eng(T he Central R esearch Institute of B uild ing and Construction of MM I,B eijing100088)Abstract:The problem of cracks,w hich is caused in structures by deform ing effect,such as hydrationheat,shrinkage,temperature difference of atmosphere,is ve
3、ry i mportant and complicated.On the basis ofvast construction practice and the experiences on crack treating and theoretical study,the author presenteda new method named“ComprehensiveM ethod for Cracking2Controlof Structures”,in w hich structuralme2chanics approxi mate calculation method,the intera
4、ction characteristic of structure and foundation,thetechnique of construction,the selection of material,and environmental conditions are combined.Key words:engineering structure;crack;control;structural design;construction methods;material;envi2ronmental condition收稿日期 2000202221作者简介王铁梦(1931),男(满族),辽
5、宁铁岭人,冶金部建筑研究总院教授,博士生导师,上海宝钢工程指挥部201900,电话:0138018221141建筑工程的质量问题半个世纪以来,我国建筑业取得了辉煌的成就,其中混凝土结构、预应力混凝土结构技术突飞猛进,日新月异,取得大批先进、成熟的科技成果,混凝土结构设计理论与设计规范水平已跻身世界先进行列。在建筑材料方面开发出一大批新型高强和高性能材料,如高强混凝土、超高强混凝土、高性能混凝土、超高性能混凝土、轻质混凝土、钢纤维、塑料纤维、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土、约束混凝土等,大批新品种的外加剂和掺合料已出现在建筑市场。在砖混结构方面,我国的空心砖及砌块建筑也获得迅速发展。在建筑领域,泵
6、送混凝土的发展实现了混凝土商品化供应方式,从而改变了以预制化作为混凝土结构的设计方向,转向现浇整体结构,在施工方面,由干硬性混凝土转向流动性混凝土。我们应当看到在大规模建设取得上述巨大成就的同时还存在着质量问题。目前,在工程结构领域中一个相当普遍的问题是建筑物的裂缝问题,并且近年来日趋增多,它已影响到生活和生产,并困扰着大批工程技术人员和管理人员,是迫切需要解决的技术难题。2建筑物裂缝的综合性原因国际上关于荷载作用下构件的裂缝扩展问题,都应用纯经验计算公式,虽然其计算结果与实际出入较大,还可参考应用。但一般工程设计中,只进行荷载作用下的承载力计算,却经常忽略了裂缝的验算(除有特殊要求外)。按照
7、国际上近代结构的极限状态设计原则,整体建筑结构的功能必需满足两种极限状态的要求:承载能力的极限状态,以确保结构不产生破坏,不失去平衡,不产生破坏时过大的变形,不失去稳定,即不超过承载力的极限状态;正常使用极限状态,以确保结构不产生超过正常使用状态的变形、裂缝及耐久性、振动以及其它影响使用的极限状态。目前人们对第一极限状态已给予足够的重视并严格执行,而对第二极限状态却经常被忽视了。近年来,工程裂缝是影响正常使用极限状态的主要因素。裂缝产生的原因主要是变形作用,如温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降变形等多因素,统称为变形作用引起的裂缝问题,此类裂缝几乎占全部裂缝的80%以上。对于变形作用引起的裂缝
8、研究还很不成熟,缺乏有关规范及规程,它涉及到结构设计、地基基础、施工技术、材料质量、环境状态5等诸多因素,特别是泵送混凝土施工工艺的发展,使得混凝土裂缝控制的技术难度大大增加。例如过去干硬性及预制混凝土的收缩变形约为21510-431510-4,而现在泵送流态混凝土约为610-4810-4,水化热也大幅度增高。3裂缝控制的综合方法311结构设计方面31111结构温度伸缩缝间距问题根据 混凝土结构设计规范(GBJ10-89),为避免结构由于温度收缩应力引起的开裂,采取永久式伸缩的方法,伸缩缝允许间距为3055m(室内或土中长墙、剪力墙结构及框架结构),露天条件下为2035m。规范的附注中又明确指
9、出:如有充分依据和可靠措施时,上述规定可以增减。其它有关的规程中还有允许采用“后浇带”取代伸缩缝的办法。31112后浇带的有效作用现行规范的伸缩缝规定是把结构长度看作控制开裂与否的唯一因素。根据大量现场调查,引起结构裂缝的原因是综合性的,结构长度只是影响温度收缩应力综合因素之一,而不是唯一的因素。仅就长度而言,结构长度与应力呈非线性关系,如结构长度小于规范的规定,似乎结构内力影响很小,伸缩缝或后浇带可以有效地控制裂缝,但是对于承受很大温差和收缩作用的现浇楼板、大截面梁、剪力墙及长墙等约束度较高的结构,裂缝的概率仍然很高。此外,由于综合因素的关系,有些工程长度超过规范的规定并没有开裂。从防水角度
10、分析,由于近代建筑规模日趋宏大,超长、超宽、超厚结构都日趋增多,永久性的变形缝(包括伸缩缝、沉降缝、抗震缝)给工程的防水质量带来严重不利,止水带渗漏是常见而又难以处理的质量缺陷。所以,后浇带的应用是一种进步,但并不是在任何条件下都能奏效。利用后浇带取代永久伸缩缝时应当注意以下两个问题:后浇带中清理垃圾困难,接缝不密实,防水质量差,后期可能形成两条裂缝,因此后浇带的构造很重要;后浇带的间距不宜过长(30m左右),填充封闭时间不宜过短,以能将总降温及收缩变形进行一半以上的时间为佳,从目前混凝土的收缩量来看,估计36个月方能取得明显效果,最短不少于45d;在软土地区,填充时间在结构封顶以后,方可有效
11、地释放差异沉降的应力。如通过地基处理解决差异沉降问题,为此目的而设的后浇带可以不设。根据现场实践经验,裂缝分为有害的及无害的两类,有害与无害的界限由使用功能而定。当采取必要的设计、施工及材料措施控制有害裂缝的产生或由于估计不足等因素,即便出现少量有害裂缝,通过化学灌浆处理,仍然满足设计使用要求,即可取消后浇带。实践证明,从长期正常使用来看,这种以“抗”为主的无缝工程较留永久性变形缝具有一系列的优点,如整体性好、防水性好、抗震性好、施工方便等。31113结构约束问题结构物的变形有3种:自由变形、约束变形和实际变形(显现变形),其中只有约束变形产生约束应力。约束变形(约束应力)超过建筑材料的极限拉
12、伸(抗拉强度),便引起裂缝。变形作用引起的作用力有最大值,设计者可以采取“抗与放”或“抗放兼施”进行结构形式的设计。留伸缩缝与不留伸缩缝的方法都是以放或抗为主的方法,做得合适,都可以使结构不产生有害裂缝。结构所受到的外部作用分为:外荷载(静动荷载),可看作是第一类荷载;具有十分重要的外部作用是变形作用,即第二类荷载为间接荷载,变形作用包括温度、湿度、地基不均匀沉降,在该作用下,结构的抗力取决于混凝土的抗拉性能,即抗拉强度和抗拉变形。做结构裂缝分析时,首先应当注意第一类荷载引起裂缝的可能,特别值得注意的是那些自重荷载超过极限承载力约30%的结构,拆模后发现011mm左右的裂缝是正常的结构受力状态
13、。当结构的极限承载力取决于抗拉、抗剪和稳定条件时,变形作用引起的裂缝对结构极限承载力的影响是不允许忽视的,常说“温度收缩裂缝没关系”是不全面的,有时梁板结构产生贯穿性裂缝可能降低抗剪和冲切承载力。关于框排架约束应力计算可查参考文献1,本文对目前常出现的竖向开裂计算作一介绍。连续式约束条件下大底板、长墙、剪力墙、楼板等最大约束应力近似计算公式23xmax=-EaT1-1chL2H(t,)(1)或按时间增量计算:3xmax=6ni=1i=-a1-6ni=11-1chiL2TiEi(t)Hi(t,i)(2)当应力超过抗拉强度时,可求出裂缝间距:Lmax=2EHCXarcchaTaT-p(3)L=11
14、5EHCXarcchaTa-p(4)Lm in=1?2Lmax(5)式中:T包含水化热、气温差及收缩当量温差,同号叠加,异号取差,由此可见,夏天炎热季节浇筑混凝土到秋冬冷缩及收缩都是叠加的,拉应力较大。H(t,)松弛系数,在保温保湿养护条件下(缓慢降温即缓慢收缩),可按“工程结构裂缝控制”第123页表5-1取值;如不考虑龄期的影响则按表5-2取值;施工养护条件良好者总降温差包括水化热降温差及收缩当量温差一次计算(即非分段计算),松弛系数在良好的温湿度养护条件下取013或015(养护一般),当寒潮袭击或激烈干燥时,松弛系数为018,应力接近弹性应力,容易开裂。当拉应力超过设计强度时,应验算裂缝间
15、距,再根据裂缝间距验算裂缝宽度(注意:裂缝间距既是伸缩缝间距,又是后浇带间距,如果建筑物的总长小于或等于该间距,则该建筑物即可取消伸缩缝,计算后浇带间距所取的降温及收缩只是 后浇带封闭前的一段降温及收缩差,但还应验算后浇带封6施工技术第29卷表2各种地基约束下的CX值土质名称承载力R(kN?m2)CZ(kN?m3)CX(kN?m3)CX推荐值(kN?mm3)软粘土硬质粘土坚硬碎石土岩石混凝土8015025040050080050001000014000350004100075000880001350008800001760000980024500287005250061600945006160
16、001232000110-2310-2310-2610-2610-21010-2(60100150)10-2注:表中CX的下限值(较低值)用于基础埋深等于或小于5m,上限值(较高值)用于基础埋深大于5m;在岩石、大块混凝土、大块钢筋混凝土上浇筑新混凝土时,CX取10010-215010-2N?mm3;在钢筋混凝土梁上浇筑楼板时,CX取6010-215010-2N?mm3;在钢筋混凝土楼板上延续浇筑挑檐板、阳台板、墙板上延续浇筑墙板时,CX取6010-2N?mm3;混合结构中,砖石砌体上浇筑楼板,CX取3010-2N?mm3;本表应用于混凝土底板对长墙的约束,底板厚约为墙厚45倍以上,当板厚与墙
17、厚接近时应降低约束系数50%。闭后的应力,这是采用结构的全长和封闭后温度及收缩差);T=T1+T2+T3(水化热温差、气温差、收缩当量差,取代数和);p混凝土的极限拉伸,级配不良,养护不佳,约为01510-401810-4;正常级配,一般养护,为110-411510-4;级配良好,养护优良,取210-4;配筋合理(细一些、密一些),可提高极限拉伸20%40%。构造配筋率宜为013%015%。H均拉层厚度(强约束区);E混凝土弹性模量;CX水平约束系数;ch、arcch双曲余弦及双曲余弦反函数;a线膨胀系数;一般情况 paT,当 paT时取 p=aT,L。公式(3)、(4)、(5)告诉我们,控制
18、开裂的主要因素是约束、温差及收缩和混凝土的极限拉伸。我们尽力降低前两项数值同时尽力提高极限拉伸方能有效的解决裂缝问题。根据公式,可求出平均裂缝间距L、最大裂缝间距Lmax、最小裂缝间距Lm in,Lmax=2Lm in,进一步算出平均裂缝宽度、最大、最小裂缝宽度。从公式(3)、(4)、(5)可看出,设计上减少约束程度(滑动层、可动节点、变截面处理等)的作用,温差变形(包括收缩)与极限拉伸的差别越小,允许长度越大,当温差变形aT等于极限拉伸或CX0,则L。当极限拉伸0时,L0,它们之间是非线性关系。应当强调,不仅设计,在施工及材料方面亦都应当尽可能采取措施减少温差(收缩差),提高极限拉伸,降低约
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