浅谈高层混凝土结构中主要受力部位的裂缝分析及控制
宋 荣
摘要：本文就高层建筑结构的几个主要受力部位在混凝土施工中容易产生裂缝的原因进行分析，并从设计与施工两方面提出裂缝的控制措施。
关键词：混凝土；裂缝；裂缝控制
混凝土工程中材料的特性决定了结构较易产生裂缝，从实践中来看施工中混凝土出现裂缝的概率也是很大的，相当一部分裂缝对建筑物的受力及正常使用无太大的危害，但裂缝的存在会影响到建筑物的整体性、耐久性，会对钢筋产生腐蚀，是受力使用期应力集中的隐患，应当尽量在各方面给予重视，以避免裂缝的出现或把裂缝控制在许可的范围之内。
1 高层建筑施工中几个特殊部位的裂缝分析
1.1 大体积基础混凝土板
高层建筑中随着高度的不断增加，地下室愈做愈深，底板也愈来愈厚，厚度在3m以上的底板已屡见不鲜。高层建筑中基础底板为主要的受力结构，整体要求高，一般一次性整体浇筑。国内外大量实践证明，各种大体积混凝土裂缝主要是温度变化引起。大体积混凝土浇筑后在升温阶段由于体积大，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。在降温阶段新浇混凝土收缩因存在较强的地基或基础的约束而不能自由收缩。升温阶段快，混凝土弹性模量低，徐变的影响大，所以降温时产生的拉应力大于升温时产生的压应力。差值过大时，将在混凝土内部产生裂缝，最后有可能形成贯穿裂缝。为解决上述二类裂缝问题，必须进行合理的温度控制。
混凝土温度控制的主要目的是使因温差产生的拉应力小于同期混凝土抗拉强度的标准值，并有一定的安全系数。为计算温差，就要事先计算混凝土内部的最高温度，它是混凝土浇筑温度、实际水化热温升和混凝土散热温度的总和。混凝土内部的最高温度大多发生在浇筑后的3～7天。混凝土内部的最高温度Tmax可按下式计算：
Tmax＝To+(WQ)/(Cr)ξ+(F)/(5O) (1)
式中：T0--混凝土的浇筑温度(℃)
W——每m3混凝土中水泥(矿渣硅酸盐水泥)的用量(kg/m3)
F——每m3混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)
Q——每kg水泥水化热(J/kg)
C——混凝土的比热
r——混凝土的密度
ξ——不同厚度的浇筑块散热系数(见表1)
不同厚度的浇筑块散热系数
表1
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厚度(m) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ＞4.0
ξ 0.23 0.35 0.48 0.61 0.73 0.83 0.95 1.0
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实测资料显示，当基础板厚大于2米时，上述公式的相对误差在0.1%～1.3%之间，在计算温差后，即可计算出降温阶段混凝土内部的温度应力σ(2)xmax
σxmax＝Eα△T(1-(1)/(cosh βL/2))H(t,τ)(2)
式中：E——混凝土的弹性模量(N/mm2)
α——混凝土的线膨胀系数(10-5/℃)
△T——温差(℃)
L——板长(mm)
β＝Cx／HE
H——板厚(mm) H＞0.2L时，取H＝0.2L
Cx——地基水平阻力系数(N/mm3)
H(t，τ)…考虑徐变后的混凝土松驰系数，
其中，t——产生约束应力时的龄期，
τ——约束应力延续时间。
注意同期内由于混凝土收缩引起的应力应转化为当量温差，计入△T一并计算σxmax。
由(1)、(2)分析可知：为避免裂缝出现，主要是减少△T。可采用合理选用材料，降低水泥水化热，优化混凝土集料的配合比，控制水灰比，减少混凝土的干缩，具体控制措施见后。如有可能，减少浇筑长度L，增加养护时间减少降温速率以相应减少松驰系数对控制贯穿裂缝也有一定的意义。
1.2 地下室混凝土墙板及楼板的裂缝分析
地下室墙板的裂缝产生与基础大体积混凝土裂缝产生的原因有相同之处，即混凝土在硬化过程中由于失水会产生收缩应变，在水泥水化热产生的升温达到最高点以后的降温过程会产生温度应变。但又有其特点：一是墙板受到基础、外围楼板受到地下室外墙的极大约束，这种约束远大于桩基对基础的约束，产生贯穿裂缝的机率大。二是内墙板及楼板受环境温度影响较大。三是内外温差小，产生表面裂缝的机率小。四是养护困难，散热快、降温速率大，混凝土的松驰徐变优势难以利用，在气温骤变季节尤应注意。
在计算板内最大拉应力时仍可利用公式(2)，但有以下几点应注意：
H取0.2L，L为整浇长度；Cx取值应大于1.5N/mm3因为连接部位有较强钢筋约束；计算温差△T时，要考虑底板及外墙(兼作围护情况下)紧靠土体，受环境温差小，而被它们约束的墙板及周边楼板在施工过程中基本同外界温度同步变化。若底板墙板施工间隔过长、外墙兼作围护时，则在计算混凝土收缩时应注意约束体与被约束体的收缩期不同，收缩量也不相同。
1.3 高强混凝土裂缝分析
目前高层建筑中已广泛使用C40～C60中高强混凝土，随着材料科学的迅速发展，C80～C120的高强混凝土在具体工程中已有应用。由于高强混凝土采用的配合比设计多为低水灰比、高标号水泥、高水泥用量、使用高效减小剂及掺加超细矿粉。这样其收缩机制与普通混凝土就有所不同。
高強混凝土由于其水泥用量大多在450～600kg/m3)，是普通混凝土的1.5～2倍。这样在混凝土生成过程中由于水泥水化而引起的体积收缩即自缩就大于普通混凝土，出现收缩裂缝的机率也大于普通混凝土。
高强混凝土因采用高标号水泥且用量大，这样在混凝土硬化过程中，水化放热量大，将加大混凝土的最高温升，从而使混凝土的温度收缩应力加大。在叠加其他因素的情况下，很有可能导致温度收缩裂缝。由于高强混凝土中水泥石含量是普通混凝土的1.5倍，在硬化早期由于水分蒸发引起的干缩也将大于普通混凝土。
2裂缝的控制措施
2.1设计措施
增配构造筋提高抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在0.3～0.5%之间。
避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。
在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。
在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝，在正常施工条件下，后浇缝间距20～30m，保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况作设计变更。
2.2施工措施
严格控制混凝土原材料的的质量和技术标准，选用低水化热水泥，粗细骨料的含泥量应尽量减少(1～1.5%以下)。
细致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，减少混凝土的坍落度，合理掺加塑化剂和减少剂。
浇筑时间尽量安排在夜间，最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置，或用湿麻袋覆盖，必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时，在水平及垂直泵管上加盖草袋，并喷冷水。
根据工程特点，可以利用混凝土后期强度，这样可以减少用水量，减少水化热和收缩。
加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。
混凝土尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上，混凝土的现场试块强度不低于C5。
采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。
根据具体工程特点，采用UEA补偿收缩混凝土技术。
对于高强混凝土，应尽量使用中热微膨胀水泥，掺超细矿粉和膨胀剂，使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰，掺量15%～50%。
