超长钢筋混凝土结构无缝设计实践

张维秀范 鑫 张伟光 中石油东北炼化工程公司吉林设计院 吉林 132002

张元琦 吉林建筑工程学院 吉林 132002

王 岩 中石油东北炼化公司金属结构分公司 吉林 132002

超长钢筋混凝土结构无缝设计实践

张维秀＊范 鑫 张伟光 中石油东北炼化工程公司吉林设计院 吉林 132002

张元琦 吉林建筑工程学院 吉林 132002

王 岩 中石油东北炼化公司金属结构分公司 吉林 132002

通过分段浇筑补偿收缩混凝土抵抗干缩变形,同时通过温差应力计算,确保使用过程中混凝土温差应力不超过抗拉强度,实现超长混凝土结构的无缝设计。

超长 钢筋混凝土 结构 无缝设计

超长地下钢筋混凝土结构广泛应用于民用建筑中,如地下停车场、地下商店、水池等类建筑。其共同特点是:有防水要求,一般都有较大的安全度,不存在承载力问题,关键是解决好干缩和温差裂缝。按照《混凝土结构设计规范》规定,混凝土伸缩缝最大间距,室内或土基为 30m,露天为 20m。按《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》和《给水排水工程构筑物结构设计规范》规定,混凝土伸缩缝最大间距,岩基露天为15m,岩基地下或有保温为 20m,土基露天为20m,土基地下或有保温为 30m。实际工程中如按这些规定将要设很多缝,带来结构受力不合理、底板布置和防水防渗困难、延长施工工期等一系列难题,并增加投资,因此越来越多的工程趋向于整体化不设缝。

然而,许多超长结构由于未采取有效的设计、施工措施而导致开裂,因此如何采取有效的措施,避免干缩裂缝和温差裂缝已成为超长混凝土结构无缝设计中必须解决的重要课题。

1 工程概况

某工程由地上 9栋 33层 (高 100m)的高级住宅群、商业网点以及地下车库构成,整个工程建筑面积 4.2×105m2,为特大型一级一类建筑工程。平、立面布置、水文地质复杂。地下车库占地面积 17008m2,最大直线长度 286m,高 6.15m。采用 C30、S6混凝土,内掺 UEA膨胀剂,限制膨胀率取 0.025%,膨胀加强带限制膨胀率取 0.030%,整个 286m长的地下部分未留伸缩缝。

由于工程的钢筋混凝土结构严重超长,决定采用两步施工的办法:①将整个工程划分为 20块每块为 50～60m的施工区段浇筑补偿收缩混凝土,在每一区段中部设置一道连续膨胀加强带,补偿干缩变形,以控制每个区段不出现干缩裂缝;②每一施工区段间设置后浇膨胀加强带,但应在一个月后浇注,将整个结构连接起来。同时,结合整个高层建筑群的布置,在高层外侧第二跨布置沉降后浇带,解决不均匀沉降问题。

2 补偿收缩混凝土的机理

补偿收缩混凝土是利用膨胀剂在混凝土凝结过程中经水化反应生成膨胀物质钙矾石 (3CaSO4·32H2O)、氢氧化钙 (Ca(OH)2)使混凝土的体积膨胀,而混凝土在钢筋和边界条件的限制下产生0.2～1.0MPa的自压应力,使得混凝土由于凝固过程中产生的拉应力得以抵消,达到提高混凝土抗裂性能的目的。补偿收缩混凝土的限制膨胀率为0.015%～0.060%。对于一般超长混凝土结构,可在收缩最大的部位设置连续膨胀加强带,在连续膨胀加强带内掺加大剂量膨胀剂,而在连续膨胀加强带两侧掺加小剂量膨胀剂。在膨胀加强带两侧设置细钢丝网,浇筑时从两侧向膨胀加强带施工,利用细钢丝网挡住两侧微膨胀混凝土,然后浇筑连续膨胀加强带,整体结构一次浇筑完成。这可达到有效控制干缩变形、避免开裂的目的。理论上讲,利用补偿收缩混凝土可以解决无限长结构的浇筑 (干缩)问题,但由于使用过程中存在环境温差,当结构长度大于 70m时,一般应设置后浇膨胀加强带。

3 补偿收缩混凝土限制膨胀率

为了确定补偿收缩混凝土的限制膨胀率,首先应计算出水化热温升和混凝土干缩产生的收缩率,然后根据当地的环境温差计算出环境温差应力,以确保使用过程中混凝土温差应力不超过抗拉强度。

3.1 混凝土水化热温升

混凝土水化热温升按下式计算[4][5]

式中,T1为混凝土的水化热温升,℃;β为结构散热影响系数,对多维散热取 0.3,一维散热取 0.5～0.6;W为混凝土的水泥用量,kg/m3;Q为水泥 28天的水化热,kJ/kg,对 42.5、52.5的普通硅酸盐水泥取 340～380,对 42.5、52.5的矿渣水泥取 250～290,对 UEA膨胀剂取 240～250;C为混凝土比热,kJ/(kg·℃),取 0.96;γ为混凝土密度,kg/m3,取 2500。

由于水化热对板、墙结构升、降温都较快,且温度升高产生的是压应力,为此,不考虑水化热温升影响。

3.2 混凝土干缩率

混凝土龄期的收缩率按下式计算:

式中,εy为混凝土计算龄期 t的收缩率;t为混凝土计算龄期,d;ε0=3.24×10-4为标准状态下混凝土极限收缩率;M1为水泥品种修正系数,取1.25;M2为水泥细度修正系数取 1.35;M3为岩石骨料种类修正系数,取 1.00;M4为水灰比修正系数,取 1.00;M5为水泥浆量修正系数,取 1.00;M6为初期养护时间修正系数,取 1.04;M7为使用环境湿度修正系数,取 0.77;M8为构件尺寸修正系数,取 0.65;M9为应力比修正系数,取 1.00;M10为配筋率修正系数,取 1.00。

取 180天干缩率作为最终收缩率:

因此,采用限制膨胀率 0.025%的补偿收缩混凝土,就可确保混凝土凝固后不出现干缩裂缝。

3.3 环境温差应力

根据王铁梦提出的长墙及地基板的温度收缩应力理论,假定地基与周围环境气温相同,均为初始温度,结构全截面温度均匀,当后期环境升温,温差 T2为正值,结构产生压应力;当后期环境降温,温度 T2为负值,结构产生拉应力。该工程取当地区极端最高温度 36.6℃为初始温度,冬季采暖温度取 10℃,温差为 26.6℃。

温差应力按下式计算:

式中,σxmax为最大拉应力,N/mm2;E为混凝土弹性模量,N/mm2,E随时间变化,取 2.28×104;α为混凝土线膨胀系数,取 1.0×10-5;T2为环境温差,℃;β为系数;Cx为水平阻力系数,N/mm3,根据地基情况选取,该工程取 0.6;L为结构长度,mm;H为结构高度,mm;H(t,z)为徐变折减系数, 取 0.3。

只要计算出的应力σxmax不超过混凝土的抗拉强度就不会开裂。

(1)计算β系数:

C30混凝土的抗拉强度标准值 flk为2.01N/mm2。

Σxmax

4 补偿收缩混凝土构造

4.1 构造钢筋

补偿收缩混凝土浇筑后产生微膨胀,受到钢筋的约束产生自应力,混凝土的自应力σc按下式计算:

式中,σc为混凝土自应力,N/mm2;As为钢筋截面积,mm2;Es为钢筋弹性模量,N/mm2,取 2.0×105N/mm2;εs为钢筋的伸长率,也就是补偿收缩混凝土的限制膨胀率;Ac为混凝土截面积,mm2。

由式 (4):

这就是补偿收缩混凝土所需配置的构造钢筋。该工程εs=0.025%,计算出顶板、底板和外墙构造配筋面积分别为:

4.2 配筋率

《补偿收缩混凝土应用技术规程》明确应采用双排双向钢筋网,水池池壁水平筋间距不大于150mm,中部 H/3(H为池壁高)范围内水平钢筋加密至 100mm。

混凝土结构设计规范规定,对受弯构件一侧的最小配筋率取 0.215%。《混凝土外加剂应用技术规范》规定墙体宜大于 0.4%,楼板宜约为0.6%。

对该工程按照 4.1计算出的配筋,顶板、底版和外墙配筋率分别为:

计算结果满足各规范的规定,应按计算配温差构造筋。

4.3 膨胀加强带

膨胀加强带混凝土比两侧混凝土强度提高一级,采用 C35混凝土浇筑,适当增加加强钢筋,对后浇膨胀加强带和沉降后浇带加设 3mm厚的镀锌钢板止水带。各部位膨胀加强带构造见图 1～图3。

5 施工养护

首先选用性能稳定、质量好、有较多应用实例的膨胀剂,一般选用建研院研制的 UEA膨胀剂,施工前应根据《补偿收缩混凝土应用技术规程》、《混凝土外加剂应用技术规范》及《普通混凝土配合比设计规程》的规定进行试配。对混凝土应加以覆盖并保湿养护,保持混凝土表面处于湿润状态。同时采取保温隔热措施,加强养护。

6 结语

图1 底板膨胀加强带构造详图

图2 梁膨胀加强带 (箍筋同梁箍筋)

图3 外墙和顶板膨胀加强带构造详图

通过控制补偿收缩混凝土的限制膨胀率补偿干缩,避免干缩裂缝;通过温差应力计算,控制长期使用过程中混凝土拉应力不超过抗拉强度,从而有效解决超长地下混凝土结构的裂缝问题。

本文所述工程已建成并使用多年,效果良好。

1 GB 50010-2002,混凝土结构设计规范 [S].

2 CECS 138:2002,给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].

3 GB 50069-2002,给水排水工程构筑物结构设计规范[S].

4 黄以庄,黄华敬等.超长混凝土结构无缝设计 [J].建筑结构,2010(6).

5 王铁梦.工程结构裂缝控制 [M].北京:中国建筑工业出版社.

6 JGJ/T 178-2009,补偿收缩混凝土应用技术规程 [S].

7 GB 50119-2003,混凝土外加剂应用技术规范 [S].

8 JGJ 55-2000,普通混凝土配合比设计规程 [S].

(修改回稿 2010-09-28)

＊张维秀:教授级高级工程师,一级注册结构师,注册岩土工程师。1989年毕业于南京水利科学研究院岩土工程专业获工学硕士。现从事工程设计工作。联系电话:(0432)63959402。