鄭曉芬 艾靖儒，* 程 浩

（1.同濟大學建筑工程系，上海200092；2.上海市巖土工程檢測中心，上海200437）

0 引 言

隨著經濟的發(fā)展，超長混凝土結構在我國大型公共建筑中得到了較為廣泛的應用?！额A應力混凝土設計規(guī)范》（JGJ 369—2016）［1］給出了超長混凝土結構的概念：由于約束較強，在荷載和混凝土收縮、俆變、溫差間接作用的影響下，構件受力超過限值的結構。通常將結構長度超過《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）［2］規(guī)定的伸縮縫最大間距而未按要求設置伸縮縫的結構稱作超長結構。如室內現澆剪力墻結構設計長度45 m，超過這個長度而未設縫的結構可稱為超長結構。一方面，超長結構能有效利用空間，滿足人們的使用需求；另一方面，超長結構的建筑往往具有大平面、大尺寸等特點，導致混凝土的熱膨脹、收縮、徐變等溫度效應放大，混凝土結構開裂，從而影響結構的受力形態(tài)和使用性能。如果不采取有效措施控制裂縫的產生和發(fā)展，可能會對結構的整體性和耐久性產生不良影響，給社會帶來不必要的經濟損失。

由于《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）［2］對如何控制超長混凝土結構裂縫并未給出系統(tǒng)性的理論指導，所以對超長混凝土裂縫進行研究具有重要意義。2000年初，鄭曉芬［3］以溫度應力分段計算法為基礎，建立超長混凝土框架結構溫度收縮應力計算模型，在超長梁板結構溫度裂縫控制方面的研究作出貢獻。近些年，有學者建立了超長混凝土結構在不同溫度下的應變模型，為精確分析超長混凝土結構開裂機理提供了理論支撐［4］。此外，徐廣舒等［5］通過楔入劈拉試驗分析了不同材料對混凝土裂縫的修復能力，為實際工程提供參考。

關于超長混凝土的裂縫控制措施，應用較為廣泛的是王鐵夢［6］提出的“抗”與“放”原則。隨著工程實踐的發(fā)展，劉哲宇［7］提出的“防”的原則也逐漸應用于實際工程中。本文就超長混凝土結構裂縫控制中這三種原則進行評述。

1 “抗”的原則

“抗”的原則主要體現在增強材料自身的抗拉強度或極限拉伸，即使結構的抗拉強度不小于約束應力或結構的極限拉伸不小于約束拉伸，從而達到減少有害裂縫出現、抑制有害裂縫發(fā)展的效果［8］。這種原則主要用于處于約束狀態(tài)且不能充分變形的構件上。主要措施有優(yōu)化混凝土配合比、摻加膨脹劑、增配構造鋼筋、使用纖維混凝土等。

朱?。?］研究了聚丙纖維對混凝土抗裂性的影響。聚丙纖維具有高韌性、高抗拉強度的特點，文章指出，在混凝土中摻入聚丙纖維，混凝土將由原先的單裂縫脆性破壞轉變成多裂縫韌性破壞，混凝土的抗拉強度和韌性將顯著提高，早期開裂得到有效控制。此外，聚丙纖維還可以降低混凝土回彈。對于聚丙纖維的使用，作者提出以下建議：

（1）加入量：每立方米混凝土加入0.6～1.2 kg聚丙纖維；每立方米砂漿加入0.9～1.2 kg聚丙纖維。

（2）纖維長度：混凝土工程選用12～19 mm；抹灰較厚的砂漿選用6～19 mm；抹灰較薄的砂漿選用6～10 mm。文章給出了聚丙纖維混凝土的具體施工工藝及注意事項。

值得注意的是，雖然聚丙纖維能有效提升混凝土的抗裂性，但不能因此而減少結構配筋或減小截面尺寸，這會帶來很大的工程隱患。

工程中常用后澆帶控制超長混凝土結構的裂縫。但后澆帶的施工工序繁雜，施工質量難以保證，且往往伴隨著接縫處的垃圾污染等問題。陳海濤等［10］提出，可以通過摻入新型減縮膨脹劑（以下簡稱KL-Ⅱ）的方法達到控制裂縫的效果，從而避免使用后澆帶產生的一系列問題。作者指出，由于普通膨脹劑超過一定齡期后會產生倒縮現象，膨脹效果將大大減弱，而KL-Ⅱ中含有一定減縮組分，能高效產生膨脹。在混凝土中摻入適量的KL-Ⅱ，可以阻斷混凝土收縮，減少混凝土內部的拉應力產生。通過調整KL-Ⅱ摻量，在結構收縮大的部位采用KL-Ⅱ含量較高的混凝土，在結構收縮小的部位采用KL-Ⅱ含量較低的混凝土，可以有效補償混凝土的收縮應力，從而達到取消后澆帶、實現超長混凝土的連續(xù)施工的目的。文章給出根據試驗研究得到的最優(yōu)KL-Ⅱ混凝土配合比設計，如表1所示。

表1 KL-Ⅱ混凝土配合比設計［10］Table 1 Design of mix proportion of KL-Ⅱconcrete［10］

馬岷成［11］研究了適用于寒旱地區(qū)優(yōu)化配合比混凝土。作者指出，寒旱地區(qū)年平均氣溫較低，溫差大，年平均濕度較低，超長混凝土結構更易出現有害裂縫如干縮裂縫、凍脹裂縫等。文章采用“全計算法”，以工作性、耐久性和強度為基礎計算適用于寒旱地區(qū)混凝土的組分比例。此外，作者提出摻入F類Ⅱ級粉煤灰和S95礦粉渣的措施，來減小超長混凝土結構水化熱和溫度峰值，有助于減少有害裂縫的產生。文章建議：①在滿足基本工作性能的基礎上，用水量盡可能少，以減少混凝土收縮；②在滿足強度要求的基礎上，用礦物摻和料代替部分水泥，減少水泥用量以減小水化熱，增加混凝土的穩(wěn)定性和密實度；③嚴格控制材料含泥量，減小變形收縮；④摻入高性能外加劑，增強混凝土性能，減少混凝土變形。

董磊等［12］研究了在超長混凝土結構中增配構造鋼筋的方法。作者認為，超長混凝土結構具有明顯的收縮和溫度效應，在溫差和體積變化較大的情況下，混凝土內部會產生較大的溫度應力，容易引起混凝土開裂。在溫度作用較明顯、溫度變化較大的區(qū)域，如形狀不規(guī)則、剛度突變等部位，增設構造鋼筋，采用適當提高配筋率或全長配筋的構造方式，能有效減少開裂的可能性。通過分析，作者提出以下構造手段：在超長方向，每側腰筋面積不小于0.001 5倍的腹板高度與梁寬的乘積；墻-墻、墻-柱連接節(jié)點增設直徑為10 mm的水平鋼筋，鋼筋末端伸入墻內1 500 mm；相對于計算配筋，墻體水平鋼筋實際配筋量加大20%；底板和頂板通長配筋，且將配筋量增大20%等。

楊毅超等［13］對補償收縮纖維混凝土的配合比進行分析，分析工作包括：①摻加纖維的品種和摻量的選擇；②不同摻量的膨脹劑對混凝土坍落度、抗壓強度以及限制膨脹率的影響。作者通過試驗研究，提出三種不同混凝土強度等級的較優(yōu)配合比，并結合施工現場構件測試驗證了配合比的可行性。試驗構件應變測試值見圖1，試驗確定的配合比見表2。分析結果表明，在膨脹劑摻量為帶外35 kg/m3、帶內40 kg/m3的情況下，混凝土應變發(fā)展較為緩慢，且在28 d的限制膨脹率較低。合理配合比的補償收縮纖維混凝土對于控制混凝土裂縫的發(fā)展有較好效果，實際工程中應在實驗室初步確定后，結合現場測試結果確定配合比。

表2 試驗確定的混凝土配合比［13］Table 2 Concrete mixture ratio［13］ kg/m3

圖1 試驗構件應變測試值［13］Fig.1 Strain test values of test component［13］

謝彪等［14］對優(yōu)化配合比前后的混凝土絕熱溫升及強度進行分析。原配合比礦物摻和料為粉煤灰15%、礦渣粉25%，優(yōu)化后礦物摻和料為粉煤灰26%、礦渣粉10%復配8%膨脹劑，并相應降低水泥用量。分析表明，優(yōu)化配合比混凝土絕熱溫升幅值降低5.5℃；就早期抗壓強度而言，優(yōu)化配合比混凝土較原配合比混凝土會有一定程度降低，但28 d抗壓強度仍滿足強度設計要求；優(yōu)化配合比混凝土自身體積先不斷增大然后保持穩(wěn)定，在后期能持續(xù)進行補償收縮（試驗結果見圖2～圖4）。結合有限元仿真分析計算結果和實體結構監(jiān)測分析結果，作者指出，在保證強度的前提下，優(yōu)化配合比與摻入膨脹劑使混凝土具有較低絕熱溫升、膨脹小的特點，溫度應力更容易控制，從而有效提高混凝土的抗裂能力。

圖2 混凝土絕熱溫升曲線［14］Fig.2 Adiabatic temperature rise curves of concrete［14］

圖4 混凝土自身體積變形［14］Fig.4 Volume deformation of concrete［14］

2 “放”的原則

圖3 混凝土早期抗壓強度［14］Fig.3 Early compressive strength of concrete［14］

構處于可自由變形的狀態(tài)，從而使約束應力達到可控水平，減少裂縫產生。主要措施有設置滑動支座、跳倉法、留設后澆帶等?！胺拧钡脑瓌t雖然在靈活性上優(yōu)于“抗”，但施工時往往工序較多，對施工質量要求較高。目前國內具有代表性的超長混凝土結構有人民大會堂、南京國際展覽中心、廣州國際會展中心等，這類無伸縮縫的超長結構通常采用設置后澆帶的方式來降低溫度應力的影響。

張玉明［15］研究了框架結構柱頂設置滑動支座對超長混凝土結構裂縫控制的影響。分析工作包括：①在普通超長混凝土框架結構設置滑動支座；②在超長圓環(huán)形混凝土框架結構設置滑動支座。為了計算超長圓環(huán)形框架結構溫度應力，作者沿圓環(huán)形框架環(huán)向取微元端，結合極坐標下環(huán)向溫度應力方程，總結出在均勻溫差作用下圓環(huán)形框架任意一點的環(huán)向拉應力公式：

式中：σθ為圓環(huán)形框架任意一點的環(huán)向拉應力；E為混凝土彈性模量；β為位移約束系數，即被約束位移與自由位移之比；α為混凝土線膨脹系數；Δt為圓環(huán)形框架微元段均勻降溫溫差。

結合式（1），作者具體計算了超長圓環(huán)形框架結構在四種不同滑動支座設置工況下的環(huán)向應力，分別是外環(huán)滑動、內環(huán)滑動、外兩環(huán)滑動和內兩環(huán)滑動。聯系普通超長混凝土框架結構設置滑動支座后的計算結果，得出以下結論：①對于圓環(huán)形框架，滑動支座越多，位移約束系數越小，環(huán)向應力越低，且在外環(huán)設置滑動支座要優(yōu)于在內環(huán)設置滑動支座；②框架柱頂滑動支座越多，框架溫度應力越小，但結構的抗側剛度以及整體性也越差；③滑動支座一般設置在結構頂層的柱頂而不設置在底層的柱頂。

雖然設置滑動支座可以減少結構的自由度，減少約束應力，從而控制裂縫發(fā)展，但結構的整體剛度和抗扭能力會被削弱，可能無法滿足抗震設計要求。因此，文章建議，在滿足抗震要求的基礎上，結合實際工程需要確定滑動支座的數量，在邊跨以及相鄰跨設置滑動支座。

張凌怡等［16］研究了“跳倉法”綜合技術在超長混凝土裂縫控制中的應用。跳倉法并不是要求分倉嚴格按照小于或等于40 m來進行，分倉時必須以設計圖紙與實際情況相結合為依據。如圖5所示，文章將基礎梁共分為6個倉。2倉內部布有較多預應力錨索，構造較為復雜，需單獨分倉，長度為48m。跳倉法需要間隔施工，文章給出施工順序為1→3→5→4→6→2。文章對1倉、2倉溫度監(jiān)控結果進行分析。分析表明，升溫階段的里表最大溫差為27℃，低于《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496—2009）［17］規(guī)定的30℃；降溫階段，中心處的平均降溫速率為3.29℃/d，高于規(guī)范要求的2.0℃/d，但由于跳倉法施工的特殊性，混凝土在澆筑前期就釋放了大部分收縮應力，故并未出現有害裂縫。

圖5 基礎梁分倉平面示意圖［16］Fig.5 Plane diagram of foundation beam silo division［16］

孔令宇等［18］研究了天津市某一底板大體積混凝土的施工技術。受使用功能限制，該地下室結構無法斷縫，且考慮到傳統(tǒng)后澆帶施工帶來的各種弊端，文章指出，采用跳倉法進行施工具有縮短施工工期、簡化建筑結構設計、有效減小混凝土的溫度應力的優(yōu)點。作者結合結構條件和施工條件，提出將整個地下室基礎底板及地下結構分倉為47塊，進行188次混凝土跳倉澆筑，每個分倉的施工周期平均為20 d，相鄰兩塊倉區(qū)混凝土澆筑時間間隔至少7 d。地下室結構的分倉情況如圖6所示。該工程與傳統(tǒng)跳倉法不同之處在于將納米防水水泥用于豎向結構與水平結構施工面、施工縫、后澆帶等部位的防水處理。文章給出納米防水水泥的具體構造及做法。

圖6 地下室結構分倉示意圖［18］Fig.6 Schematic diagram of subterranean structure silos［18］

3 “防”的原則

“抗”的原則是從材料本身出發(fā)，缺乏對約束的處理；“放”的原則大多僅涉及早期應力的釋放，也沒有有效處理約束問題。在此基礎上，劉哲宇［7］提出，通過調整結構約束和約束分布，減小約束內力的產生，從而達到裂縫控制的目的，這就是“防”的原則。常用措施有施加預應力、控制梁柱線剛度比等。

李明等［19］研究了超長預應力結構不同施工方法對結構性能的影響。研究內容包括：①后澆帶封閉后分段張拉預應力筋；②預應力筋張拉與后澆帶交叉施工。分析表明，后澆帶封閉后再分段張拉預應力筋時，由于結構作為整體承受荷載，未張拉的分段也會受到拉應力，此時若混凝土的抗拉強度較低而設置的預應力較大時，可能會產生裂縫。此外，在整體張拉完成后，柱頂會有較大的位移，約11.38 mm，并產生較大彎矩；預應力筋張拉與后澆帶交叉施工時，結構產生的應力性質與第一種情況相同，但應力相對較小，在整體張拉完成后柱頂位移也較小，約7.54 mm，相對整體張拉減小了36.5%。故文章建議合理安排施工次序，預應力筋張拉與后澆帶交叉施工，可以有效減小張拉預應力筋時對某些部位的拉應力，較大減小柱頂位移，提高有效預應力，對解決超長結構的裂縫問題有較大幫助。

焦彬如等［20］分析了增配預應力筋的超長墻體內應力分布狀況。作者對超長墻體內增配無黏結預應力筋進行分析計算，計算結果見圖7-圖9。分析圖7-圖9可知：①只在墻底和墻端1/3長度內有預應力分布，且應力峰值距墻端墻底距離小于10 m，說明預應力集中在墻體端部；②在墻體中部約1/3長度部位幾乎無預應力分布，中部區(qū)段的端部存在少量預應力；③施加預應力后，剪移區(qū)由原先的2.5 m擴展至15 m，剪應力的峰值由兩端向中部區(qū)域移動，且峰值由原先的1.75 N/mm2降低至1.17 N/mm2。

圖7 預應力作用下墻中和墻底剪應力［20］Fig.7 Distribution of shear stress at the bottom and in the wall under prestress［20］

圖9 溫差和預應力共同作用下墻中和墻底剪應力［20］Fig.9 Distribution of shear stress in bottom and wall under the action of temperature difference and prestress［20］

參考文獻［20］分析結果表明，在超長結構中施加預應力并不能完全消除裂縫的產生。雖然兩端裂縫的產生得到控制，但中部區(qū)段的裂縫會得到發(fā)展。通過分析，作者提出以下結論：相同溫差變形下，墻體收縮單元長度減小，溫差變形的作用將明顯減小，從而減小裂縫產生及發(fā)展。因此，將超長墻體三等分，去掉中間區(qū)段，只取兩端部分的預應力筋進行張拉，可以有效預防中部區(qū)段裂縫產生。這為配有預應力筋的超長結構裂縫控制提供了新思路。

圖8 溫差作用下墻中和墻底剪應力［20］Fig.8 Distribution of shear stress between bottom and wall under the action of temperature difference［20］

呂春輝［21］研究了合適的養(yǎng)護工藝對超長混凝土結構裂縫控制的影響。作者分析了不同養(yǎng)護條件對混凝土的收縮和耐久性的影響。分析表明：①混凝土的收縮應變受許多因素影響，如溫度、濕度等，因此考慮采用不同的系數對混凝土標準狀態(tài)下的最大收縮進行修正，并結合試驗數據回歸分析得到的公式，可以計算混凝土在任意時間的收縮值；②氯離子的滲透性隨深度的增加而減少；③混凝土的碳化深度隨早期標準養(yǎng)護時間的增加而減少；④混凝土在標準養(yǎng)護條件下的抗凍等級要高于自然養(yǎng)護條件；⑤混凝土的強度增長與養(yǎng)護條件正相關，養(yǎng)護條件越好，混凝土強度增長越快。故文章建議，提高環(huán)境的相對濕度，如采取噴淋等保濕養(yǎng)護手段，控制好溫度和養(yǎng)護時間，可以有效控制超長混凝土結構收縮裂縫的產生。

吳偉［22］研究了超長混凝土結構間歇施工技術。《混凝土結構施工質量驗收規(guī)范》（GB 50666—2011）［23］規(guī)定：澆筑混凝土應連續(xù)進行。當必須間歇時，其間歇時間宜縮短。但規(guī)范并未給出建議的間歇時間以及具體收縮應力計算公式，實際工程中很難通過控制收縮應力來減少超長結構裂縫的產生。文章對兩塊相鄰的混凝土底板進行研究，按照澆筑順序，將兩塊底板分為先澆塊和后澆塊。然后分析了間歇時間為1 d、2 d、3 d、5 d時先、后澆塊的應力發(fā)展狀態(tài)和相互影響作用，以及在整體澆筑狀態(tài)下的應力情況。分析表明，間歇時間越長，兩塊底板之間相互影響的時間越短。當間歇天數大于溫度變化周期和升溫天數的差值時，先、后澆塊之間將不會產生共同收縮。測試前，作者在先、后澆塊上，將測點沿縱向布置于中心位置、相鄰界面以及其他代表位置，收集了間歇時間為1 d、2 d、3 d、6 d測點位置最大應變數值。分析表明，間歇時間較長時，先澆塊對后澆塊的影響范圍幾乎可以忽略不計。但間歇時間過長會帶來諸多不利影響，實際間歇時間應結合工程具體要求確定。

4 超長混凝土結構裂縫控制評述

超長混凝土結構裂縫產生的原理是，當結構的收縮或溫度變形被約束限制時，結構就產生收縮應力和溫度應力，即約束應力。當混凝土的抗拉強度低于約束應力時，混凝土就會開裂。與原理相對應，可以通過以下三種方法控制混凝土裂縫的產生與發(fā)展：①增強混凝土抵抗收縮應力和溫度應力的能力，即實行“抗”的原則；②可以在一定程度上減少結構約束，釋放部分早期應力，即實行“放”的原則；③可以采取措施降低約束應力，即實行“防”的原則。“抗”和“放”的原則提出于2007年，囿于當時的工程技術經驗，只解決了“外因”，并未對約束應力這個“內因”進行有效處理。隨著預應力技術的蓬勃發(fā)展，直接減小約束應力的產生成為可能。這為超長混凝土結構裂縫控制提供了新的思路，即從源頭上控制裂縫的產生與發(fā)展。此外，有學者也在不斷嘗試改進傳統(tǒng)方法，提出了分層澆筑混凝土、小倉塊跳倉法［24］等具有良好溫度裂縫控制效果的施工方法。在實際工程中，結合不同措施的適用性，可以更高效處理超長結構的裂縫問題。例如，章靜等［25］分析了將后澆帶與預應力鋼筋等共同用于世博會主題館裂縫控制的效果，現場檢測后發(fā)現，采取施加預應力和設置后澆帶等措施具有良好的裂縫控制效果。

5 結 論

本文針對超長混凝土結構裂縫控制采取的措施，進行了較為系統(tǒng)的考察與總結。在實際工程中，“抗”“放”“防”這三種裂縫控制原則應用較為廣泛，而且三者間并非對立，往往有機結合使用，以期達到較好的裂縫控制效果和良好的經濟效益。

目前對超長混凝土結構裂縫控制的研究已取得較大進展，但還有一些問題等待解決：

（1）超長混凝土結構裂縫的產生與多種因素有關，目前建立的各種分析預測模型，其前提假定往往與實際情況有較大出入，如何建立精確的分析模型是未來超長混凝土結構裂縫控制研究面臨的一個挑戰(zhàn)。

（2）超長混凝土結構的溫度應力大多產生于結構底部，因此研究分析地基變形的影響也十分必要。

（3）預應力技術如今已很好地用于控制超長結構的裂縫，目前已經可以較為準確地計算預應力對超長混凝土結構整體影響，未來可以加強預應力對結構局部影響的研究。