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國內(nèi)外目前對超長混凝土結(jié)構(gòu)還沒有一個嚴格的定義。一般認為大面積混凝土結(jié)構(gòu)就是指以整澆混凝土樓面結(jié)構(gòu)的長度或?qū)挾仁欠癯^規(guī)范不設(shè)縫的限制要求為標(biāo)準(zhǔn)的。這里的大面積混凝土結(jié)構(gòu)即為超長混凝土結(jié)構(gòu)。超長混凝土結(jié)構(gòu)包括以下幾個方面的特點:
1.1 樓面一個方向或兩個方向超長,平面尺寸較大,樓板厚度<200mm。
1.2 在混凝土收縮和溫度變化的作用下,混凝土澆筑后,樓面發(fā)生較大的變形,結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的應(yīng)力,從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。
1.3 引起超長混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因包括溫度和收縮應(yīng)力。
在混凝土結(jié)構(gòu)中,基礎(chǔ)、豎向構(gòu)件及混凝土內(nèi)鋼筋約束著混凝土的收縮變形,混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)混凝土中拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度或拉應(yīng)變超過混凝土的極限拉應(yīng)變,結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生裂縫。
由于混凝土材料本身所具有的一種物理化學(xué)特性,混凝土收縮與應(yīng)力無關(guān)。實踐證明,混凝土密實度、水泥品牌和數(shù)量及其質(zhì)量、外加劑的品種、性質(zhì)和用量、養(yǎng)護方法和齡期、環(huán)境溫度和濕度、體積和表面積之比等都是影響混凝土收縮的因素。
作為物體受溫度作用的一種自然現(xiàn)象——熱脹冷縮,我們不應(yīng)忽視其溫度作用對建筑物的影響。太陽熱輻射和空氣溫度在建筑物表面產(chǎn)生的日照溫度構(gòu)成了建筑物的環(huán)境溫度。應(yīng)力會隨著結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形受約束時產(chǎn)生。依據(jù)鋼筋混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因,可將混凝土溫度應(yīng)力概括為以下2種:
2.2.1 外約束應(yīng)力。外約束應(yīng)力是由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的全部或部分受到外界約束,溫度收縮變形時不能自由變形而引起的。實踐中常見的有:梁和地基約束了基礎(chǔ)板受到、柱子約束了框架梁的變形、梁柱約束了樓板、地基基礎(chǔ)約束了框架變形、墻板受到基礎(chǔ)的約束等等。
2.2.2 自生應(yīng)力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身的約束而產(chǎn)生的,且在整個斷面上,產(chǎn)生的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力保持平衡的即為自生應(yīng)力。如在實踐中,當(dāng)混凝土冷卻的時候,由于內(nèi)外存在溫差,混凝土表面的溫度收縮變形收到內(nèi)部的約束,拉應(yīng)力就會在表面產(chǎn)生,從而出現(xiàn)內(nèi)部壓應(yīng)力現(xiàn)象;又如,內(nèi)部鋼筋在混凝土收縮時對其進行制約等等。
綜上所述,約束在研究溫度對結(jié)構(gòu)變形影響方面,是一個不可忽視的基本概念。當(dāng)溫度發(fā)生變化時,無論是外約束還是內(nèi)約束,對于超長混凝土結(jié)構(gòu)來說,因為溫差產(chǎn)生的溫度變形無法自由釋放,結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生溫度應(yīng)力,此時,如果混凝土抗拉強度小于應(yīng)力,就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。
新技術(shù)的應(yīng)用成為解決溫度應(yīng)力的技術(shù)措施,幾乎所有的超長混凝土框架結(jié)構(gòu)抵抗溫度變形和混凝土收縮變形的主要措施都是采用都將預(yù)應(yīng)力。在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中采用的是高強鋼筋,如果要使高強鋼筋的強度充分被利用,必須使其有很大的伸長變形,鋼筋屈服后,構(gòu)件將出現(xiàn)不能允許的過寬裂縫和較大撓度,預(yù)應(yīng)力混凝土看作混凝土經(jīng)過預(yù)壓后,從原先抗拉弱抗壓強的脆性材料變?yōu)橐环N既能抗拉又能抗壓的彈性材料,溫度收縮應(yīng)力引起的拉應(yīng)力被預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力所抵消,在正常使用狀態(tài)下,混凝土沒有裂縫出現(xiàn),甚至沒有拉應(yīng)力出現(xiàn)。對于部分預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu),框架梁中配置拋物線型預(yù)應(yīng)力筋,同時抵抗豎向荷載以及水平方向的溫度和收縮變形,板中配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力直線溫度筋,如果結(jié)構(gòu)層高受到限制,通常采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力扁梁框架或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)。
施工中,應(yīng)加強和控制后澆帶的施工質(zhì)量。所謂后澆帶,就是指在建筑施工中為防止現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度、收縮不均可能產(chǎn)生的有害裂縫,按照設(shè)計或施工規(guī)范要求,在基礎(chǔ)底板、墻、梁相應(yīng)位置留設(shè)臨時施工縫,將結(jié)構(gòu)暫時劃分為若干部分,經(jīng)過構(gòu)件內(nèi)部收縮,在若干時間后再澆搗該施工縫混凝土,將結(jié)構(gòu)連成整體。如果施工中處理不好后澆帶,非但工程達不到預(yù)期效果,而且還會致使結(jié)構(gòu)存在安全隱患,從而使結(jié)構(gòu)防水效果大打折扣。實踐中,我們總結(jié)了以下幾種方法,對后澆帶間混凝土進行加強控制:為了提高其抗裂能力,相對于先澆混凝土,后澆帶處的混凝土應(yīng)相應(yīng)地提高一個強度等級;為了防止因為澆筑時間差導(dǎo)致后澆帶混凝土與后澆帶兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)混凝土(兩側(cè)混凝土已完成一部分收縮)形成較大的收縮差,應(yīng)采用補償收縮混凝土、低收縮混凝土、膨脹劑摻量較周圍混凝土大的補償收縮混凝土;為了使新混凝土和舊混凝土之間緊密結(jié)合,防止在交界面出現(xiàn)裂縫,應(yīng)利用預(yù)應(yīng)力筋在后澆帶處交叉搭接。后澆帶處混凝土的施工質(zhì)量十分重要,是確保達到設(shè)計要求的關(guān)鍵。兩側(cè)混凝土結(jié)合面需按施工縫處理,兩側(cè)混凝土做成企口形式,其接縫要嚴格按照施工圖施工。后澆帶兩側(cè)混凝土應(yīng)在施工前鑿毛,然后再清理沖刷干凈后澆帶,為了便于粘結(jié),再均勻涂刷一層水泥漿或與混凝土內(nèi)成分相同的水泥砂漿,最后進行不少于15d的潮濕養(yǎng)護,以確?;炷恋臐仓|(zhì)量。需要重視的是:為了減少后澆帶封閉后的溫度變化,后澆帶澆筑混凝土?xí)r的溫度不應(yīng)大于主體澆筑混凝土的溫度,其主要目的是降低后澆帶處溫度應(yīng)力,減少開裂。
部分工程為了補償混凝土收縮的影響,需要在混凝土中添加膨脹劑,膨脹劑的功能主要發(fā)揮于早期,初期時混凝土收縮變形比較大,早期裂縫能被解決,中國建筑科學(xué)研究院的UEA補償收縮混凝土在實踐中是首選,在水泥中摻入10~12UEA膨脹劑拌而制成的補償收縮混凝土,其限制膨脹率為2~4×10,在鄰位的和鋼筋約束下,可在結(jié)構(gòu)中建立0.2~O.7MPa的預(yù)壓應(yīng)力,混凝土硬化過程中干燥和水化熱引起的拉應(yīng)力能大致可以被抵消。
由于混凝土收縮和溫度變化,邊緣部分的大面積混凝土結(jié)構(gòu)變形最大,為此,橫向開裂可能在邊柱處出現(xiàn),所以,為了提高柱子的變形能力或者降低柱子的抗側(cè)剛度,大部分的工程都需要采取一定的措施加以補償,例如:把邊柱與混凝土梁板結(jié)構(gòu)之間做成鉸接,把一個大柱在原位分成兩個小柱或者采用鋼柱;為了釋放水平剪力,減少結(jié)構(gòu)受約束的長度,使得溫度應(yīng)力降低,亦可安裝適當(dāng)數(shù)量的橡膠支座在結(jié)構(gòu)的兩端。對于100米長的框架,跨度均為10米,在結(jié)構(gòu)的兩端各放松一根柱子,則結(jié)構(gòu)的有效約束長度為原來的0.8倍,溫度應(yīng)力的降低幅度為0.3~0.5,這對解決超長框架的溫度應(yīng)力有顯著的影響。
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