超长结构混凝土温度裂缝如何防控？本文分析透彻！
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超长结构混凝土温度裂缝防控措施
（上篇）预防混凝土温度裂缝的“放”
人的皮肤受多变气候影响容易干燥开裂，混凝土结构也一样如此，高温、日晒、干燥等不利环境都会导致结构开裂。初秋悄然而至，早晚温差逐渐变大，正如肌肤需要保养一样，混凝土也需要防裂。本期创新工作室来谈谈超长混凝土结构温度裂缝的成因和防治措施。
引言
混凝土裂缝有很多种，主要有收缩裂缝、温度裂缝、沉降裂缝和结构裂缝。有调查显示，目前已建工程中出现的裂缝有95%左右是属于温度裂缝、收缩裂缝、沉降裂缝等非荷载裂缝，结构裂缝仅占5%。那么，日常防治裂缝的工作重点首要就在于防治温度裂缝。
那么温度裂缝是怎么产生的呢？为什么超长混凝土容易产生温度裂缝呢？温度裂缝的防治措施是什么？今天带着这些问题，我们开始以下的分析。
温度应力和其影响因素
01
温度裂缝的产生是因为温度应力大于混凝土的极限抗拉强度，导致混凝土受拉破坏，要防止出现温度裂缝首先要了解温度应力。温度应力按成因可分为两类：
（1）水泥硬化时产生的水化热使混凝土内外温度不均产生应力；
（2）混凝土的热胀冷缩受到外部制约，不能自由变形而引起应力。本文主要讨论后者。
为什么超长结构更容易产生温度裂缝呢？首先我们了解下什么是超长结构。《高层建筑混凝土结构技术规程》对超长结构说明如下：
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）
13.9.1（条文说明）
……
本节所述超长结构，通常指平面尺寸大于本规程规定的伸缩缝间距的结构。
了解了什么是超长混凝土结构，我们再对其进行受力分析。以卧置在地基上的筏板为例，假设同一截面上的应力分布均匀，在地基土的制约下，构件截面上将出现水平法向应力σx和竖向应力σy，其沿构件长度方向的分布如下图所示。
超长混凝土构件的主要应力图
其中σx是引起垂直裂缝的主要应力，是设计控制应力，其最大值出现在构件中点，即x=0 处。σy可能引起水平裂缝，但其值一般很小，可忽略不计。σx max的计算公式为：
其中：
E——混凝土弹性模量（MPa）
H——板厚（mm）
L——结构物的长度（mm）
Cx——地基阻力系数（N/mm³）
cosh——双曲线余弦函数
α——混凝土线膨胀系数，为1.0e-5/℃
T——综合温差，T=T1+T2-T3
T1——混凝土因水泥水化导致的升温值
T2——混凝土干缩当量温差
T3——混凝土膨胀当量温差
分析式（1）可发现法向最大应力σx的大小与构造和材料两大因素有关，我们把他们记做材料因子M和构造系数S。
σx max = M·S
材料因子分析：混凝土弹性模量E、混凝土线膨胀系数α和混凝土强度等级相关，相对固定，可视为常数；综合温差T和混凝土的配合比相关。
构造系数分析：构造系数S是[0,1]之间的数，当结构长度L、地基阻力系数Cx增加时，构造系数S也会变大。
材料因子和构造系数变大，混凝土法向应力也会变大。根据分析可知，防止温度裂缝的关键在于结构受力约束形式、构件尺寸、混凝土材料。通过控制约束形式和构件尺寸来实现释“放”温度应力，通过调整混凝土材料来实现抵“抗”温度应力。
释“放”温度应力的技术措施
02
分析公式（1）可知，通过合理的构造形式和减少构件尺寸，降低构造系数S的数值，可有效释放结构承受的约束应力。由此思路可引出以下几种“放”的技术措施：
1、设滑动层减阻力
首先我们考虑的是如何减少约束，充分释放温度应力，还是以超长混凝土结构筏板为例。在筏板与地基土之间的防水层上满铺一层10~20mm厚的细砂作为滑动层，以减小底板和地基之间的摩擦系数，释放约束应力。从而让混凝土自由收缩，释放温度应力，避免混凝土开裂。
2、设伸缩缝
缩短结构长度L可减小构造系数S，最终降低混凝土温度应力。因此释放约束应力的另一思路是通过合理分缝设计，降低结构长度，伸缩缝的应用正是基于这一原理。伸缩缝的做法是沿建筑物长度方向每隔一定距离预留永久性结构缝隙，将建筑物从屋顶、墙体、楼层和底板等构件全部断开，缝隙内用防水材料填充。规范（GB50010-2010）规定的钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距如下表所示。
3. 跳仓法施工
缩短结构长度L的方法还有跳仓法施工。“跳仓法”就是把超长、超宽的混凝土结构划分成若干区段，采用间隔浇筑的一种施工方法。如下图所示，按照“分块规划、隔块施工、分层浇筑、整体成型”的原则，如同跳棋一样，隔一段浇一段，相邻两段间隔时间一般不少于7天，来有效释放混凝土在硬化初期剧烈的温度和干燥收缩应力。
4. 设诱导缝
缩短结构长度L的第3种方法是设诱导缝。诱导缝是为了控制混凝土开裂的位置，人为造成薄弱连接面，其做法如下图所示。通过留置诱导缝，当构件的收缩应力大于其抗拉强度时，构件在设定位置有序开裂，开裂后构件的结构长度L减小，释放了收缩应力，从而防止在其他部位继续发生无序的开裂。因其容易产生渗水，只能用于水位低或干燥的地方。
诱导缝结构做法示意
5. 设后浇带
缩短结构长度L的另一种方法是设后浇带。后浇带将结构暂时划分为若干部分，经过构件内部收缩，在若干时间后再浇捣该施工缝混凝土，将结构连成整体。与传统伸缩缝不同，后浇带是只存在于施工阶段的临时性伸缩缝，避免了永久留缝所导致的渗漏水等问题。后浇带的留设间距可取与伸缩缝相同，封闭时间一般需根据两侧混凝土的收缩完成情况结合施工作业要求确定（一般不少于42天）。
总结
03
如果把温度应力比作洪水，那么本文就“治理洪水”中的“疏水”介绍了几种技术措施，下一篇我们将针对“治理洪水”中的“堵水”进行讲解，聊一下防止温度裂缝中“抗”的技术措施。
（下篇）预防混凝土温度裂缝的“抗”
“抗”的力量来源于材料因子
01
上篇给出了导致温度裂缝的“罪魁祸首”混凝土水平法向应力σxmax：
如果说“放”是通过控制结构受力约束形式、构件尺寸来降低构造系数，那么“抗”就是通过调整混凝土材料来降低材料因子。材料因子由混凝土的材料属性决定，主要与混凝土的水泥配合比、外掺料和外加剂相关。
超长混凝土结构的裂缝发展规律
02
为什么超长混凝土结构容易产生温度裂缝？为什么常见的超长混凝土结构裂缝出现的间距都有规律？让我们进一步分析：
以基础底板温度开裂为例，当混凝土开始收缩时，基础与地基的接触面上出现剪应力τ，基础底板中产生水平法向应力（即拉应力）σx\\\\'，如图1a所示；
第一阶段的最大拉应力σx\\\\'max > ft（混凝土极限抗拉强度）时，第一批裂缝常发生在跨中，开裂后引起应力重分布，如图1b所示；
第二阶段的最大拉应力σx\\\\'\\\\'max > ft，则继续开裂，此时裂缝往往出现在1/4跨处，出现第二批裂缝并导致应力重分布，如图1c所示；
……
第n阶段，直到最大拉应力σx\\\\'\\\\'\\\\'max < ft，则开裂稳定下来，否则继续按上述规律发展。
图1 结构裂缝的有序发展
由此可知，控制裂缝的关键在于σmax ≤ ft。是不是提高ft就能解决混凝土开裂呢？
答案是混凝土作为一种脆性材料，它强度等级的提高对抗拉强度提高作用有限。同时，混凝土标号的提高又会带来水化热增加导致的干缩问题，成本也随之提高，得不偿失。那么还有什么办法呢？
膨胀混凝土补偿温度收缩应力
03
聪明的工（ban）程（zhuan）师（ren）就想，能否利用混凝土的抗压强度高的特性，先对混凝土作用预压应力σc，变相提高混凝土抗拉强度，使σmax ≤ ft + σc，这样就可以抑制混凝土开裂。
那么如何让超长混凝土结构中产生预压应力？答案是在混凝土中添加膨胀剂。在膨胀剂的作用下，混凝土产生预压应力，通过钢筋受拉力进行平衡，于是得出：
Ac·σc = As·σs = As·Es·εr（4）
令 ρ = As / Ac 为配筋率（%），则：
σc = ρ·Es·εr （5）
其中： σc —— 混凝土预压应力（MPa）
As —— 钢筋截面面积（mm2）
Ac —— 混凝土截面面积（mm2）
Es —— 钢筋弹性模量（MPa）
εr —— 混凝土的限制膨胀率（%）
我们可以试算一下，假设筏板混凝土强度等级为C30，钢筋配筋率为0.8%，钢筋弹性模量2x105MPa，控制混凝土限制膨胀率0.05%，从式（5）可得：
σc = ρ·Es·εr = 0.8%·2x105·0.05% = 0.8MPa
也就是能让混凝土获得0.8MPa的预压应力，则混凝土最大允许法向应力σmax提高为：
σmax = ft + σc = 1.43 + 0.8 = 2.23MPa
比原混凝土提高约1.5倍，再把这个数值反代入公式（1），就能推出，使用膨胀混凝土的结构物不开裂长度L可比普通混凝土大大提高。我们的结论是：如果按规范要求设置后浇带间距为40米，按上述参数使用膨胀混凝土后可把该间距提高为60米。
混凝土限制膨胀率
04
由式（5）可知，预压应力σc与限制膨胀率εr为正比关系，控制σc的关键就在于膨胀剂掺量，也就是控制限制膨胀率εr。
根据《混凝土膨胀剂应用技术规范》GBJ50119，通过试验可得出膨胀剂掺量和限制膨胀率的关系。以下以某种膨胀剂为例：
混凝土限制膨胀率实测数据
以上我们了解了“放”和“抗”的原理，在实际工程中聪明的工程师会采用这两种方式互补——“放”、“抗”结合，解决温度裂缝。
膨胀加强带——“放”和“抗”相结合
05
是否有必要提高整个底板混凝土的膨胀剂掺量（12%）来提高最大温度应力抗力呢？根据实践经验，每隔一段距离设膨胀加强带（2~3米，膨胀剂掺量12%）就能降低整块底板的膨胀剂掺量（9%）。其实膨胀加强带就是一种“放”，用膨胀剂在混凝土中产生预压应力就是一种“抗”，这就是“放”、“抗”结合。如下图所示：
膨胀应力补偿收缩应力示意图
膨胀加强带的施工工艺即：先采用小膨胀混凝土（εr=2~3x10-4）浇筑加强带两侧，待温度和干缩变形得到有效释放后，改用强度等级提高一级的大膨胀混凝土（εr=4~5x10-4）浇筑加强带部分，如此可实现超长混凝土结构不留设永久性伸缩缝。
参考文件：
［1］“放、抗结合”——浅议超长混凝土结构的温度应力及控制对策 席sir.
［2］混凝土结构设计规范 GB50010-2010(2015年版) 中华人民共和国住房和城乡建设部.
［3］超长混凝土结构温度应力分析及控制技术研究 朱健.