超长混凝土结构裂缝成因与控制措施分析

赵芳

摘要：根据混凝土结构裂缝控制的理论依据以及工程实践，采取对应的设计及施工措施，可以有效的控制超长混凝土结构裂缝的开展。本文根据混凝土裂缝成因，结合作者参与的多个超长混凝土結构项目所采用的设计方法及结构措施，探讨超长混凝土结构的设计及裂缝控制。

关键词：超长混凝土;结构设计;裂缝控制;预应力;诱导沟;伸缩缝;

1 超长混凝土结构裂缝成因

超长混凝土结构具体结构长度大，混凝土强度高、荷载差异性大、应力分布复杂，容易受地基变形、温度作用、外部荷载等影响产生各类裂缝。超长混凝土结构产生的裂缝包括微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝宽度小，分布无规律且不贯通，由混凝土材料特性决定，对混凝土结构强度及耐久性影响小;宏观裂缝宽度较大，一般大于0.05mm，由外力荷载、次应力、基础变形、温差变化等原因产生。

1.1 混凝土收缩引起的裂缝

混凝土的收缩裂缝产生于混凝土硬化干缩阶段，混凝土的收缩变形受制于各类构件及钢筋约束，混凝土因收缩受制于约束而产生拉应力或拉应变，当此拉应力大于混凝土的抗拉强度，或拉应变超过混凝土的极限拉应变时，混凝土结构将开裂以释放部分约束。混凝土收缩裂缝属于混凝土混合材料的固有特性，其影响的因素较多，包括水泥品种及混凝土配合比、混凝土施工质量，养护环境及方法、混凝土添加剂以及结构长度等。

1.2 混凝土构件受荷裂缝

混凝土构件在承受外力荷载以及次应力作用时，产生一定的变形，当拉应变大于混凝土的极限拉应变时，混凝土表面产生一定的受荷裂缝。根据工程经验，裂缝宽度控制在一定范围（0.1～0.3mm），混凝土构件的承载力及耐久性可以满足使用需求。混凝土构件受荷裂缝的影响因素包括以下方面：构件受力特征及配筋率、荷载类型、钢筋类型及应力、钢筋直径及保护层厚度等。

1.3 温度作用产生的裂缝

混凝土构件受降温影响时，会导致混凝土构件温度下降而产生收缩，当混凝土构件收到其他构件及钢筋约束变形时，混凝土便产生温度作用拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时，产生温度裂缝。温度裂缝的产生与以下因素相关：混凝土结构长度、体积以及约束情况，混凝土强度，构件配筋情况，温度作用类型。

2 裂缝控制原则

超长混凝土结构裂缝控制主要采用“抗放结合、以抗为主、兼顾材料改良”的裂缝控制原则。“放”主要是指释放或减少混凝土结构的约束，减少因混凝土收缩在结构中产生的拉应力，例如设置伸缩缝、后浇带、滑动支座，采用跳仓法、膨胀加强带的做法。“抗”主要指加强结构刚度、强度以及施加预应力等措施，减小混凝土构件的拉应力，以控制裂缝宽度。“材料改良”指的是通过改良混凝土的材料及配合比，掺加相应的添加剂，减少混凝土在硬化阶段的收缩产生的裂缝并产生适当的压应力以减小降温产生的温度压应力。工程实践中，往往采用多种结构设计及施工措施相结合，抑制超长混凝土结构因各种因素产生的裂缝。

3 超长混凝土结构裂缝控制与工程实践

3.1 设置伸缩缝、双柱变形缝、诱导沟

通过设置伸缩缝、双柱变形缝、诱导沟释放和减少混凝土构件的约束，是裂缝控制最简单有效的方法，但需与建筑及设备专业协商，确定最优的设置方案。例如广州某机场航站楼项目，首层楼面采用无缝设计，平面尺寸达到550m×320m，结构设计在改良混凝土配合比及掺加相应添加剂的前提下，每80m设置一道贯穿地下室的诱导沟，诱导沟中间设置一道施工后浇带，诱导沟之间采用预应力控制温度应力，保证混凝土楼板不产生温度裂缝，即使产生裂缝也集中于楼板薄弱区域（即诱导沟位置），降低后期检修维护的难度。

当建筑功能需求不能设置诱导沟及双柱变形缝时，且难于采用其他结果措施控制裂缝时，可以尝试设置窄缝来减少混凝土结构长度。

3.2 设置后浇带、膨胀加强带及加强施工养护措施

采用设置后浇带、膨胀加强带以及加强养护等施工措施，减少混凝土在水化硬化阶段的收缩，可以控制收缩裂缝的开展。后浇带可减少混凝土施工阶段的浇筑长度，通过分阶段浇筑混凝土，分段硬化，减少混凝土硬化阶段的收缩裂缝。根据规范要求，混凝土结构长度超出伸缩缝最大间距时，需要每30～40m设置施工后浇带。考虑到经济效益，大部分的超长混凝土结构采用设置施工后浇带来解决施工阶段的的收缩变形。

需要注意的是后浇带不能减少使用阶段温度作用产生的收缩裂缝，在不能控制后浇带的施工质量时，后浇带新旧混凝土交界面可能成为开裂渗水的隐患。故后浇带需要采用高一强度等级的微膨胀混凝土进行封闭，适当加强后浇带钢筋设置，封闭前需要凿毛旧混凝土浮浆并清理干净，浇筑时温度宜低于主体混凝土的浇筑温度，以减少后浇带封闭后的温度变化，从而降低后浇带处温度应力，减少裂缝。

采用膨胀加强带是通过在结构预设的后浇带部位浇筑补偿收缩混凝土，减少或取消后浇带和伸缩缝、延长构件连续浇筑的长度的一种技术措施，对于工期控制产生有利影响。

3.3 改良混凝土材料及配合比、参加混凝土添加剂

通过采用科学改良混凝土材料及配合比、掺加混凝土添加剂，减小施工阶段的收缩拉应力，甚至产生膨胀压应力。众所周知，混凝土抗压强度远远大于抗拉强度，压应力的产生有利于抑制混凝土裂缝的开展。超长结构混凝土材料，通过控制混凝土的水泥品种、坍落度、水灰比、砂率，掺加粉煤灰、矿渣粉等材料，可以显著减少混凝土施工阶段的收缩及裂缝开展。

采用补偿收缩混凝土技术，即在普通混凝土中添加一定比例的微膨胀剂，以钙矾石（或氢氧化钙）作为膨胀源，混凝土在水化过程中产生适量膨胀，在钢筋和邻位限制下，在钢筋混凝土中建立起一定的拉应力（0.2～1.0MPa，相应的限值膨胀率约为0.015～0.060%），这一自应力能大致抵消混凝土在收缩时产生的拉应力，从而防止或减少混凝土构件的裂缝产生，试验研究和工程实践表明，补偿收缩混凝土对施工不当产生的微小裂缝（即使是渗水裂缝）具有一定的自愈合能力。

3.4 施加预应力

施加预应力可根据工程特点，可选择双向布置或单向布置预应力筋，可考虑不同结构部位的特点选择是否施工预应力。例如某机场项目，在狭长的指廊结构中，仅沿纵向长度设置预应力，在主楼部分，由于长宽长度均超长，两个方向均设置预应力。部分地下室超长侧壁为弧形侧壁，施加预应力会产生较大的次应力，反而对裂缝控制不利，故采用其他措施进行裂缝控制。

4 结语

混凝土开裂因素众多而复杂，超长混凝土结构裂缝控制对结构承载力及耐久性至关重要，目前我国对于超长结构裂缝控制尚未形成一致的设计方法，鉴于此种情况超长混凝土结构设计中，应根据混凝土开裂理论基础及工程经验，结合各种结构方案及施工措施，多重防护，控制超长混凝土结构的裂缝开展。

参考文献：

[1] 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）.中国建筑工业出版社，2010.

[2] 《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ/T 178-2009）.中国建筑工业出版社，2009.

[3] 王铁梦.工程结构裂缝控制.北京冲国建筑工业出版社，2007.