大跨钢梁组合桁架混凝土楼板的裂缝控制

李凤伟 杨明英 吕冰泽 李 响 石兴新

中建三局集团有限公司 北京 100097

1 工程概况

天津大学新校区图书馆工程位于新校区东西主轴线上，分为南北两区，中间通过两处跨度35.40 m的大跨钢梁组合桁架结构连成整体。每榀桁架由3层钢梁通过2根混凝土钢管斜撑柱和2根空心钢管斜撑柱组合形成整体，支撑在两端的钢管混凝土柱上，每层钢梁上均浇筑厚150 mm的混凝土楼板（图1）。结构下层楼板距室外地坪高10.80 m，楼板模架为高支模，对质量控制有不利影响[1,2]。

图1 大跨钢梁组合桁架示意

2 裂缝产生因素分析

2.1 大跨度钢梁的挠度变形

组合桁架跨度35.40 m，钢结构挠度变形大，混凝土楼板支撑在大跨钢梁上方，极易因钢梁的挠度变形产生形变裂缝。

2.2 组合桁架的受力特点

三层钢梁与钢管斜撑柱组合形成整体钢结构桁架，钢梁上部的混凝土楼板与钢结构桁架协同工作。根据组合桁架的受力分析，上层混凝土楼板两端受拉中部受压，下层楼板主要承受拉应力，混凝土楼板受拉，极易产生裂缝。

2.3 钢结构及混凝土楼板临时支撑拆除引起应力释放

混凝土楼板施工完成并达到设计强度后，在组合桁架临时钢支撑及混凝土楼板满堂支撑架拆除过程中，组合桁架存在较大的应力释放及形变过程，造成混凝土楼板开裂。

2.4 临时支撑及高支模影响

下层混凝土楼板模板支撑架的搭设高度为10.80 m，此高支模落在原状土和回填土上。组合桁架临时钢支撑落在原状土上。如果施工中对临时钢支撑和高支模架体的基础处理不当，容易引起组合桁架和楼板的不均匀沉降，造成楼板裂缝。

2.5 混凝土结构收缩变形及环境影响

混凝土楼板长35.40 m，东西两处宽度分别为26.65 m和18.55 m，板厚150 mm。混凝土结构超长，楼板板薄，无混凝土结构梁加强，混凝土自身收缩容易造成板面裂缝。此外，工程位于郊区，大风天气多。大跨结构遮挡物少，混凝土浇筑过程易因水分流失过快造成楼板开裂[3,4]。

3 施工技术措施

3.1 适当增加钢梁预起拱

本部位施工图纸中要求斜撑与水平钢梁交点位置及钢梁跨中位置设置1～3 cm的起拱高度。通过对该部位各施工工况进行电脑仿真模拟，起拱高度在原设计的基础上增加1.00～1.50 cm，减小混凝土楼板受拉情况，避免混凝土楼板下挠受拉产生裂缝。详见图2。

图2 钢桁架起拱示意

3.2 合理安排钢结构桁架施工顺序

1）优先施工组合桁架两端的钢筋混凝土结构以及桁架支座钢管柱混凝土，待两侧混凝土达到设计强度后，再进行大跨结构施工，减少大跨结构对两侧混凝土的影响；

2）在钢梁下设置临时钢支撑，减小钢梁与斜钢管组合形成整体桁架前两侧支座位置的受力和弯矩；

3）钢结构施工完毕后，先行浇筑斜向钢管柱内的混凝土，待其达到设计强度，3层钢梁与斜向钢管柱形成整体桁架;

4）在混凝土楼板施工前，拆除钢结构临时支撑，释放钢桁架应力应变和大跨挠度变形，确保在混凝土楼板施工前钢桁架结构变形基本完全；

5）混凝土楼板施工从下而上逐层施工，待混凝土达到设计强度后，从上而下逐层拆除混凝土楼板模板支撑架，分级释放应力应变，避免应力应变突变，减小混凝土裂缝。

3.3 临时钢支撑和模板支撑架体的布置及拆除

1）在水平钢梁和钢斜撑形成整体桁架前，为避免大跨钢梁对两侧结构产生较大拉力，造成混凝土结构开裂，在桁架梁的中间位置设置600 mm×200 mm×10 mm×15 mm的H型钢临时支撑。型钢临时支撑上部设置千斤顶，用以调节钢结构起拱高度，保证钢结构起拱高度满足设计要求。

2）混凝土楼板模板支设方案必须通过专家论证方可施工。设计采用满堂碗扣支撑架，立杆纵横间距1.20 m，步距1.50 m。为保证楼板混凝土强度增长顺利，在混凝土楼板施工过程中下层架体不拆除，以确保每层的结构自重和施工荷载均能够传递到地基持力层，直至顶层楼板强度达到要求。混凝土楼板支撑架拆除时自上而下逐步拆除，形成“自下而上施工，自上而下拆除”的施工顺序。“自下而上施工”保证施工进度；“自上而下拆除”分级释放应力应变，避免应力应变突变，减小混凝土裂缝。

3.4 优化混凝土原材料性能

3.4.1 优化混凝土材质

大跨钢梁组合桁架楼板混凝土选用质量稳定、抗裂性能好的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，同时严格控制混凝土的水胶比，保证最小水泥用量。该部位混凝土水泥强度等级选用42.5级，水胶比为0.47，水泥用量为300 kg/m2。满足规范要求的同时具有良好的和易性和可发展强度，并能够很好地抵抗裂缝的产生。

3.4.2 掺加膨胀剂

此部分楼板混凝土采用微膨胀混凝土，掺加UEA膨胀剂，掺量为10%，补偿混凝土的收缩，提高混凝土的抗裂性能，有效减少混凝土裂缝的产生[5]。

3.5 严格控制施工质量

针对大跨钢梁组合桁架混凝土楼板施工编制专项技术方案，在大跨结构中间位置设置宽4 m混凝土微膨胀带，抵消混凝土自收缩变形；混凝土浇筑前在大跨结构四周搭设防风架，张挂彩条布，减少大风天气对混凝土浇筑质量的影响；混凝土楼板收面后覆盖塑料薄膜，做好混凝土保水养护。在采取相应技术措施的基础上，严格落实三级交底制度，确保管理人员和施工工人掌握施工要点。制订奖罚制度，调动工人积极性，保证混凝土的浇筑质量[6]。

4 施工效果

通过合理安排施工工序、优化施工工艺和建筑材料，采取必要的施工技术措施和施工管理措施，逐项化解可能造成大跨钢梁组合桁架混凝土楼板开裂的影响因素，使可能出现的楼板裂缝得到了有力控制。

经现场计量，本工程大跨钢梁组合桁架混凝土楼板的裂缝数量平均为47 mm2/m2，裂缝宽度均小于0.20 mm，远小于天津市结构“海河杯”对一般混凝土楼板要求的100 mm2/m2，有力地保证了工程施工质量，为工程创优奠定了良好的基础。