孫 寧，厲玲玲

(商丘師范學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 商丘 476000)

0 引言

近年來，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，我國(guó)城市建設(shè)進(jìn)程不斷加快，為適應(yīng)新的城市功能，我國(guó)建筑向大型化和多功能化發(fā)展，面積過萬平方米、尺寸超百米的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比比皆是。若按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，必然需要設(shè)置多條甚至數(shù)十條后澆帶或伸縮縫以防止結(jié)構(gòu)收縮開裂。如此多的后澆帶或伸縮縫無疑會(huì)給設(shè)計(jì)和施工帶來很大麻煩，同時(shí)還可能對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能造成一定的影響。因此，在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)工程中，如何取消后澆帶或伸縮縫采用“無縫設(shè)計(jì)、施工”，成為一個(gè)亟待解決的問題。

1 無縫設(shè)計(jì)的技術(shù)原理

混凝土受到各種因素的影響，都會(huì)產(chǎn)生收縮，但在收縮與膨脹的過程中受到鋼筋和外約束作用，使收縮受到限制，在內(nèi)部產(chǎn)生“內(nèi)聚力”和外界的“限制力”等間接應(yīng)力，造成混凝土開裂。無縫設(shè)計(jì)就是充分利用補(bǔ)償混凝土的化學(xué)補(bǔ)償能，并將其轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的預(yù)壓應(yīng)力，以抵消混凝土內(nèi)的間接應(yīng)力，從而防止或減少混凝土收縮開裂，連續(xù)澆筑大尺度混凝土結(jié)構(gòu)的一種新技術(shù)。

研究表明，在鋼筋和外約束下補(bǔ)償混凝土在硬化過程中膨脹作功，使鋼筋受拉，而混凝土受壓。當(dāng)鋼筋拉力和混凝土壓力平衡時(shí)則有:

其中:σc——混凝土預(yù)壓應(yīng)力(MPa);

Ac——混凝土截面積(mm2);

σs—— 鋼筋拉應(yīng)力(MPa);

As——鋼筋截面積(mm2);

Es——鋼筋彈性模量。

公式(2)表明補(bǔ)償收縮混凝土的預(yù)壓應(yīng)力σc與截面配筋率ρ、鋼筋的彈性模量ES及補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率ε2有關(guān)。限制膨脹率ε2隨膨脹劑摻量增加而增加，所以可以通過調(diào)整膨脹劑的摻量來獲得不同的預(yù)壓應(yīng)力。

因此，要有效控制超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，需在一定的間距范圍內(nèi)削弱溫度等間接應(yīng)力的作用。根據(jù)參考文獻(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度大于55m時(shí)，結(jié)構(gòu)用混凝土就應(yīng)用補(bǔ)償混凝土或在結(jié)構(gòu)間接應(yīng)力較大的位置設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶，由于膨脹帶摻入了大量的膨脹劑，產(chǎn)生較大的膨脹率，而兩側(cè)混凝土膨脹較小，形成中間大兩端小的膨脹補(bǔ)償區(qū)。

圖1 混凝土膨脹加強(qiáng)帶模型示意圖

2 無縫設(shè)計(jì)的技術(shù)措施

超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫降和收縮的產(chǎn)生，溫度收縮應(yīng)力從結(jié)構(gòu)的兩端向中間逐漸增大，結(jié)構(gòu)的中間部位收縮應(yīng)力最大，當(dāng)最大溫度收縮應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就從中部開裂，形成貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫，影響結(jié)構(gòu)的抗震性能及防水質(zhì)量。為了既防止超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，又不顯著增加材料費(fèi)用，除了采用補(bǔ)償混凝土技術(shù)外，還可以在混凝土結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位提高膨脹劑的摻量，形成一個(gè)較兩側(cè)膨脹量更大的混凝土膨脹加強(qiáng)帶。

從圖1可知，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)使用普通混凝土的溫度收縮曲線為ABCDE，其應(yīng)力從兩端向中部增大到B、D兩點(diǎn)時(shí)，即σ≥ftk(混凝土立方體強(qiáng)度抗拉標(biāo)準(zhǔn)值)，開始發(fā)生開裂，釋放能量;當(dāng)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)采用小摻量膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，能夠抵消部分溫度收縮應(yīng)力，其溫度收縮應(yīng)力曲線為AFGHE，其應(yīng)力仍從兩端向中部隨結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的延伸而增加，達(dá)到F、H兩點(diǎn)時(shí)開始開裂?？梢姡搅颗蛎泟┑难a(bǔ)償收縮混凝土達(dá)到結(jié)構(gòu)開裂時(shí)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較普通混凝土延長(zhǎng)，起到一定的補(bǔ)償作用。當(dāng)大面積采用小摻量膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土、并在適當(dāng)部位F、H處局部加大膨脹劑摻量形成膨脹加強(qiáng)帶時(shí)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加式重復(fù)補(bǔ)償，其溫度收縮應(yīng)力曲線為AIJKE。當(dāng)小摻量補(bǔ)償收縮混凝土的溫度收縮應(yīng)力從兩邊向中間逐漸增長(zhǎng)到F、H處，兩點(diǎn)的拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，如果應(yīng)力繼續(xù)增長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生開裂，為避免開裂，必須在F、H處設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶，由于在加強(qiáng)帶增大膨脹劑摻量，加強(qiáng)帶部位儲(chǔ)存了較大預(yù)壓應(yīng)力對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使其應(yīng)力分別降低至I、K，溫度收縮應(yīng)力從I、K兩點(diǎn)開始重新增長(zhǎng)。區(qū)間I、K應(yīng)力隨長(zhǎng)度增加而增加，到達(dá)中點(diǎn)J處應(yīng)力達(dá)到最大值，此時(shí)σmax≤ftk，這就保證結(jié)構(gòu)不會(huì)開裂。

這樣F、H、J三個(gè)臨界點(diǎn)拉應(yīng)力為:

其中:n——膨脹加強(qiáng)帶的數(shù)量;

ftk——混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa);

ε＇2、ε＇2—— 分別為小摻量、大摻量補(bǔ)償混凝土的限制膨脹率;

α——混凝土的線膨脹系數(shù)1×10－5/℃;

ch——雙曲余弦函數(shù);

l——結(jié)構(gòu)長(zhǎng)條板的長(zhǎng)度(mm)。

設(shè)F點(diǎn)為中點(diǎn)，則由式σF≤ftk得:

又F、H兩點(diǎn)對(duì)稱，可求出F點(diǎn)到H點(diǎn)的水平距離為:

在F、H兩點(diǎn)設(shè)置膨脹帶，其余n－2條膨脹帶平均分配。

3 工程實(shí)例

北京地區(qū)某六層辦公用房，平面尺寸為90×22.5m，柱網(wǎng)尺寸為7.5m ×7.5m，框架柱截面b×h=600mm×600mm，框架梁截面b×h=300mm×550mm，層高H=4.8m，150mm厚現(xiàn)澆混凝土板，梁板柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，因使用功能和建筑需要，要求采用無縫設(shè)計(jì)。C30補(bǔ)償混凝土配合比，見表1。

表1 C30補(bǔ)償混凝土配合比(kg)

3.1 設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度達(dá)到90m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范規(guī)定的55m，應(yīng)設(shè)溫度縫或后澆帶，但由于功能和建筑需要，要求采用無縫設(shè)計(jì);寬度未超過規(guī)范規(guī)定長(zhǎng)度。因此在水平構(gòu)件混凝土選擇補(bǔ)償收縮混凝土，并在長(zhǎng)度方向的合適位置設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶。混凝土采用42.5普通硅酸鹽水泥，摻12%UEA，加強(qiáng)帶處摻15%UEA，梁板平均配筋率，澆筑混凝土?xí)r溫度為20℃，見表2～表4。

3.2 溫度計(jì)算

混凝土在澆筑完成后，由于水化熱的作用，在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)較大的溫升過程，

混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算厚度H(m)，雙面散熱按下式計(jì)算:

板:H=h+2h＇=0.15+2 × 0.802=1.754m

梁:H=h+2h＇=0.55+2 × 0.802=2.154m

齡期t時(shí)，混凝土中心溫度與外界氣溫之差△T(t):

由混凝土的收縮公式:

由表4可知，在第30天時(shí)，綜合溫差達(dá)到最大值為－ 15.2℃。

表2 各齡期混凝土構(gòu)件溫度計(jì)算值

表3 各齡期混凝土構(gòu)件收縮溫差當(dāng)量值

表4 各齡期混凝土構(gòu)件綜合溫差值

3.3 限制膨脹率測(cè)定

筆者曾在該工程開工前，會(huì)同施工單位和商品混凝土供應(yīng)商對(duì)膨脹加強(qiáng)帶的作用在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，即采用100 mm×100 mm×300mm的限制架，中間三分之一裝入膨脹加強(qiáng)帶混凝土，兩邊各三分之一裝入普通膨脹混凝土，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，從表5可見，普通膨脹混凝土(內(nèi)摻UEA12%) 的14d水中限制膨脹率為2.3 ×10－4，而膨脹加強(qiáng)帶混凝土(內(nèi)摻UEA15%)限制膨脹率為3.6×10－4，明顯高于普通膨脹混凝土。二者復(fù)合后限制膨脹率達(dá)到3.0×10－4，證明膨脹加強(qiáng)帶混凝土對(duì)兩側(cè)混凝土有補(bǔ)償收縮作用，使總體膨脹率由2.3 ×10－4提高到3.0 ×10－4，使混凝土溫度收縮應(yīng)力減小，防止超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。

表5 膨脹加強(qiáng)帶混凝土的試驗(yàn)結(jié)果

由式(6):

取n=1，即在不動(dòng)點(diǎn)處設(shè)置一條膨脹加強(qiáng)帶。

3.4 應(yīng)力計(jì)算

由公式(5)計(jì)算距結(jié)構(gòu)中點(diǎn)x=0m，x=20m，x=40m處的應(yīng)力，見表6。

表6 早期施工及硬化階段溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表(MPa)

顯然，間接應(yīng)力均未達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土未發(fā)生開裂;因此，采用混凝土膨脹加強(qiáng)帶作為控制超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度收縮應(yīng)力，減少或避免混凝土開裂是有效的。

4 結(jié)論

綜上所述，從理論上可知，在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中充分利用補(bǔ)償收縮混凝土的補(bǔ)償性能，能做到較長(zhǎng)范圍內(nèi)的無縫設(shè)計(jì)和施工，但由于建筑工程的特性所決定，受外界的影響較大，不可能做到無限長(zhǎng)的無縫設(shè)計(jì)和施工。

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