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地下室温度收缩裂缝成因的理论分析及控制措施
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内容提示：混凝土结构是现代建筑结构的主流,针对钢筋混凝土结构的地下室进行研究,地下室裂缝产生的主要原因是由于混凝土的变形变化受到约束作用而产生的,引起变形变化的原因主要有温度变化,对形成地下室收缩裂缝的桩､底板等的约束作用和构件的自约束应力进行了理论分析,分析了由温度引起的裂缝,并提出控制措施｡
摘 要:混凝土结构是现代建筑结构的主流,针对钢筋混凝土结构的地下室进行研究,地下室裂缝产生的主要原因是由于混凝土的变形变化受到约束作用而产生的,引起变形变化的原因主要有温度变化,对形成地下室收缩裂缝的桩､底板等的约束作用和构件的自约束应力进行了理论分析,分析了由温度引起的裂缝,并提出控制措施｡
关键词:地下室;收缩裂缝;控制
地下室结构一般都是由钢筋混凝土墙围合而成,在设计荷载所用下,钢筋混凝土墙一般是不会产生裂缝的,然而高层建筑地下室墙壁开裂现象比较普遍,尤其在施工阶段,混凝土早期裂缝出现几率比较高,并且几乎都不是由荷载作用而引起的,由此就必须对非荷载作用下地下室墙壁裂缝原因进行分析｡除地下室墙体会开裂外,地下室底板,顶板都会产生非荷载裂缝｡根据2001～2006年的统计资料,高层建筑地下室大底板出现裂缝的数量占底板总数的10%,而地下室外墙的开裂数量占被调查工程总数的85%以上｡控制外墙裂缝技术难度很大,在国内外的工程实践中还没有非常成熟有效的技术措施,本文拟对此作探讨｡
1 地下室的外部约束分析
地下室是结构物比较特殊的一部,它位于结构的底部,并且与基础相连接,这样地下室通过基础或者直接与地基相互作用｡对于地下室来说,地基或者地基与基础共同对地下室的作用就成为本文所说的地下室外部约束｡
(1)地基对地下室地板的约束｡
地下室底板浇注在地基上,地基和底板之间有粘结､摩擦作用｡当底板发生温度变形或者收缩变形时,底板和地基之间将产相对运动,但由于粘结作用和摩擦作用的存在,地基将阻止底板的相对运动,在地基与底板接触面上必然会产生剪应力,这个剪应力就是地基对底板的约束作用｡
由于地基条件的多样性,底板界面尺寸的变化,底板上的结构形式和荷载的变化等,底板与地基之间的剪应力变化是比较复杂的,只有通过近似简化的方式来求解此剪应力｡假定某点的剪应力z与该点水平位移u成正比:
(2)桩基础对结构的约束｡
桩基础是一种承载性能高､稳定性好､沉降及差异变形小､沉降稳定快､抗震能力强及能适应各种复杂地质条件且适用范围广的基础形式,因而在工程中的运用愈来愈广泛｡在分析地下室结构的约束时,必然要考虑桩基的存在所来带的约束作用｡
在相关资料上把桩的约束作用均匀分配到每根桩所分担的地基面积上,然后与地基对底板的约束进行叠加,其单位面积地基上桩的阻力Cx,为:
2 混凝土温度､收缩应力的理论计算公式
混凝土裂缝的产生可以从两个指标来进行判别:其一就是混凝土的拉应力超过了混凝土的抗拉强度;其二是混凝土的拉应变超过了混凝土的极限拉应变｡混凝土的极限拉应变不容易测得,因而用混凝土的拉应力是否达到混凝上的抗拉强度作为判断混凝土的是否开裂的依据比较方便,运用也比较普遍｡这样,计算混凝土温度､收缩应力就非常必要的了｡
2.1 温度收缩应力计算的公式
假定:(1)结构物同地基接触面上的剪应力与水平变位成线性比例:
上式中T——底板与地基结束面上的剪应力;
Cx——水平阻力系数,即产生单位位移的剪应力,取值同前文所述;
U——产生剪应力:的地基水平位移;
(2)结构物为地基上的长条形结构物一薄板､矮墙等,板厚或者墙高与长度之比HlL<_0.20 (3)结构物厚度t均匀,高度H均匀,受力沿高度和厚度均匀,结构物相对地基有温差T,计算的是只考虑对贯穿裂缝起控制作用的平均拉应力｡计算公式为:
2.2 温度收缩应力的有限元计算
对于单一的混凝土构件,譬如一片规则的墙体或是一块规则的混凝土底板受到均匀的约束及均匀的温度､收缩变形的作用时,运用上一小节的理论计算公式时比较方便的,但当我们面对的是一片不规则的墙体,不规则的底板,不均匀的约束和荷载时,运用以上的理论公式就比较难以反映构件的真实应力状态｡更只得我们注意的是,当我们要掌握整个结构在温度､收缩变形作用下的应力分布状态时,用以上的理论公式时难以得到比较满意的结果｡
随着计算机的发展,有限元理论的完善,相应有限元软件的精度也在提高,这样,选择运用可信有限元软件对我们所要研究的结构或者构件进行有限元分析是比较方便,且其分析结果也是可供参考的｡ 3 地下室温度收缩裂缝控制的措施
针对温度收缩变形的特点,以上具体的分析了影响温度收缩变化的具体因素,为有效的控制地下室裂缝的产生与扩展,相应的从结构与结构设计､材料质量､施工措施三个方面来考虑裂缝的控制措施｡
3.1 结构与结构设计方面
(1)减少结构约束｡
约束是变形变化产生裂缝的必要条件,假如没有约束存在,那么变形弯化不会使结构或构件产生应力,亦不会使结构或者构件开裂｡地下室底板的变形变化受到地基､垫层､桩基础等的约束,地下室侧墙受到地基､基础､底板､顶板的约束,顶板受到侧墙的约束｡减小结构或者构件受到的约束程度可以相应的减小结构或者构件的约束应力｡为了减小地基对底板造成的外部约束,可以在地基与底板之间设置滑动层或者缓冲层,缓冲层用于构件局部突出嵌入岩石的情况｡在地板和垫层之间设置滑动层,减小底板受到的约束程度,让地板在变形变化作用下有更大的伸缩的自由度,以至于可以释放有变形变化所引起的应力｡
(2)设置伸缩缝｡
设置伸缩缝就是把长度比较大的结构分成若干个长度比较小的单元结构,其本质就是减小独立结构的长度,从一定意义上说,就通过减小结构的长度来减小约束作用｡缩缝间距可以释放一定的温度收缩变形引起的变形变化,使由于约束产生的应力不致使结构开裂｡但伸缩缝的设置会破坏结构的整体性,对施工､维护和结构抗震度是不利的,对于地下室,还会带来使用上的不便,而且容易发生诸如渗漏等的使用隐患｡
(3)设置后浇带｡
设置后浇带是目前运用比较广泛的防止温度收缩变形产生裂缝的一种方法｡并且是扩大伸缩缝间距或者取消伸缩缝的有效措施｡后浇带是施工期间设置的临时变形缝,其目的是释放早期的温度收缩变形变化｡早期混凝土的收缩量比较大且温度场相对不稳定,后浇带必须留置一定的时间,根据具体的情况,留置时间可不同,但从理论上说后浇带留置时间尽可能长些,温度收缩变形释放的比较充分,效果比较好｡后浇带要有一定的宽度,一般规定是0.8～1.0m但这宽度范围并不是不可以突破的,在已经发表的文章中作者指出只要施工条件允许,应将后浇带宽度尽量取的大些｡后浇带是为了释放变形产生的约束应力,所以穿越后浇带的连续钢筋总量越少越好｡
(4)配置一定量的构造钢筋｡
合理的配置构造钢筋是可以比较有效的限制裂缝的扩展,但配筋不能防止裂缝的出现｡配筋的总的原则是细而密,一般来说,在实际工程中,所选用的钢筋直径在8-16范围内,钢筋间距一般在100～200mm之间｡
配置的构造钢筋需要有一定的量,可以用配筋率作为一个重要的衡量指标｡对于怎样的配筋率才是有效而又经济没有一个统一的认识｡从文献可得到通常配筋率在0.2%1%之间变化,且在此范围内,随配筋率的增加对裂缝宽度的控制效果也相应的提升;研究者倾向于采用 0.8%～1%之间的配筋率,这是值得参考的;对于超过1%的配筋率,随着配筋率的增加裂缝控制的效果不明显｡
(5)采用专门的预加力措施,如采用预应力控制地下室外墙裂缝｡
3.2 材料质量方面的措施
混凝土材料自身的质量严重的影响着混凝土的性能,从材料方面对混凝土质量进行控制,是一个有效的防裂措施,具体如下:
(1)减小混凝土的收缩｡减小混凝土的收缩可以选用收缩值比较小的水泥,例如矿渣水泥>普通硅酸盐水泥>粉煤灰水泥;采用水泥细度相对较大的水泥;采用较低的水灰比;降低砂率,选用质量比较高的骨料及良好的粗骨料的级配:利用混凝土的后期强度,尽可能的选用强度等级比较低的混凝土;适当的选用外加剂和掺合料｡
关键词:地下室;收缩裂缝;控制
地下室结构一般都是由钢筋混凝土墙围合而成,在设计荷载所用下,钢筋混凝土墙一般是不会产生裂缝的,然而高层建筑地下室墙壁开裂现象比较普遍,尤其在施工阶段,混凝土早期裂缝出现几率比较高,并且几乎都不是由荷载作用而引起的,由此就必须对非荷载作用下地下室墙壁裂缝原因进行分析｡除地下室墙体会开裂外,地下室底板,顶板都会产生非荷载裂缝｡根据2001～2006年的统计资料,高层建筑地下室大底板出现裂缝的数量占底板总数的10%,而地下室外墙的开裂数量占被调查工程总数的85%以上｡控制外墙裂缝技术难度很大,在国内外的工程实践中还没有非常成熟有效的技术措施,本文拟对此作探讨｡
1 地下室的外部约束分析
地下室是结构物比较特殊的一部,它位于结构的底部,并且与基础相连接,这样地下室通过基础或者直接与地基相互作用｡对于地下室来说,地基或者地基与基础共同对地下室的作用就成为本文所说的地下室外部约束｡
(1)地基对地下室地板的约束｡
地下室底板浇注在地基上,地基和底板之间有粘结､摩擦作用｡当底板发生温度变形或者收缩变形时,底板和地基之间将产相对运动,但由于粘结作用和摩擦作用的存在,地基将阻止底板的相对运动,在地基与底板接触面上必然会产生剪应力,这个剪应力就是地基对底板的约束作用｡
由于地基条件的多样性,底板界面尺寸的变化,底板上的结构形式和荷载的变化等,底板与地基之间的剪应力变化是比较复杂的,只有通过近似简化的方式来求解此剪应力｡假定某点的剪应力z与该点水平位移u成正比:
(2)桩基础对结构的约束｡
桩基础是一种承载性能高､稳定性好､沉降及差异变形小､沉降稳定快､抗震能力强及能适应各种复杂地质条件且适用范围广的基础形式,因而在工程中的运用愈来愈广泛｡在分析地下室结构的约束时,必然要考虑桩基的存在所来带的约束作用｡
在相关资料上把桩的约束作用均匀分配到每根桩所分担的地基面积上,然后与地基对底板的约束进行叠加,其单位面积地基上桩的阻力Cx,为:
2 混凝土温度､收缩应力的理论计算公式
混凝土裂缝的产生可以从两个指标来进行判别:其一就是混凝土的拉应力超过了混凝土的抗拉强度;其二是混凝土的拉应变超过了混凝土的极限拉应变｡混凝土的极限拉应变不容易测得,因而用混凝土的拉应力是否达到混凝上的抗拉强度作为判断混凝土的是否开裂的依据比较方便,运用也比较普遍｡这样,计算混凝土温度､收缩应力就非常必要的了｡
2.1 温度收缩应力计算的公式
假定:(1)结构物同地基接触面上的剪应力与水平变位成线性比例:
上式中T——底板与地基结束面上的剪应力;
Cx——水平阻力系数,即产生单位位移的剪应力,取值同前文所述;
U——产生剪应力:的地基水平位移;
(2)结构物为地基上的长条形结构物一薄板､矮墙等,板厚或者墙高与长度之比HlL<_0.20 (3)结构物厚度t均匀,高度H均匀,受力沿高度和厚度均匀,结构物相对地基有温差T,计算的是只考虑对贯穿裂缝起控制作用的平均拉应力｡计算公式为:
2.2 温度收缩应力的有限元计算
对于单一的混凝土构件,譬如一片规则的墙体或是一块规则的混凝土底板受到均匀的约束及均匀的温度､收缩变形的作用时,运用上一小节的理论计算公式时比较方便的,但当我们面对的是一片不规则的墙体,不规则的底板,不均匀的约束和荷载时,运用以上的理论公式就比较难以反映构件的真实应力状态｡更只得我们注意的是,当我们要掌握整个结构在温度､收缩变形作用下的应力分布状态时,用以上的理论公式时难以得到比较满意的结果｡
随着计算机的发展,有限元理论的完善,相应有限元软件的精度也在提高,这样,选择运用可信有限元软件对我们所要研究的结构或者构件进行有限元分析是比较方便,且其分析结果也是可供参考的｡ 3 地下室温度收缩裂缝控制的措施
针对温度收缩变形的特点,以上具体的分析了影响温度收缩变化的具体因素,为有效的控制地下室裂缝的产生与扩展,相应的从结构与结构设计､材料质量､施工措施三个方面来考虑裂缝的控制措施｡
3.1 结构与结构设计方面
(1)减少结构约束｡
约束是变形变化产生裂缝的必要条件,假如没有约束存在,那么变形弯化不会使结构或构件产生应力,亦不会使结构或者构件开裂｡地下室底板的变形变化受到地基､垫层､桩基础等的约束,地下室侧墙受到地基､基础､底板､顶板的约束,顶板受到侧墙的约束｡减小结构或者构件受到的约束程度可以相应的减小结构或者构件的约束应力｡为了减小地基对底板造成的外部约束,可以在地基与底板之间设置滑动层或者缓冲层,缓冲层用于构件局部突出嵌入岩石的情况｡在地板和垫层之间设置滑动层,减小底板受到的约束程度,让地板在变形变化作用下有更大的伸缩的自由度,以至于可以释放有变形变化所引起的应力｡
(2)设置伸缩缝｡
设置伸缩缝就是把长度比较大的结构分成若干个长度比较小的单元结构,其本质就是减小独立结构的长度,从一定意义上说,就通过减小结构的长度来减小约束作用｡缩缝间距可以释放一定的温度收缩变形引起的变形变化,使由于约束产生的应力不致使结构开裂｡但伸缩缝的设置会破坏结构的整体性,对施工､维护和结构抗震度是不利的,对于地下室,还会带来使用上的不便,而且容易发生诸如渗漏等的使用隐患｡
(3)设置后浇带｡
设置后浇带是目前运用比较广泛的防止温度收缩变形产生裂缝的一种方法｡并且是扩大伸缩缝间距或者取消伸缩缝的有效措施｡后浇带是施工期间设置的临时变形缝,其目的是释放早期的温度收缩变形变化｡早期混凝土的收缩量比较大且温度场相对不稳定,后浇带必须留置一定的时间,根据具体的情况,留置时间可不同,但从理论上说后浇带留置时间尽可能长些,温度收缩变形释放的比较充分,效果比较好｡后浇带要有一定的宽度,一般规定是0.8～1.0m但这宽度范围并不是不可以突破的,在已经发表的文章中作者指出只要施工条件允许,应将后浇带宽度尽量取的大些｡后浇带是为了释放变形产生的约束应力,所以穿越后浇带的连续钢筋总量越少越好｡
(4)配置一定量的构造钢筋｡
合理的配置构造钢筋是可以比较有效的限制裂缝的扩展,但配筋不能防止裂缝的出现｡配筋的总的原则是细而密,一般来说,在实际工程中,所选用的钢筋直径在8-16范围内,钢筋间距一般在100～200mm之间｡
配置的构造钢筋需要有一定的量,可以用配筋率作为一个重要的衡量指标｡对于怎样的配筋率才是有效而又经济没有一个统一的认识｡从文献可得到通常配筋率在0.2%1%之间变化,且在此范围内,随配筋率的增加对裂缝宽度的控制效果也相应的提升;研究者倾向于采用 0.8%～1%之间的配筋率,这是值得参考的;对于超过1%的配筋率,随着配筋率的增加裂缝控制的效果不明显｡
(5)采用专门的预加力措施,如采用预应力控制地下室外墙裂缝｡
3.2 材料质量方面的措施
混凝土材料自身的质量严重的影响着混凝土的性能,从材料方面对混凝土质量进行控制,是一个有效的防裂措施,具体如下:
(1)减小混凝土的收缩｡减小混凝土的收缩可以选用收缩值比较小的水泥,例如矿渣水泥>普通硅酸盐水泥>粉煤灰水泥;采用水泥细度相对较大的水泥;采用较低的水灰比;降低砂率,选用质量比较高的骨料及良好的粗骨料的级配:利用混凝土的后期强度,尽可能的选用强度等级比较低的混凝土;适当的选用外加剂和掺合料｡
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200903/12826.htm
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