转换层多层叠浇法施工大体积混凝土裂缝控制

夏旭标

（上海彪玛建筑工程咨询有限公司，上海 200336）

转换层多层叠浇法施工大体积混凝土裂缝控制

夏旭标

（上海彪玛建筑工程咨询有限公司，上海 200336）

从一般大体积混凝土裂缝控制的原理出发，就多层叠浇法施工的转换层大体积混凝土裂缝控制计算进行了专门的讨论，并给出了一个工程裂缝控制计算实例，从而进一步阐明了大体积混凝土裂缝控制的思路。

转换层，多层叠浇，裂缝，温度应力

1 概述

近年来国内高层建筑发展很快，高度越来越高、体型越来越大。在同一座建筑中，沿高度方向功能要发生变化，为了实现结构形式的转换，需要在楼层内布置转换层。

目前实际工程中转换梁的截面高度为1.6 m～4.0 m;一般转换厚板的厚度可达2.0 m～2.8 m。对于这种大体积混凝土的浇筑，温度裂缝的控制是个重要的问题，现在通常采用与地下室底板一样的方法来控制转换层温度裂缝。但是由于转换层处于高空，它的裂缝控制也有其自身的特点。

叠合浇筑法是转换层施工中的一种方法，它应用叠合梁原理将转换构件分多次浇筑成型，利用先浇筑的混凝土形成的构件和模板支撑共同工作，一起承受后浇混凝土的自重和施工荷载。这种方法可以降低模板支撑费用，降低造价。但是这种方法要留施工缝，为了保证施工缝的粘结性能和抗剪性能，需要在施工缝处设齿槽和剪力钢筋等，这使得下层混凝土对新浇筑混凝土有很大的约束，所以很容易出现贯穿裂缝。

2 转换层温度收缩应力计算

2.1 地基水平阻力系数

当两种物体沿水平面接触并同时产生相对位移时，在接触面上的粘结阻力和摩擦将产生剪切应力，土力学曾假设该点剪应力和该点水平位移成正比:

其比例系数在裂缝控制计算中称为“水平阻力系数”。从以往的研究可知，Cx与地基性质、塑性和徐变以及弹性模量有关，随徐变而减小，随弹性模量增大而增大，随结构几何尺寸增大而减小，随变形速度增加而增大，随垂直压力增大而增加，并且所有这些因素的影响都是非线性的，难以进行严格的定量确定。前人根据相关试验数据，并通过现场试验和工程裂缝实例的反演，建议使用表1的数据。

表1 各类地基以及基础约束下的Cx值

从水平阻力系数可以知道，多层叠浇的混凝土受到的约束远远大于地基土上的基础底板，因此叠合浇筑的转换层结构混凝土要比基础底板更易开裂。

2.2 混凝土收缩徐变

混凝土在结硬过程中会发生非温度收缩变形，收缩变形的趋势与温度收缩变形的趋势是一致的，会加重混凝土的裂缝。

标准状态下混凝土的最终收缩（极限收缩）应变为:

任意时间的收缩可以用下列公式计算:

其中，εy（t）为任意时间的收缩，t（时间）以天为单位;为标准状态下的极限收缩;M1，M2，…，Mn为考虑非标准条件的修正系数，见文献［1］中的表2-1～2-5。

对于混凝土的非温度收缩变形可以折算成温度变化，然后与温度收缩一起计算，当量温度变化为:

其中，α为混凝土线膨胀系数，取1.0×10－5。

结构物在内力作用下，其变形随时间延长而增加的现象称为徐变变形。影响徐变变形的因素与影响收缩变形的因素是相同的，因此将徐变变形与收缩变形一并考虑。

按弹性的假定，可以求出在龄期τ1施加强迫变形εx（τ1）所产生的瞬时弹性应力σx（τ1），再求出随时间增加而降低的松弛应力σ'x（t，τ1），松弛应力和弹性应力之比即为“松弛系数”，以H（t，τ1）表示，它与产生约束的龄期τ1以及延续时间t有关:

H（t，τ1）按理论计算十分复杂，通常可以计算出一般条件下的定量结果并列成表格供工程计算使用，一般条件下应力松弛系数表相应值可查阅文献［1］中表5-1。在简化计算中可以采用忽略混凝土龄期影响的松弛系数表（见表2）。

表2 忽略混凝土龄期影响的松弛系数表

2.3 混凝土温度收缩应力

混凝土的温度收缩应力可以采用下列公式计算:

式中几何参数意义及结构收缩应力分布如图1所示。

图1 式（7）中几何参数意义及结构收缩应力分布

新浇筑混凝土产生大量热量，构件温度急剧升高，但此时混凝土有较强的塑性，不必计算收缩应力。混凝土构件内部温度并非均匀的，近似的为抛物线分布，但验算贯穿裂缝时只取截面中部均匀降温差，这样取是偏于安全的，在计算中可以不再取安全系数。有时在工程中为了计算早期混凝土温度应力，考虑松弛系数和弹性模量的变化，可以将温差按时间分为多个区段，用有限差分法计算各个时间段的温差，并将该时间段内的弹性模量和松弛系数当作常数计算本时间段的温度应力，最后可叠加得到最终温度应力。

其中，ΔTi为将总降温差分解为n个降温段，ΔTi为第i个降温段的温差;Hi（t，τi）为第i个降温段的应力松弛系数，t为由峰值温度降低到周围温度的时间，τi为第i段的龄期;Ei（t）为第i个降温段的弹性模量。

3 工程计算实例

芜湖新百大厦位于安徽芜湖市，总建筑面积60 800 m2，地上高度113 m，采用现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构。第七层为转换层，大梁尺寸1 m×3 m，跨度8.3 m，连续长度最长77 m，混凝土设计强度C40。转换层施工采用三次浇筑成型，三次浇筑高度分别为0.8 m，1.35 m和0.85 m。叠合浇筑虽然减少了因水化热引起的温差，但是叠合面非常粗糙，对混凝土有较大的约束，并且混凝土一次浇筑长度很长，所以容易产生收缩裂缝。对于这三次浇筑，第一层和第三层配筋率很高（上下均有20Φ32～30Φ32主筋），混凝土收缩受到很大限制，但是第二浇筑层处于梁的中部，配筋率（0.559%）较低，容易产生温度裂缝，要进行抗裂分析。

3.1 采用普通混凝土浇筑时的抗裂分析

水泥用量:480 kg/m3（普通水泥525号），水灰比:0.4。

3.1.1 水化热温升

其中，W为每立方米中水泥含量，kg/m3;Q为每千克散热量，J/kg;C为比热;γ为混凝土重度。

考虑混凝土上表面及左右侧三维散热，散热系数0.2～0.3，取0.3，实际温升:

3.1.2 混凝土一个月最大收缩值

3.1.3 弹性模量

弹性模量随时间增长而上升，30 d时弹性模量为:

其中，E（t）为任意龄期的混凝土弹性模量;E0为最终的混凝土弹性模量;t为混凝土浇灌到计算时间点的天数。

3.1.4 收缩应力

Cx=100×10－2kN/m3，H=1.35 m=1 350 mm，L=77 m= 77 000 mm。混凝土结构浇筑20 d后已足够老化，产生约束变形，在简化计算中采用忽略混凝土龄期影响的松弛系数，t－τ1=30－20=10 d，取H（t）=0.462。

3.2 采用RPA补偿收缩混凝土浇筑时的抗裂分析

水泥用量:446.1 kg/m3（普通水泥525号），水灰比:0.4。

以下计算过程中凡是与3.1采用普通混凝土时的抗裂分析计算中相同的公式不再注明公式中各字母所代表的意义。

3.2.1 水化热温升

考虑混凝土上表面及左右侧三维散热，散热系数0.2～0.3，取0.3，实际温升:

3.2.2 混凝土一个月最大收缩值

3.2.3 弹性模量

弹性模量随时间增长而上升，30 d时的弹性模量为:

3.2.4 收缩应力

混凝土结构浇筑20 d后已足够老化，产生约束变形，在简化计算中采用忽略混凝土龄期影响的松弛系数，t－τ1=30－20= 10 d，取H（t）=0.462。

4 结语

对于转换层的大体积混凝土施工，除了应该进行裂缝控制计算外，还应当采取合理的施工措施。裂缝计算是近似计算并且计算中的参数受施工条件的影响，如果施工措施不合理，仍然可能出现贯穿裂缝，或者由于混凝土的自约束作用而产生表面裂缝。

混凝土的温升主要是由水泥水化热引起的，所以水泥应使用低水化热水泥，并且不能使用刚出厂的热水泥灰配置混凝土。应该充分利用混凝土的后期强度，如60 d，90 d，120 d强度，从而减少水泥用量，减少水化热和收缩。为保证混凝土的可泵性可以加入适量减水剂和粉煤灰。混凝土中还可以掺入微膨胀剂补偿收缩，如本文工程实例使用膨胀剂可以产生20℃的当量降温，从而保证了构件不出现贯穿裂缝。混凝土养护过程中必须采取有效的措施保证混凝土缓慢降温。转换层结构裂缝的问题是可认知、可控制的。根据现有的理论知识和工程实践经验，我们完全可以把裂缝控制在工程可以接受的范围之内。而如何把裂缝控制在无害的范围之内，这就是结构工程师们的艺术了。

［1］王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［2］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1999.

［3］唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工［M］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［4］刘玉荣，周瑢，周听照.高层建筑结构转换层超长大体积混凝土施工技术［J］.施工技术，1996（5）：89-90.

［5］梁文.简析大体积混凝土裂缝的控制［J］.山西建筑，2011，37（5）：91-92.

M ass concrete cracking control in the construction w ith multiple-layer grouting method of transformation layer

XIA Xu-biao

（Shanghai Biaoma Construction Engineering Consultation Co.，Ltd，Shanghai200336，China）

Starting from the generalmass concrete cracking control principle，the article discusses themass concrete cracking control and calculation of transformation layer in the construction withmultiple-layer groutingmethod，and shows an engineering crack controlling a calculation example，so as to further illustrate themass concrete cracking control concept.

transformation layer，multiple-layer grouting，crack，temperature stress

TU755.7

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.19.095

1009-6825（2012）19-0121-03

2012-04-18

夏旭标（1970-），男，工程师