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摘要：随着人们对房屋功能、环境需求的日益提高,建筑物的形状越来越复杂、体形越来越大,如一些大型的公共建筑、大底盘的商场等建筑,其平面尺寸已远远超出现行混凝土规范中需要留置温度缝的建筑物长度限值。科学合理地进行裂缝控制设计是摆在结构设计者面前的重要课题和难题。
关键词： 超长高层建筑；结构设计；无缝设计；裂缝控制
1工程概况
某医院病房楼工程,地下一层,地上十二层,总高45.25m ,总建筑面积42500m2 ,全现浇框架- 剪力墙结构。标准层平面尺寸为28.85m×103m ,屋顶平面尺寸为19.05m ×109.2m ,平面布置见图1。
图1 主楼结构布置平面图
混凝土强度等级为:地下室C40 ,1～3 层C45 ,4～7 层为C40 ,8～11 层C35 ,12～13 层为C30。由于是市级医院建筑,其抗震设防类别为乙类,按6度设防,7 度构造, Ⅲ类场地设计,框架和剪力墙的抗震等级为二级。基础采用预应力混凝土管桩。按照混凝土规范,本工程应在主楼中部留一道伸缩缝。受建筑平面布局的限制,分缝后剪力墙的布置非常困难,既多又很难做到均匀、对称、周边,不仅增加造价还削弱结构的整体性。故再三考虑后决定不留缝,剪力墙布置见图1。
图2 主楼屋面结构布置图（病房楼结构平面布置图）
这样一来,整体性好了,抗震性能得到进一步提高,但随之而来的问题,就是如何将结构的温度应力和收缩应力控制在一个合理的范围之内。在正常使用状态下,本工程的楼板产生的裂缝主要由下列因素造成:
一是由荷载引起的,其中主要是竖向荷载。以3.8m×6.25m 的板为例,在竖向荷载下支座上边缘混凝土拉应力为4MPa ,跨中2.3 MPa 。在适配钢筋下的裂缝宽度分别为0.2mm 和0.15mm ,加大配筋率后,在实配钢筋Φ8/10 @100 下的裂缝宽度分别为0.033mm和0.022mm ,均发生在受拉边缘,一般肉眼不可见；
二是由变形引起的,以温度、收缩为主,一旦开裂即全截面贯通。对于超长的高层框剪结构主楼,地下室及基础均置于土中,受温度的影响很小,可视为不变形,故该部分主要考虑的应该是混凝土收缩的问题。上部屋盖在温度变化的影响下会发生变形,由于受到墙柱的约束,楼板不能自由地膨胀或收缩,会在楼板中产生较大的温度应力,从而导致楼板开裂。墙、柱抗侧刚度越大,温度应力越大。本工程的东、西两端有四道剪力墙,将产生很大的约束,楼板的温度应力不可忽视,故上部楼层既要考虑混凝土收缩应力,又要考虑温度应力的影响。
按概念分析,随着楼层的递增,墙、柱的抗侧刚度呈三次方的关系递减,相对作为不动点的地下室而言,温度应力明显应逐层减小。为此,我们采用ANSYS 程序建立了有限元模型,按降温25°计算,楼板拉应力最大值出现在二层。在二层楼板处,拉应力一般在5～7MPa ,最大拉应力为18.9MPa 。三层楼板处, 拉应力为2 ～ 4MPa , 拉应力最大值为8.3MPa ,最大值均出现在接近剪力墙附近楼板中,但区域有限。上部几层拉应力则较小,屋面计算应力值也不大,最大为6.3 MPa ,与概念分析一致,具体见表1。
表1 楼板中部及两端混凝土应力及配筋（拉应力为正）
根据上述分析,温度变化产生的拉应力已远远大于混凝土的抗拉强度,加之与荷载及混凝土收缩产生的应力迭加,裂缝不可避免,且部分位置的裂缝将会非常明显, > 0.1mm ,必须采取相应的措施予以解决。
2针对裂缝成因采取的对策
2．1 解决混凝土收缩裂缝的措施
混凝土收缩是产生裂缝的重要因素,其裂缝主要出现在施工中混凝土的硬化阶段,一般在一年之内。引发混凝土非结构性裂缝的两个根本因素是收缩和质脆。要显著提高混凝土的抗裂性能,可在混凝土中有针对性地引入能有效削减这两个因素的高抗裂组合,即混凝土膨胀剂和聚丙烯纤维。膨胀剂可以在不影响结构强度的前提下适度膨胀,抵消或补偿混凝土固有的体积收缩,在混凝土内部建立适度预压应力,可大大减轻混凝土的开裂。
聚丙烯纤维可改善混凝土的脆性,其掺入混凝土后,在混凝土中形成均匀密集分布的三维乱向搭接牽扯体系,加强了混凝土材料介质的连续性和匀质性,提高了混凝土的阻裂能力,改善其脆性,能有效地降低混凝土裂缝和内部裂隙的数量和尺度。
然而,这两者作用的机理是不同的。混凝土终凝前后的早期表面塑性裂缝与拌合物组分沉降、水平钢筋下存水、水分快速蒸发以及施工、养护不当等原因有关。此时混凝土的刚性还很小,膨胀剂产生的膨胀能消耗于材料的塑性变形中,膨胀剂对控制混凝土的裂缝作用难以发挥。而聚丙烯纤维此时相对混凝土而言,弹性模量较高,且在混凝土中均匀分布,对混凝土的抗拉强度产生较显著的增强作用,对种种原因导致的早期表面塑性裂缝均有较好的抑制作用。在混凝土的硬化阶段,聚丙烯纤维弹性模量已小于硬化后的混凝土,其所起的抗裂作用有所减小,主要是分散裂缝,减小缝宽,而此时膨胀剂的作用得到充分发挥,适度产生的膨胀补偿了混凝土的收缩,从而阻止了裂缝的产生。
在病房楼工程中,以地下室顶板、侧墙为例,考虑到其总长达100m ,故在设计中加大纵向钢筋的配筋率；施工时在混凝土中掺入水泥用量10%的JM-3改进型外加剂作为微膨减水剂,限制膨胀率大于0.015 % ,同时掺入0.7kgPm3 的聚丙烯纤维。这样得到地下室侧墙,顶板部分C40补偿收缩纤维混凝土的配合比为每m3混凝土中: 水210kg , 52.5 水泥320kg ,中砂630kg ,碎石1130kg ,Ⅰ级粉煤灰70kg ,JM-Ⅲ外加剂31kg ,聚丙烯纤维0.7kg。针对该配比下的商品混凝土,施工单位还在浇筑、养护等方面制定了专门的措施,如振捣必须密实；混凝土终凝前,用人工多次抹压,防止表面沉降收缩裂缝的产生；混凝土浇筑后的1～7 天内浇水养,7～14 天内湿养护；延迟墙板拆模时间等。
另外,由于混凝土的收缩与一次浇筑的混凝土总长成正比,为减小收缩,在病房楼的1/3 长度处设置两道800mm 宽的后浇带,大大减小了收缩应力,整个地下室浇筑完成至今未发现有裂缝现象。
2．2 控制楼板中温度应力的措施
温度变形的影响是在建筑物使用中长期存在的,如上述ANSYS 分析结果,在楼板中存在不可忽视的温度应力。虽然微膨胀剂能产生012～017MPa的预压应力,但远不能解决板中大面积的拉应力。
经多方案比较,决定板中施加预应力,用1860的Φ15.2 的无粘结预应力钢铰线,所建立的有效预应力和预应力筋间距见表1。屋顶的温度应力计算值虽然不大,但考虑到其在实际使用中温差大,一旦开裂极易渗漏, 在配筋中予以加强, 中部间距300mm ,两端间距600mm ,分别建立4MPa 和2MPa 的预应力。施加预应力后,再进行结构分析,楼板中的应力见表1。
分析结果显示,除第2 层局部最大拉应力达8.3MPa ,第3 层局部最大3.3MPa 外,其余应力均小于3MPa ,屋顶基本处于受压状态。裂缝宽度可得到有效的控制, > 0.1mm ,肉眼不可见,洞口部位采用角部加配钢筋的方法预以控制。在设计中还注意到,由于两端楼电梯间的剪力墙抗侧刚度太大,预应力筋若通长布置一次张拉,很大程度的压应力将会被剪力墙吸收,楼盖中建立的有效预应力将远远小于设计。故调整张拉方案,利用后浇带,先张拉中间部分,待后浇带封闭后再分别张拉两端(见图2) ,这样每次张拉时剪力墙均位于张拉区中间,楼板中的预应力可得到有效地施加。整个楼板的非预应力筋也尽量做到细而密,在应力较大部位采用Ф10 @100 ,其它部位Ф8P10 @100 ,板厚120 ,配筋率达0.53 %～0.65 %。此外,还在建筑中采取相应的保温隔热措施来减小温度应力,如外墙采用保温砂浆粉刷、屋面设置厚达5cm 的挤塑保温板等。
3 验证
为验证本工程所进行的结构分析是否正确,所采取的措施是否有效,在2、3 层和屋顶楼板中预埋了振弦式应力传感器和测温器,对混凝土中的应力和温度进行长期观测。目前该工程已封顶,后浇带中间部分的预应筋已张拉完毕,两侧的预应力已逐层施加,观测也正在进行之中。从已经浇筑的地下室顶板,底板和侧墙以及各层楼板来看,在采取了相应的防裂措施后,未发现其它同类工程中常见的裂缝。说明本工程所采用的方法是有效的,并将会在今后的观测中得到进一步的验证。
4结束语
超长结构的裂缝控制设计,留缝与不留缝“, 抗”与“放”是两种不同的解决方法,它们并非是完全对立,有时也是相辅相成的,不同条件下各有其优缺点。由于使用功能和建筑立面的要求以及抗震设防区抗侧力构件的布置要求,大型的钢筋混凝土框架剪力墙结构有时很难留缝,必须采取“抗”的方案。当然这种“抗”也不是盲目地、简单地取消伸缩缝,而应该在有限元分析的基础上采取施加预应力、掺微膨胀剂、聚丙烯纤维、制定合理的施工方案等措施来实现。该院病房楼工程就是一个示例,而且在裂缝设计中也不排斥“放”的方案,本工程自下而上设置的两道后浇带可以释放掉相当一部分混凝土收缩应力,并且使剪力墙均位于预应力张拉区的中部,减小由于混凝土墙刚度大而吸收掉的预应力,有助于在楼板中建立所需的有效预应力。
总之,裂缝控制是一个复杂的系统工程,需要从材料、设计、施工和维护等几个方面预以综合考虑方可解决。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词： 超长高层建筑；结构设计；无缝设计；裂缝控制
1工程概况
某医院病房楼工程,地下一层,地上十二层,总高45.25m ,总建筑面积42500m2 ,全现浇框架- 剪力墙结构。标准层平面尺寸为28.85m×103m ,屋顶平面尺寸为19.05m ×109.2m ,平面布置见图1。
图1 主楼结构布置平面图
混凝土强度等级为:地下室C40 ,1～3 层C45 ,4～7 层为C40 ,8～11 层C35 ,12～13 层为C30。由于是市级医院建筑,其抗震设防类别为乙类,按6度设防,7 度构造, Ⅲ类场地设计,框架和剪力墙的抗震等级为二级。基础采用预应力混凝土管桩。按照混凝土规范,本工程应在主楼中部留一道伸缩缝。受建筑平面布局的限制,分缝后剪力墙的布置非常困难,既多又很难做到均匀、对称、周边,不仅增加造价还削弱结构的整体性。故再三考虑后决定不留缝,剪力墙布置见图1。
图2 主楼屋面结构布置图（病房楼结构平面布置图）
这样一来,整体性好了,抗震性能得到进一步提高,但随之而来的问题,就是如何将结构的温度应力和收缩应力控制在一个合理的范围之内。在正常使用状态下,本工程的楼板产生的裂缝主要由下列因素造成:
一是由荷载引起的,其中主要是竖向荷载。以3.8m×6.25m 的板为例,在竖向荷载下支座上边缘混凝土拉应力为4MPa ,跨中2.3 MPa 。在适配钢筋下的裂缝宽度分别为0.2mm 和0.15mm ,加大配筋率后,在实配钢筋Φ8/10 @100 下的裂缝宽度分别为0.033mm和0.022mm ,均发生在受拉边缘,一般肉眼不可见；
二是由变形引起的,以温度、收缩为主,一旦开裂即全截面贯通。对于超长的高层框剪结构主楼,地下室及基础均置于土中,受温度的影响很小,可视为不变形,故该部分主要考虑的应该是混凝土收缩的问题。上部屋盖在温度变化的影响下会发生变形,由于受到墙柱的约束,楼板不能自由地膨胀或收缩,会在楼板中产生较大的温度应力,从而导致楼板开裂。墙、柱抗侧刚度越大,温度应力越大。本工程的东、西两端有四道剪力墙,将产生很大的约束,楼板的温度应力不可忽视,故上部楼层既要考虑混凝土收缩应力,又要考虑温度应力的影响。
按概念分析,随着楼层的递增,墙、柱的抗侧刚度呈三次方的关系递减,相对作为不动点的地下室而言,温度应力明显应逐层减小。为此,我们采用ANSYS 程序建立了有限元模型,按降温25°计算,楼板拉应力最大值出现在二层。在二层楼板处,拉应力一般在5～7MPa ,最大拉应力为18.9MPa 。三层楼板处, 拉应力为2 ～ 4MPa , 拉应力最大值为8.3MPa ,最大值均出现在接近剪力墙附近楼板中,但区域有限。上部几层拉应力则较小,屋面计算应力值也不大,最大为6.3 MPa ,与概念分析一致,具体见表1。
表1 楼板中部及两端混凝土应力及配筋（拉应力为正）
根据上述分析,温度变化产生的拉应力已远远大于混凝土的抗拉强度,加之与荷载及混凝土收缩产生的应力迭加,裂缝不可避免,且部分位置的裂缝将会非常明显, > 0.1mm ,必须采取相应的措施予以解决。
2针对裂缝成因采取的对策
2．1 解决混凝土收缩裂缝的措施
混凝土收缩是产生裂缝的重要因素,其裂缝主要出现在施工中混凝土的硬化阶段,一般在一年之内。引发混凝土非结构性裂缝的两个根本因素是收缩和质脆。要显著提高混凝土的抗裂性能,可在混凝土中有针对性地引入能有效削减这两个因素的高抗裂组合,即混凝土膨胀剂和聚丙烯纤维。膨胀剂可以在不影响结构强度的前提下适度膨胀,抵消或补偿混凝土固有的体积收缩,在混凝土内部建立适度预压应力,可大大减轻混凝土的开裂。
聚丙烯纤维可改善混凝土的脆性,其掺入混凝土后,在混凝土中形成均匀密集分布的三维乱向搭接牽扯体系,加强了混凝土材料介质的连续性和匀质性,提高了混凝土的阻裂能力,改善其脆性,能有效地降低混凝土裂缝和内部裂隙的数量和尺度。
然而,这两者作用的机理是不同的。混凝土终凝前后的早期表面塑性裂缝与拌合物组分沉降、水平钢筋下存水、水分快速蒸发以及施工、养护不当等原因有关。此时混凝土的刚性还很小,膨胀剂产生的膨胀能消耗于材料的塑性变形中,膨胀剂对控制混凝土的裂缝作用难以发挥。而聚丙烯纤维此时相对混凝土而言,弹性模量较高,且在混凝土中均匀分布,对混凝土的抗拉强度产生较显著的增强作用,对种种原因导致的早期表面塑性裂缝均有较好的抑制作用。在混凝土的硬化阶段,聚丙烯纤维弹性模量已小于硬化后的混凝土,其所起的抗裂作用有所减小,主要是分散裂缝,减小缝宽,而此时膨胀剂的作用得到充分发挥,适度产生的膨胀补偿了混凝土的收缩,从而阻止了裂缝的产生。
在病房楼工程中,以地下室顶板、侧墙为例,考虑到其总长达100m ,故在设计中加大纵向钢筋的配筋率；施工时在混凝土中掺入水泥用量10%的JM-3改进型外加剂作为微膨减水剂,限制膨胀率大于0.015 % ,同时掺入0.7kgPm3 的聚丙烯纤维。这样得到地下室侧墙,顶板部分C40补偿收缩纤维混凝土的配合比为每m3混凝土中: 水210kg , 52.5 水泥320kg ,中砂630kg ,碎石1130kg ,Ⅰ级粉煤灰70kg ,JM-Ⅲ外加剂31kg ,聚丙烯纤维0.7kg。针对该配比下的商品混凝土,施工单位还在浇筑、养护等方面制定了专门的措施,如振捣必须密实；混凝土终凝前,用人工多次抹压,防止表面沉降收缩裂缝的产生；混凝土浇筑后的1～7 天内浇水养,7～14 天内湿养护；延迟墙板拆模时间等。
另外,由于混凝土的收缩与一次浇筑的混凝土总长成正比,为减小收缩,在病房楼的1/3 长度处设置两道800mm 宽的后浇带,大大减小了收缩应力,整个地下室浇筑完成至今未发现有裂缝现象。
2．2 控制楼板中温度应力的措施
温度变形的影响是在建筑物使用中长期存在的,如上述ANSYS 分析结果,在楼板中存在不可忽视的温度应力。虽然微膨胀剂能产生012～017MPa的预压应力,但远不能解决板中大面积的拉应力。
经多方案比较,决定板中施加预应力,用1860的Φ15.2 的无粘结预应力钢铰线,所建立的有效预应力和预应力筋间距见表1。屋顶的温度应力计算值虽然不大,但考虑到其在实际使用中温差大,一旦开裂极易渗漏, 在配筋中予以加强, 中部间距300mm ,两端间距600mm ,分别建立4MPa 和2MPa 的预应力。施加预应力后,再进行结构分析,楼板中的应力见表1。
分析结果显示,除第2 层局部最大拉应力达8.3MPa ,第3 层局部最大3.3MPa 外,其余应力均小于3MPa ,屋顶基本处于受压状态。裂缝宽度可得到有效的控制, > 0.1mm ,肉眼不可见,洞口部位采用角部加配钢筋的方法预以控制。在设计中还注意到,由于两端楼电梯间的剪力墙抗侧刚度太大,预应力筋若通长布置一次张拉,很大程度的压应力将会被剪力墙吸收,楼盖中建立的有效预应力将远远小于设计。故调整张拉方案,利用后浇带,先张拉中间部分,待后浇带封闭后再分别张拉两端(见图2) ,这样每次张拉时剪力墙均位于张拉区中间,楼板中的预应力可得到有效地施加。整个楼板的非预应力筋也尽量做到细而密,在应力较大部位采用Ф10 @100 ,其它部位Ф8P10 @100 ,板厚120 ,配筋率达0.53 %～0.65 %。此外,还在建筑中采取相应的保温隔热措施来减小温度应力,如外墙采用保温砂浆粉刷、屋面设置厚达5cm 的挤塑保温板等。
3 验证
为验证本工程所进行的结构分析是否正确,所采取的措施是否有效,在2、3 层和屋顶楼板中预埋了振弦式应力传感器和测温器,对混凝土中的应力和温度进行长期观测。目前该工程已封顶,后浇带中间部分的预应筋已张拉完毕,两侧的预应力已逐层施加,观测也正在进行之中。从已经浇筑的地下室顶板,底板和侧墙以及各层楼板来看,在采取了相应的防裂措施后,未发现其它同类工程中常见的裂缝。说明本工程所采用的方法是有效的,并将会在今后的观测中得到进一步的验证。
4结束语
超长结构的裂缝控制设计,留缝与不留缝“, 抗”与“放”是两种不同的解决方法,它们并非是完全对立,有时也是相辅相成的,不同条件下各有其优缺点。由于使用功能和建筑立面的要求以及抗震设防区抗侧力构件的布置要求,大型的钢筋混凝土框架剪力墙结构有时很难留缝,必须采取“抗”的方案。当然这种“抗”也不是盲目地、简单地取消伸缩缝,而应该在有限元分析的基础上采取施加预应力、掺微膨胀剂、聚丙烯纤维、制定合理的施工方案等措施来实现。该院病房楼工程就是一个示例,而且在裂缝设计中也不排斥“放”的方案,本工程自下而上设置的两道后浇带可以释放掉相当一部分混凝土收缩应力,并且使剪力墙均位于预应力张拉区的中部,减小由于混凝土墙刚度大而吸收掉的预应力,有助于在楼板中建立所需的有效预应力。
总之,裂缝控制是一个复杂的系统工程,需要从材料、设计、施工和维护等几个方面预以综合考虑方可解决。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。