超长混凝土结构的裂缝分析与控制.pdf

工程施工 东北水利水 电 2 0 1 3 年第 3期 文章编号 1 0 0 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 2 8 0 2 超长混凝土结构的裂缝分析与控制 刘睿 ( 辽宁省水利水 电勘测设计研究院 ， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6 ) 摘 要 随着水利事业迅速发展， 净水车间、 物资储备库、 地下交通等超长工程屡见不鲜， 随之 而来的是结构开裂 问题凸显了出来。本文分析 了超长混凝土结构裂缝产生的主要原因， 阐述 了当前混凝十裂缝控制 中存在的问题， 并结合温度作用分析 实例给出相应的处理方法。 关键词钢筋混凝土； 裂缝； 控制 中图分类号T V5 4 4 + 9 1 文献标识码 B 混凝土抗裂性能差 ， 出现裂缝的概率较大。混凝土开 裂会导致构筑物的耐久性降低 、 功能失效等问题， 严重时 还会影响结构的强度与使用性能。所以从设计到施工到养 护都要给予高度重视 ， 把裂缝控制在国家现行规范允许的 范围内。潮湿、 腐蚀侵蚀 、 水压力水位变化等等因素 ， 由于 环境类别较高， 对地下结构提出了更高的要求 ， G B 5 0 1 0 8 - 2 0 0 8 1 地下工程防水技术规范 和 GB 5 0 0 1 0 2 O L O ( 混凝土 结构设计规范 严格规定裂缝宽度不得大于 0 2 I T l r ll 。 1 超长混凝土结构 的裂缝成 因 许多混凝土结构出现不同形式的裂缝 ， 这是一个比较 普遍的现象。近代科学关于混凝土强度的研究及大量工程 实践所提供的经验表明， 结构物的裂缝是不可避免的。肉眼 可见的裂缝范围一般为 0 0 5 r n l Y l ，不小于 O 0 5 r n r n的裂缝 称为宏观裂缝 ， 宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。一般工业 与民用建筑中宽度小于 0 0 5 i n r n的裂缝对使用都无危险 性， 故假定具有小于 O o 5 mm裂缝的结构为无缝结构。 结构混凝土裂缝成因主要有以下几种 ： 1 ) 混凝内外温差 过大时会产生温度裂缝 ， 也是裂缝产生的主要因素之一。水 泥水化是个放热过程， 其水化热为 1 6 5 2 5 0 J g ， 随混凝土水 泥用量提高， 其绝热温升可达 5 O 8 0。混凝土在浇筑后 ， 由于体积大， 集聚在内部的水泥水化热不易散发 ， 混凝土内 部温度将显著升高 ， 这样在混凝土内部产生压应力 ， 在外表 面产生拉应力， 由于此时混凝土的强度低 ， 有可能产生表面 裂缝。在降温变化时， 混凝土浇筑后经过一段时间， 混凝土 从较高温度逐渐降温 ， 引起混凝土收缩 ， 同时由于混凝土中 多余水分蒸发、 碳化等引起的体积收缩变形 ， 受到地基和结 构边界条件的约束， 不能自由变形， 导致产生开裂。2 ) 由荷 载作用产生的裂缝。当荷载产生的混凝土拉应力其大于混 凝土的极限拉伸值时 ， 则引起结构开裂。这一类裂缝在设计 阶段均进行了核算和控制。3 ) 施工缝 ， 后浇带， 变形缝等设 2 8 置不合理 ， 甚至取消设置 ， 照成结构超长 ， 容易引起混凝土 开裂。4 ) 施工没严格按设计的配合比进行计量配料， 混凝土 振捣不到位 ， 养护时间不够等因素。 2 裂缝控制对策 2 1 设 计阶段 控制裂 缝 2 1 1 钢 筋 的配置 根据经验 ， 在温度应力较大处配置一定数量的温度构 造钢筋 ； 在应力复杂位置 ， 如突出的墙体 、 突变的墙段、 开 孔洞及埋套管的部位适 当增加一些构造钢筋 ， 作局部增强 处理。另外 ， 对受力钢筋进行优化 ， 遵循“ 小直径 、 小间距” 有利抗裂的原则 ， 在通过钢筋等强度代换后 ， 建议将水平 钢筋间距控制在 1 0 0 m m 左右 ， 一般不宜超过 1 5 0 r n m； 水 平钢筋常放在竖筋外侧有利于减少墙体竖向裂缝开裂。 2 1 2 水泥 的选择 宜选用中、 低水化热、 干缩性小的品种 ， 宜选用普通硅 酸盐非早强型水泥或矿渣硅酸盐水泥 ， 不宜用硅酸盐( 纯 硅 ) 水泥。在满足强度、 抗渗及和易性要求下 ， 减少单位体 积混凝土的水泥用量和用水量。混凝土中掺入高效减水 剂、 缓凝剂等外加剂和适量粉煤灰 ， 改善混凝土的流动性 、 保水性 ， 降低水化热。 2 2 施工阶段控制裂缝 2 2 1 混凝土备 料 配制混凝土时， 应严格控制水灰比和水泥用量。 控制混 凝土的入泵坍落度在 1 4 0 1 6 0 i n i n范围内 ， 大于 1 6 0玎 u n 坍落度的混凝土不得超过 1 0 ， 严禁现场加水。因为混凝土 坍落度过大 ， 稍加振捣即出现石子下沉 ， 浆体上浮 ， 容易产 生收缩裂缝， 同时由于在混凝土拌合物有多余水量 ， 混凝土 硬化后， 随着水分的蒸发比较容易出现干燥收缩裂缝。 2 2 2 混凝土 的浇筑温度 混凝土的浇筑温度， 是指混凝土从搅拌机出料后， 经过 2 0 1 3年第 3期 东北水利水 电 工程施工 路途运输、 泵送浇筑、 振捣等工序后的实际温度。如果浇筑 温度过高将会引起较大的干缩 ，因此应合理组织混凝土的 供应， 降低混凝土的浇筑温度。在浇筑时应尽量扩大浇筑工 作面 ， 降低浇筑速度和减小一次浇筑厚度 ， 且在初凝前进行 第二次振捣 ， 防止混凝土沉落。严格按施工规范保证养护时 间， 一般不小于 1 4 d 。在冬季施工时 ， 在混凝土浇筑前， 模板 外镶贴聚苯泡沫板，同时加挂一层阻燃保温被 ， 在两模板接 缝处再加挂一层保温被进行搭接 ；混凝土浇筑完毕后在墙 体顶部覆盖保温被 ； 3 0 h后拆除模板立即用温水在混凝土 表面喷雾 ， 然后加挂一层较厚的塑料薄膜 ， 塑料薄膜外根据 温度情况再加挂 1 2 层阻燃保温被，保温被彼此搭接不出 缝隙 ， 搭接处用钢筋绑扎连接， 进行保温、 保湿养护 1 4 d 。 2 2 3设置后浇带、 膨胀带 当超长混凝土结构设置伸缩缝困难时 ， 可以采用设置 后浇带的办法。 后浇缝又称为后浇带， 仅存在于施工期间， 间距一般控制在 3 0 4 0 m，后浇带应贯通顶板 、墙板和底 板 ， 宽度为 7 0 0 8 0 0 mm。它有效解决设立永久性伸缩缝带 来的弊端 ， 且对结构抗震和防水有利 ， 可释放部分基础不 均匀沉降引起的应力， 简化了建筑构造 ， 便于施工 ， 可节约 一 些建筑防水材料 ， 无伸缩缝结构的漏水处理也比设伸缩 缝漏水处理容易。当上部结构在地下室内柱网排列不均匀 或建筑平面不规则 ，致使部分区域无法设置后浇带时， 可 增设膨胀加强带。 膨胀加强带混凝土采用 C 4 0 的微膨胀混 凝土浇筑。 3 温度作用分析工程实例 长海县城区应急供水工程净水车间 ， 平面长 7 9 1 T I ， 宽 4 1 8 I T I ， 地上 2层 ， 建筑高度 1 1 3 5 m， 采用现浇钢筋混凝 土框架结构 ， 基础为柱下钢筋混凝土独立基础。二层东侧 1 2 1 3轴之间有个 2 3 5 m高的错层。为满足水工和工艺流 程需要 不能设置伸缩缝。结合该工程， 从结构布置、 温度 作用两个方面对超长混凝土结构的设计进行分析。 3 1 结构 布置 历年来对超长结构的研究均强调合理的结构布置的 重要性 。此工程利用车间内水工构筑物， 采用周边楼盖搭 接到池边的结构布置形式。沿跨度方向布置次梁， 并与池 边用 3 O一苯板聚硫密封胶填塞 ， 形成一端固定一端交接 的受力体系。楼板设计成单向板， 与次梁整浇 ， 这样受力方 向就降低了温度应力影响 ， 体现了结构“ 抗” 和“ 放” 的设计 原则。 3 2 温度作用 分析 目前 混凝土结构设计规范 对超长结构， 建议采取设 置伸缩缝的办法来控制温度变化的影响。对无法设缝的情 况并未给出具体的设计方法。此工程结合 公路钢筋混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范 的思路 ， 对框架结构进 行温度变化对结构内力的分析。 梁板式结构如施工期间采取必要的技术措施时， 可根 据 水工混凝土结构设计规范 只考虑使用期间的温度作 用。根据 长海县跨海引水工程初步设计报告 ， 长海县属 北温带湿润季风气候区 ，四季分明。全年无霜期 2 1 0 - 2 2 0 d ， 年平均气温 9 8 o C， 最高气温 3 3 4 ， 最低气温一 2 2 5 。多年平均相对湿度 6 9 ； 每年 7 月份相对湿度最大 ， 平 均达 9 1 ； 1 1 月至次年 3 月相对湿度在 6 0 左右。 首先 ， 结构构件使用期间所经历的季节温度变化可按 下式求得 ： = z 一 或 = 一7 其中 T p = = 3 3 4 o C， = 一 2 2 5 o C， T , = 3 3 4 - ( - 2 2 5 ) = 5 5 9 再将混凝土收缩等效成收缩当量温差 ， 与最大季节温 差相叠加， 作为最不利温差施加于结构。 对于此工程： = 8 C S ( t ， t s ) 。 其中 ： 混凝土线膨胀系数 ， 取 1 x l O s 。E C S ( t ， l s ) = s c s d B s ( t t S ) 。 混凝土收缩应变的计算： 6 c s o = E S m) B R H 6 S m) = 1 6 0 +1 c(9 一， c m f c mo ) x l O = 1 6 0 + 1 0 x 5 x ( 9 - 3 2 1 0 ) x l O 一3 - 4 5 x l O 口 R 日= 一1 5 5 1 一( R H R H o ) =1 5 5 x 1 一( 0 7 ) =一1 01 8 3 5 ( 一 t s ) = ( t t s ) t 1 3 5 0 ( ， ) + ( t 一 ) t l o s 混凝土收缩应变与时间的关系曲线如图 1 所示。 收缩当量的温差计算： 8 c 5 ( ， 3 ) = 4 5 x l O - + x I 0 1 8 3 5 x ( t 一 3 ) 3 5 0 x1 3 5 2 + ( f 一 3 ) 5 8 C S ( o o ， 3 ) = 4 5 8 2 5 ， T y = 4 5 8 2 5 x 1 0 一 1 O x 1 0 一 =4 5 8 e c s ( 6 0 ， 3 ) =1 3 1 2 ， = 1 3 1 2 xl O 1 O x l O 一 =1 3 I 其中： 6 C S 。 为名义收缩系数 ； 1 取 I d ； fi 。 = 1 5 0 m m； h为构 件理论厚度， h = 2 A u = O 0 2 A u = 1 3 5 ， 其中A为构件截面面 积 ， 11 , 为构件与大气接触的周边长度 ； c 依水泥种类而定 龄期 d 0 5 0 1 0 0 静( 一 1 5 0 0 倒 篓 一 2 0 0 2 5 0 3 0 o 一 3 5 o 2 5 0 ， 一 3 3 4 ) 图 1 混凝 土收缩应变 与时间 的关 系图 ( 下转第 6 1 页 ) 2 9 2 0 1 3 年第 3 期 东北水利水电 工程建设与管理 会导致高显得到的信号异常。在实际工作中发现磁位移器 得电异常的故障发生频率较高 ， 这与其安装在室外且运行 在水库潮湿环境有极大关系。磁位移传感器与高度显示器 之间通过 7 芯信号电缆联通 ， 接头为航空接头。 7 芯信号线 分别为电源线正、 电源线负、 地线、 速度信号线 、 位移信号 等。因为其处在室外， 环境影响对弱电电器元件影响较大 ， 特别是电源正极线， 本身在工作时有发热现象， 气温炎热 时 ， 容易造成线皮破损与其他线路发生短路。水汽大时航 空接头容易结露 ， 也易造成短路现象 ， 所以额外对航空接 头处进行防水处理十分必要。 2 ) 将异常高显仪表摘下安装到其他正常设备上， 如果 故障现象仍然出现。在电路其他参数都正常的情况下， 应 该是高度显示器本身损坏 ， 需要更换。 4 3 建议 1 ) 备份一套完好的磁位移传感器及其配套信号线。 2 ) 春秋季湿度较大时间段 ， 长期停机的情况下需要拆 卸传感器 ， 以便在干燥环境下保存 ， 达到维护及延长寿命 周期， 保护核心资产的目的。 3 ) 消除传感器回路过电压条件及环境。 5 液压启 闭机常见故障 闸门液压启闭机是自动控制系统的执行部分 ， 它将自 动系统的各种信号命令最终转化为闸门的实际运行动作。 5 1 故障现象 1 ) 系统油压不足 ， 流量偏小； 2 ) 油缸运行时有震动或爬行现象； 3 ) 启闭机动作失灵。 5 2 故障分析 及解决 1 ) 该现象故障原因分为以下几个可能 ： 油泵磨损 ， 需 要调节油泵流量或者更换油泵 ； 吸油管漏气， 仔细排查管 路 。 消除漏气 ； 油箱油位太低 ， 给油箱补充清洁液压油 ； 系 统压力阀调压失灵， 需对阀件进行清洗和更换。 2 ) 故障原因多为液压系统中有气体， 应该对油箱及支 臂缸体进行排气。同时清洗压力阀效果会更好。 3 ) 该现象故障原因分为以下几个可能 ： 电磁阀失灵， 进行清洗或更换 ； 开度测量仪位置不对或失灵 ， 校准位置 或更换； 回油滤油器堵塞， 清洗或更换滤油器 ； 油箱液位过 高或过低 ， 给油箱补油或排除多余油液 ； 压力继 电器失灵， 跟换压力继电器。 参 考文 献 1 刘延俊 液压元件及系统的原理、 使用与维修 M 北京： 化学工业出版社 ， 2 0 1 0 ， 9 2 马宝印 浅谈 P r o fi b u s 现场总线技术 J 科技传播 ， 2 0 1 1 ( 1 4 ) 【 收稿 日期】 2 0 1 2 -1 2 -1 2 ( 上接第 2 9页 ) 的系数， 对一般的硅酸盐类水泥或快硬水泥为 c = 5 m 为强度等级 C 2 0 C 5 0混凝土在 2 8 d龄期时的平均立方 体抗压强度 ， C 3 0 时 m =0 8 u ， k + 8 MP a = O 8 x 3 0 + 8 = 3 2 MP a ； f c m= l O MP a ； t s为收缩开始时的混凝土龄期 ，可假 定 为 3 7 d ； R H为环 境年平 均相对湿度 ，取 R H= 6 9 ； R H o = 1 0 0 ； 为与年平均相对湿度相关的系数， 适用于 4 0 RH9 0 。 对于此工程 ， 构件开始受荷时混凝土龄期 t o 取为 7 d ， 计 算 温 差 = + = 5 5 9+ 4 5 8= 1 0 1 7 。可 用 MI D AS等软件通过上述计算结果进行温度计算， 当结构整 体分析时直接输入降温温差 1 0 1 7 x 0 3 5 = 3 5 6。 3 3 结 论分析 1 ) 底层框架柱受到地基基础的约束较强 ， 收到到温度 作用产生的抗力也较大 ，其余层框架柱上下端位移差较 小， 温度作用的内力也较小。 可见， 温度作用产生的内力与 构件的约束刚度有关。 2 ) 框架梁温度内力最明显位置是 ， 纵向变形零点处的 框架梁 ， 该处承受温度作用下的最大轴向拉力。根据分析 结果， 施工时可在该处设置后浇带并加强养护。 3 ) 温度作用在框架的端部较为明显。 4 结语 裂缝控制属耐久性的重要方面， 以前往往被忽视， 其中 对裂缝的控制会影响到工程的后期使用 ，尤其在水利工程 建筑物中， 往往都是重要类别的建筑， 使用年限也较普通工 业与民用建筑高， 这就对裂缝控制提出了更高的要求。防治 大体积混凝土裂缝是一个综合的问题 ， 需要设计 、 施工、 监 理以及建设方共同配合 ， 才能达到控制裂缝的 目的。 参考 文 献 I G B 5 0 1 0 8 -2 0 0 8 ， 地下工程防水技术规范 s 2 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 S 3 D L T 5 0 5 7 -2 0 0 9 ， 水工混凝土结构设计规范 s 4 T T G D6 2 2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范 S 5 辽宁省水利水电勘测设计研究院 ， 中交天津港湾工程 设计院有限公司， 长海县跨海引水工程初步设计报告 R 【 收稿日 期】 2 0 1 2 - 1 2 - 3 0 61