超长结构设计若干问题的讨论

2013-09-06唐炳玉

科学时代·上半月 2013年8期

唐炳玉

【摘要】本文对混凝土不同令期的裂缝产生形成，对超长混凝土结构采用后浇带技术，补偿收缩混凝土应用及温度作用效应结构验算等问题进行讨论，对超长砌体结构的可能性及对策进行探讨，并对《混凝土结构设计规范》中关于外露挑檐、雨罩等构件12 米设伸缩缝的规定的依据和必要性提出质疑。

【关键词】混凝土裂缝；后浇带；补赏收缩混凝土；温度作用效应验算

0.前言

对不同地区、不同使用环境条件、不同形式的各种建筑结构的温度伸缩缝限值原则上应通过计算确定。但因为这个问题的复杂性，目前尚无成熟、可靠而且能反映客观实际情况的实用、简捷的计算理论和计算方法可供直接采用。基本上是以规范规定作为设计依据。试比较从建国初期开始到目前为止，各时期各阶段我国曾经采用过和目前正使用的各专业技术规范中对各类型建筑结构伸缩缝间距限值的规定数值并没有大的变化。这说明了对这个问题的研究、实践和经验的积累是成熟可靠的。一般情况下按规范规定进行设计就能保证结构的安全和正常使用。

但在结构设计过程中，往往会面临由于建筑单元体体量很大，或是建筑功能的特殊化需要，结构无法按规范要求设置伸缩缝，而造成结构物的超长。正是这种客观的需要，促成了近二、三十来超长结构设计施工技术的不断创新和发展。如后浇带技术、补偿收缩混凝土技术的研究应用，以及对超长混凝土结构进行温度作用效应的计算等一批技术成果得到广泛的推广应用并日臻成熟，这些技术成果在相关规范中被采纳和肯定。不但很好地解决了超长结构设计的技术应用问题，而且具有比较好的综合经济技术指标。

据许多资料介绍（1）（ 2 ），全国各地的许多混凝土结构的大型、超大型公共建筑，有的长达百米或数百米。因为采用了这些技术免去了永久性伸缩缝，极大地满足了建筑功能的使用要求。

1.混凝土裂缝发生发展过程的简单描述

1.1混凝土是一种人工材料，在其强度增长的同时，其体积会不断缩小，即所谓的收缩。与其他大多数材料一样，当环境温度变化时也会发生热胀冷缩。当环境温度降低时的冷缩值和自身收缩值两者相互叠加，其幅度达到或超过一定的限值，即该时混凝土的允许极限收缩率时，混凝土中的拉应力将达到或超过其允许的抗拉强度，混凝土就会产生裂缝。当裂缝超过一定的限值，就会降低结构寿命，甚至造成严重的安全问题。因此超长结构设计要介决的主要问题是如何有效和可靠地预防和控制混凝土裂缝。而所采取的一切措施和对策，其基本目的和出发点就是尽量防止裂缝发生，或控制裂缝的严重程度，以达到保证结构能正常安全使用的目的。

当环境温度升高或降低，都会使结构中的水平构件（梁板）发生伸长或缩短，导致结构中的柱、墙和梁等构件产生附加内力。当温差过大，有可能使梁、柱等构件的配筋增加，或导致裂缝发生。因此在超长结构中必须对温度变化的作用效应进行验算控制。

1.2混凝土裂缝发生发展的四个阶段

初始阶段。自混凝土注模到初凝，约有12小时左右。这时的混凝土只不过是由粗细骨料、胶结料颗粒和水组成的固、液、气（少量空气）多相混合体。笔者把这时的混凝土定义为初始阶段是因为在这个阶段中，若施工控制措施不完善有可能造成构件的大量裂缝。笔者曾多次遇到不少混凝土或砌体结构的楼（屋）面板中存在有相当多的裂缝的情况，我们称之为龟裂。究其原因之一是在混凝土浇注后，初凝过程中开始水化，其内部温度升高，随着气体的排出和自由水的大量蒸发，使其体积急剧收缩，导致裂缝发生。这种现象尤其在厚度小、面体比大的楼（屋）面板中特别明显。要防止或减少这种裂缝，主要靠施工操作方法的改进。如降低水灰比、初凝前后用铁滚子碾压、木抹子反复抹压、用草薕或塑料布覆盖等。必要时可在楼（屋）面板中配置板面抗裂钢筋。

前期阶段。时间约有30天左右。水化作用的持续进行，内部温度迅速升高，2天左右可达最高，然后缓慢降温，10—30天内可降至常温。这期间混凝土强度迅速增长，设计令期28天的混凝土约14天左右即可达到设计强度的80%，28天达到100%。与此同时，混凝土的体积持续收缩。收缩由两部分组成：一是水与胶结料发生化学作用体积缩小，称为凝缩；二是自由水大量蒸发体积缩小，称为干缩。

在前期阶段中，将有约20—25%的总收缩量可以完成。

主要因为干缩引发裂缝产生。是混凝土裂缝发生发展的主要阶段。

中期阶段。其时间跨度约3—6个月。混凝土的强度已基本收敛稳定，其收缩将继续，但速度减慢并趋于平缓。在这期间内混凝土总收缩量的60%—80%将会完成。除因混凝土的持续干缩外，再加上环境温度变化的共同作用导致裂缝继续发生。是混凝土裂缝发生发展的重要阶段。

后期阶段。时间跨度为一年左右，混凝土的收缩和强度增长已稳定，其总收缩量的95%可以完成。该期间内仍可能会有少量裂缝发生。

进入初、中期后，混凝土具有了相应龄期的强度。但这种固体并不是完全的弹性材料，在应力很小时应变接近正比关系，随着应力/强度比的提高应变会脱离线性关系，表现出明显的弹塑性特征。在内力长期作用下混凝土会产生很大的徐变。这种徐变使温度效应的实际作用强度比按弹性计算的结果大大降低。因此在混凝土结构温度作用效应分析计算时引进徐变系数λ。一般取λ=0·3。

2.超长混凝土地下结构采用施工后浇带技术的理论与实践

施工后浇带技术在超长结构中得到了广泛的应用，尤其在大型地下结构工程中更为有效。这是近20—30年来建筑技术的重要发展成果之一。近年来，在双向超长、特长的地下筏板施工中采用的跳仓法施工是后浇带技术的进一步发展（2）。

我们实际中采用的后浇带针对要解决问题的不同目的可以分为三种：第一种是以调节沉降差为主的后浇带，如在高层主体和与之相连的裙房之间设置的后浇带；第二种是调节沉降和控制裂缝兼而有之的后浇带，如大底盘多塔结构在高层与多层之间设置的后浇带；以上两种不属于本文要讨论的范畴。第三种是以控制裂缝为主的后浇带，如超长结构的后浇带，有的文献命名为施工后浇带，这是本文要重点讨论的问题，本文中后面提到的后浇带均指这种施工后浇带。

超长地下结构中采用施工后浇带技术，首先把一个超长的地下结构通过后浇带化整为零、化长为短后，使每段中的混凝土自身收缩量大大减小，第二利用地下结构的特点，有效地控制环境温度的变化，使混凝土收缩值与最大降温时的冷缩值在时间上互相错开，避免极值相互叠加。从而能收到有效地控制或减轻裂缝的目的。

地下结构工程的施工，具有与地上结构不尽相同的特点：

其一，地下结构的工程量大，往往在整个工程中占有很大的比重，其施工周期相对较短。一般可在数月或半年内完成。因此，混凝土自身的收缩集中在早、中期，环境温度影响的时间跨度较短，变化幅度相对较小，有利于进行控制；

其二，地下结构一般都可以不间断连续施工。即使施工周期较长甚至需要跨年，也可以在严寒低温条件下，以比较低的成本采取保温措施进行冬季施工，有效地避免了环境温度剧烈变化的影响；

其三，地下结构施工完成后，可迅速进行回填，使结构处于接近恒温状态下工作，大大降低了环境温度变化幅度的影响。。

3.超长混凝土结构的设计对策

与地下结构不同，地上结构往往施工周期长，跨年施工是正常的。无法避免施工期内环境温度大幅度变化地影响，特别是在北方寒冷、严寒地区，综合温差非常大，混凝土的冷缩成为最主要的影响因素。综合目前的研究实践成果，对超长混凝土结构设计成功和有效措施是：后浇带技术应用；补偿收缩混凝土的应用；温度作用效应的验算。

3.1施工后浇带的应用。其理论和实践应用如上所述。通过在超长结构中设置施工后浇带并合理选定后浇带的合拢时间，能够把混凝土自身收缩影响的相当部分予以消除。

后浇带应用中应对三个问题提出明确的要求：

（1）按每隔30-40 m合理设置后浇带位置；

（2）合拢后浇带应采用膨胀混凝土，其膨胀率控制在0.05%-0.1%，混凝土标号应提高一级；

（3）合拢的时间：一般最少应有2个月的间隔，并按实际可能以综合温差最小的原则确定合拢时间点。

应注意的问题是采用后浇技术只能在一定程度上缓解和弱化裂缝生成条件，不可能完全解决裂缝问题。是在一般性结构工程中广泛采用的技术方案，有时辅以增强楼板中纵向钢筋等其他措施。

3.2偿补收缩混凝土的应用和控制收缩率的计算

3.2.1偿补收缩混凝土的应用：采用补偿收缩混凝土的用意是在混凝土中掺加一定比例的膨胀剂，使混凝土在水化过程中发生收缩的同时产生膨胀，该膨胀量能够部分或完全抵消混凝土自身收缩和环境温度降低造成的冷缩，从而达到使混凝土的实际总收缩率不超过允许极限收缩率，达到控制和消除裂缝发生的目的。而实现这一目标的方法和手段就是比较合理地确定补偿收缩混凝土的控制膨胀率的问题。以下将重点讨论按混凝土的允许极限抗拉强度来计算补偿收缩混凝土的控制膨胀率问题。

3.2.2补偿收缩混凝土的控制膨胀率的计算：假定在某一时间点上，混凝土已具有一定的抗拉强度?、弹性模量Ec 和对应的允许极限收缩率Sk。在弹性条件下Sk=?/Ec-------------------（3-1）

假定此时混凝土产生的总收缩率为S，总收缩率S中包含两部分组成：一是混凝土自身收缩率Sc，二是环境温度降低引起的冷缩收缩率St，即S=Sc+St--------------（3—2）

很显然，当S

当S>Sk时，混凝土中的拉应力已超过了混凝土的允许抗拉强度，混凝土将会开裂。

事实上在超长混凝土结构中，如果不采取有效措施，发生S>Sk的情况是普遍存在的，混凝土发生开裂也是很正常的。

补偿收缩混凝土的控制膨胀率可以通过膨胀剂加入量的多少来实现。

任何一个工程结构都不是可以自由伸缩的，水平构件和竖向抗侧移构件连为整体，在伸缩过程中会受到反向的约束作用，这种约束作用的大小决定于抗侧移刚度的强弱，水平构件中的钢筋也会对伸缩产生阻抗作用，另外混凝土材料的不均匀性和温度作用的动态变化不确定性等原因混凝土控制膨胀率的计算结果相对粗糙，过高的精确度是很难达到的。当然，应根据工程的实际情况，切合实际的确定初始温度和全过程可能遭遇到的极端最低温度，从而合理地计算环境温度降差是十分重要的。

补偿收缩混凝土技术可在各种规模的超长结构工程中应用，在大型超长结构中是根本性的技术解决方案。

3.2.3补偿收缩混凝土使用的区域：一个结构工程在受到环境温度变化影响时，其温度作用效应产生的附加内力在不同点上的分布是不均匀的。一般来说，对竖向抗侧移刚度分布均匀的结构，靠近刚度中心附近的中性区域内附加内力较小，两端最大。因此当采用补偿收缩混凝土技术时可在两端适当范围内使用，中性区域内仍可使用普通混凝土。

3.3温度作用效应的结构验算

一个工程从开始施工到投入使用大都都要经过环境温度升高、降低到基本稳定的反复动态的作用过程，因此温度的升高和降低两种工况对结构的影响都要考虑。对寒冷、严寒地区，温度降低往往起决定作用。严重超长的结构仅仅采用后浇带是不够的，必须进行温度作用效应的计算和判断，这是必须和必要的设计程序。PKPM软件提供了温度作用效应便捷快速的计算手段。

一般的混凝土结构，在正常使用条件下，应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，由永久荷载，各种可变载荷，地震作用等共同作用的最不利组合控制。

处于正常使用条件下的建筑结构，其环境温度变化幅度不大，故不考虑其作用效应。但环境温度变化是客观存在的事实，而温度变化幅度很大而引起的对结构的影响更是不能忽视的。应按两种不同情况分别对待；

（1）对某些有特别使用功能要求如低温冷藏库类的建筑，在正常使用过程中长期处于低温状态，环境温度降差很大，此时应当把温度荷载作为主要的可变荷载之一进行组合，进行温度作用效应的分析计算；

（2）对处于漫长施工过程中的超长建筑结构，有可能要承受环境温度巨大变化的影响。笔者认为，在进行施工过程温度作用效应验算时，可以且无需考虑地震作用影响。此时按承载能力极限状态设计时，是由永久荷载，风荷载，温度作用和可能发生的某些使用荷载共同作用的基本组合控制。其中各项永久荷载中考虑到施工过程中，除了结构承重构件自重外，其余各项加于承重构件上的其它永久荷载（如楼面上的建筑构造层自重等）可能尚未全部完成，故可以乘以小于1.0的系数。

温度荷载的荷载分项系数为1.4。

对混凝土结构采用的徐变应力松弛系数取λ=0.3。

其它各类可变荷载中，楼面使用活荷载可不考虑，由施工荷载代替，施工荷载作为可变荷载的一种可按1.0 kN/㎡采用。

风荷载可按低于设计基准期的标准采用。

通过温度作用效应计算，对比承载力极限状态基本组合的内力及配筋，以判断温差作用效应的大小强度，并作出构件配筋是否调整修改的决定。

4.超长砌体结构可能性的讨论

现行《砌体结构设计规范》规定了不同环境条件下各种砌体结构允许伸缩缝限值。最常遇到的是有保温措施的现浇楼、屋盖砌体结构，其伸缩缝限值为50米。

和混凝土结构不同，砌体结构的楼、屋盖采用钢筋混凝土，而竖向则采用砌体作为水平和垂直荷载的承力构件。砌体材料与混凝土有着很大的差异，它是各向异性的脆性材料，有相对较高的抗压强度，抗拉和抗剪强度很低，砌体的线膨胀系数是混凝土的50%左右，这些因素造成了砌体墙身很容易产生裂缝，过去墙身裂缝是砌体结构的通病和常见病。即使按规范设置了伸缩缝，也不一定能完全避免。从2002版《砌规》开始，补充增加了多条防裂、抗裂的措施。

砌体结构设计中，墙体是比楼、屋盖更为重要的关键构件。设计人员对《砌规》的规定在执行中都非常谨慎，一般都会千方百计去满足规范要求，不会轻易触动或突破规定的底线。因此，砌体结构中不存在超长的问题。

在某些特殊情况下，砌体结构中是否可适当突破规范规定的限值？笔者曾遇到一幢带地下室的多层砖混住宅楼工程，其全长为58m，如果设伸缩缝，位置不理想，而且超红线，如果为了不超红线，就必须改变户型，压缩面积。经全面考虑，既不超红线又能为用户提供优良的户型，这样就不能设伸缩缝而变为超长结构。笔者认为当面临这种挑战时，既要有科学、严谨的态度，亦要有敢于创新、勇于突破的精神。经过分析判断，此结构属超长但不属于超限的结构。结构设计要解决的主要问题是在满足基本承载力和抗震要求的前提下，有效地防止裂缝。

在本工程中，除规范规定的防、抗裂措施外，主要还采取了以下几项补充措施：

⑴在屋盖处，设加强型圈梁，其断面可不加大，其配筋增强；

⑵在首层窗下和顶层窗上标高处，沿外墙设置封闭的现浇混凝土带，厚度60㎜，内配3 ∮ 6纵筋的钢筋网；

⑶构造柱与墙体的拉结钢筋网沿外墙和内纵墙全部拉通；

（4）每隔30米左右设一道后浇带，砖混结构中的后浇带与混凝土结构中的后浇带没有本质的区别，可根据情况采用直线或折线形状，后浇带穿过墙体处增加一个特设的后浇构造柱。在设计文件中强调后浇带的合拢时间以使环境温变的影响最小为原则，并不得少于两个月。

本工程作为重点对象进行全过程地跟踪调研，从试设计中总结经验。到目前，该工程已完工使用，未发现问题。

笔者认为：砌体结构的超长工程作为特除情况下的个例，是可以采用的，但不能大规模的盲目推广；而且由于在水平力作用工况下的弱点，不能无限制的超长，应严格地控制在一定的比例之内，建议不超过10%--20%，即控制在55—60米范围之内。地震区的砌体结构应严格控制其长宽比≦6，而且不应是对抗震不利的结构体系。

5.对《混凝土结构设计规范》表8.1.1注4的质疑

现行《混规》表8.1.1注4中提出：“现浇挑檐、雨罩等外露结构的伸缩缝间距不宜大于12米”。此条规定是从2002版的《混规》开始新增加的内容。

在规范条文说明中阐明，增加该条要求的依据是“由于受到环境条件的影响较大，加严了伸缩缝间距的要求”。

现就本条规定的有关问题如：理论依据的充分性、规定的必要性、即使按规定设了伸缩缝就一定能保证防止裂缝发生？以及理解、执行等提出质疑。

5.1理论依据不够充分。从建国初期到2002年以前，无论是我们曾执行过的原苏联规范还是《TJ10-74》《GBJ10-89》中均无类似规定，这些规范过去延续执行了几十年，在各类不同的混凝土结构、砌体结构中均有大量的现浇挑檐、雨罩、和女儿墙等外露构件。据笔者所知，并没有因这类构件发生温度裂缝导致工程事故发生的案例。实践是检验真理的标准。实践证明这类结构在有限的长度范围内不设置伸缩缝是可行的。

5.2即使按此规定设置了伸缩缝就能防止裂缝发生？不一定！因为温度的作用是复杂的、动态的、长期的、反复多变的，再加上材料和配筋情况的不同，不能保证长期不发生裂缝。因此，此规定要防止裂缝发生的目的不一定能够达到。

5.3像雨罩、挑檐、女儿墙等露天构件的裂缝控制级别最高为三级，也就是说是允许有裂缝发生的，另外根据《混规》第3.4.5条的规定精神，这类构件的温度裂缝不应属于使用荷载作用引起的裂缝范畴，其裂缝宽度限值应可以允许适当放宽。因此无必要规定防止裂缝发生。

5.4像挑檐、雨罩、女儿墙等类构件一般厚度较小，与主体结构的连接比较薄弱，彼此之间相互影响的程度也比较弱，即使这类构件有裂缝发生也不会对主体造成严重危害。

5.5在执行该条规定中，设计人有多种不同的做法，有的留缝5㎜钢筋不断开，有的留缝20㎜，内填柔性材料，等等。增加了施工难度不说，还大大地破坏了结构的整体性。

5.6说到外露结构还有多种不同的类型，如外露的走廊，外露的站台等。要在此类构件中也按此规定设伸缩缝时，需采用单柱双梁、双柱双梁，或者将连续结构变为断开的悬挑结构等，增加了施工难度，破坏了结构的整体性，又降低了经济技术指标。

综上所述笔者认为《混规》第8.1.1条的注4的规定其定位不准确、目的不合实际，效果不一定能达到。建议予以修改。对各种不同的外露结构构件完全可以按本条正文的规定随主体设置伸缩缝。当某些情况需要时，设计人可采用后浇带及增强配筋等改善和加强防、抗裂措施。

6.结束语

对以上几个问题的讨论，其中1，2，3大都是前人和同行科技工作者的研究成果，4中以砌体结构的个例提出了个人看法，5中对现行《混规》第8.1.1注4的合理性和必要性提出质疑。其观点肯定会有不妥甚至错误，欢迎众人批评和指正。

参考文献：

[1] 陈鹏、李玉汕：《关于超长建筑的结构设计》，《现代结构工程技术最新应用与发展》，中国环境科学出版社2006年10月第一版.

[2] 李国胜：《多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造》中国建筑工业出版社2008年12月第一版.

[3] 混凝土结构设计规范.