浅谈高层建筑转换层混凝土裂缝的控制

王雷雷

【摘 要】高层建筑转换层是建筑结构中的重要部位，也是建筑施工中的重点难点。其施工技术牵涉到力学、材料学、结构设计及管理学等多学科交叉应用，是一项复杂的系统工程。混凝土的浇筑方案、混凝土的后期养护、混凝土的温控技术，是高层建筑转换层施工中的关键技术。

【关键词】转换层；混凝土裂缝控制

1.高层建筑转换层结构形式及分类

转换层按柱网的布置形式可分为以下两种：底部结构形式为大空间的转换层。底部数层结构形式设置为大空间在高大建筑中是最常见的情况，这是可有两种基本做法：①转换层结构跨越底层建筑平面的两端，把荷载传到底层结构的几个支撑点上，这一做法称为桥式结构。②转换层中部支撑在一个强劲的筒体上，四周向外悬挑，由此创造底部数层的大空间（层），使之成为一个大商场、停车场、展览厅或者城市广场的一部分。

外部形成大柱网的转换层。一般来说，对于筒中筒结构的建筑而言，其內筒结构布置从上到下不需作什么变化，需要进行结构布置转换的主要是外筒。外框筒为了布置大的入口，常常要求在下部楼层布置水平转换构件以在建筑底部扩大柱距、形成大的开间。此时，转换构件沿外框筒平面周边的柱列或角筒布置。外筒的转换主要通过转换梁（或墙梁）、转换析架、转换空腹析架、多梁转换、合柱以及转换拱等转换结构形式进行。

按结构功能，转换层可分为三类：①上层和下层结构类型转换。多用于剪力墙结构和框架一剪力墙结构，它将上部剪力墙转换为下部的框架，以创造一个较大的内部自由空间。②上、下层的柱网、轴线改变。转换层上、下的结构形式没有改变，但是通过转换层使下层柱的柱距扩大，形成大柱网，并常用于外框筒的下层形成较大的入口。③同时转换结构形式和结构轴线布置。即上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时，柱网轴线与上部楼层的轴线错开，形成上下结构不对齐的布置。

2.转换层的功能

从结构功能的角度看，转换层所实现的结构转换可以归纳为以下三类：结构形式的转换。这种功能被广泛应用于框一剪结构和剪力墙结构，结构转换层将上部剪力墙转换为下部框架，给下部楼层创造了一个较大的内部空间；柱网轴线的转换。转换层的上下部结构形式没有改变，但通过结构转换层，使下层形成大柱网，以满足外框筒的下层形成较大的出口和较大空间的需要。结构形式和轴线布置同时转换。上部楼层剪力墙通过结构转换层改变为框架，同时，上下部楼层柱网的轴线错开，形成上下部结构不对齐的布置。

3.建筑物混凝土结构转换层产生裂缝的原因

混凝土的温度应力与温度裂缝。钢筋混凝土结构随着温度变化会产生热涨冷缩变形，这种变形称为温度变形，当此变形受到约束时，在混凝土内部即会产生应力，称温度应力，当此应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土即会出现裂缝，即温差裂缝。温度应力的大小与结构形式、气候条件、施工过程、材料特性及运行条件等多种因素有密切关系。

混凝土的收缩。普通混凝土在空气中结硬时，体积会逐渐减小，成为混凝土的收缩，它包括化学收缩、干燥收缩和碳化收缩。化学收缩，也称凝缩、自生收缩，是由于水泥水化失水引起的，化学收缩量相对于干燥收缩量极小。混凝土的干燥收缩指置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小变形。一般来说干燥收缩占总收缩量比例较大，对早期混凝土而言更是如此，因此，干燥收缩危害较大；徐变引起的高层建筑转换层构件裂缝。新的压应力并不大，但在口后温度逐渐降低时，混凝土表面散热较快，温度较低，使界面内外产生非线性的温度差，表面的温度收缩变形收到内约束。此时混凝土弹性模量比较大，徐变较小，单位温差产生的应力就比较大，在混凝土表面出现较大拉应力，常引起裂缝。

4.高层建筑转换层混凝土结构裂缝的控制措施

4.1对转换层混凝土结构组成材料及混凝土配比、配制的裂缝控制措施

4.1.1转换层混凝土结构组成材料的裂缝控制措施

拌合水：在混凝土组成材料中，拌合水从单位重量上来讲，对混凝土温度的影响最大。因为水的比热容是水泥或骨料比热容的5倍。

水泥：虽然水泥只占混凝土拌合物重量的10%～15%，但经计算，水泥温度每高10℃，混凝土温度要升高1℃多。除选用水化热较低的水泥外，在混凝土搅拌时也可掺用沸石粉代替部分水泥，降低水泥用量，使水化热相应降低。

骨料：在混凝土各组成材料中，骨料占75%左右，因此，骨料的温度对混凝土温度影响也很大。经计算，骨料升高2℃，混凝土温度便可升高1.3℃，所以骨料应堆放在有篷盖的堆场，尽可能保持较低的温度和较稳定的含水量。

外加剂：化学外加剂在混凝土中所占的比例很小，因此它本身的温度对混凝土温度的影响不大，但外加剂有减少拌合水和水泥用量的功能，可以调节拌合水和水泥对混凝土温度的影响及推迟混凝土温升峰值的时间。而矿物外加剂能改善混凝土的和易性和可泵性，也能减小水灰比，或者替代部分水泥用量，从而起到了降低混凝土温度的间接作用。

4.1.2高层建筑转换层混凝土配合比及配置的裂缝控制措施

为防治裂缝的出现，高层建筑转换层所用高强混凝土的配置应注意以下一些问题：高强混凝土的配合比应通过试配确定。试配除应满足强度、耐久性和易性和凝结时间等需要外，尚应考虑到拌制、运输过程和气温环境情况，以及施工条件的差异和变化。按照《混凝土结构工程施工及验收规范》的规定，混凝土的实际强度对设计强度的保证率应达到95%。因此，试配的强度应大于设计要求的强度。当无可靠的历史统计数据时，根据经验试配强度可按所需设计强度等级乘以1.15系数。

高强混凝土的水灰比，为降低混凝土的水化热，一般不大于0.35，并随强度等级提高而降低。拌合料的和易性宜通过掺加高效减水剂和混合材料进行调整。在满足和易性的前提下，尽量减少用水量，以降低水化热，防止结构裂缝的生成。

高强混凝土中的砂率，根据大量实验证明，当砂率为0.33时，混凝土强度一般要比砂率为0.4和0.5时高一些。因此，宜控制在0.28～0.34范围为宜，对泵送混凝土可为0.35～0.37。

高强混凝土原材料称量允许偏差，不应超过以下数值：

水泥：±2%；混合料：±1%；粗细骨料：±3%；水及外加剂：±1%

配制高强混凝土，应准确控制用水量，并应仔细测定砂、石中的含水量，用水量中扣除。配料时宜采用自动称量装置，通过砂子含水量自动检测仪器调整搅拌用水。拌制高强混凝土应使用强制式搅拌机。搅拌时投料顺序按常规做法，先倒砂子，在倒水泥，然后倒入石子，外加剂的投放方法应通过试验确定。高强混凝土的配合比，应考虑到实际施工时的坍落度损失，事先规定拌料在出料时以及运输到施工现场浇筑时的坍落度。因此，必须有严格的质量控制和质量保证制度。

4.2转换层混凝土结构浇筑方案裂缝控制措施

预冷却拌合水。大体积混凝土的浇注温度越高，水泥水化越快。一般浇注温度每提高10℃，混凝土内部温度约增加3～5℃。预冷却混凝土最容易的办法是采用冷却拌合水但由于水在混凝土中所占热容量的百分比不大。因此还可采用冰来预冷拌合水，再用冰水拌合，或者在混凝土搅拌时掺冰屑，但注意冰在搅拌过程中要完全融化。预埋水管道通冷却水。在混凝土内部预埋水管，通冷却水可降低混凝土内部温度。这种方法因具有实用性和灵活性，以及能够控制整个结构内部温度，所以在国内外得到广泛应用。通冷却水一般是在混凝土刚浇筑完，甚至是正在浇筑时就开始进行，以减少初期由于水泥水化热所形成的最高温度。严格保温。大体积混凝土产生温度裂缝的一个重要原因是混凝土中产生了温度梯度，当表面混凝土接近冷却时，表面和内部的温差就会产生温度梯度，从而产生超过混凝土抗拉强度的拉应力，使混凝土开裂。为了使大体积混凝土的内外温差降低，可采用混凝土表面保温的方法，使混凝土内外温差降低。采用分层施工，每层厚300～500mm，连续浇筑，并在前一层混凝土初凝前，将后一层混凝土浇筑完毕。采用叠合梁原理，将转换层结构按叠合构件施工，可缓解大体积混凝土水化热高、温度应力过大对控制裂缝的不利影响。