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地下室溫度收縮裂縫成因的理論分析及控制措施
摘 要:混凝土結構是現代建筑結構的主流,針對鋼筋混凝土結構的地下室進行研究,地下室裂縫產生的主要原因是由于混凝土的變形變化受到約束作用而產生的,引起變形變化的原因主要有溫度變化,對形成地下室收縮裂縫的樁､底板等的約束作用和構件的自約束應力進行了理論分析,分析了由溫度引起的裂縫,并提出控制措施｡?
關鍵詞:地下室;收縮裂縫;控制
地下室結構一般都是由鋼筋混凝土墻圍合而成,在設計荷載所用下,鋼筋混凝土墻一般是不會產生裂縫的,然而高層建筑地下室墻壁開裂現象比較普遍,尤其在施工階段,混凝土早期裂縫出現幾率比較高,并且幾乎都不是由荷載作用而引起的,由此就必須對非荷載作用下地下室墻壁裂縫原因進行分析｡除地下室墻體會開裂外,地下室底板,頂板都會產生非荷載裂縫｡根據2001～2006年的統計資料,高層建筑地下室大底板出現裂縫的數量占底板總數的10%,而地下室外墻的開裂數量占被調查工程總數的85%以上｡控制外墻裂縫技術難度很大,在國內外的工程實踐中還沒有非常成熟有效的技術措施,本文擬對此作探討｡
1 地下室的外部約束分析?
地下室是結構物比較特殊的一部,它位于結構的底部,并且與基礎相連接,這樣地下室通過基礎或者直接與地基相互作用｡對于地下室來說,地基或者地基與基礎共同對地下室的作用就成為本文所說的地下室外部約束｡?
(1)地基對地下室地板的約束｡?
地下室底板澆注在地基上,地基和底板之間有粘結､摩擦作用｡當底板發生溫度變形或者收縮變形時,底板和地基之間將產相對運動,但由于粘結作用和摩擦作用的存在,地基將阻止底板的相對運動,在地基與底板接觸面上必然會產生剪應力,這個剪應力就是地基對底板的約束作用｡?
由于地基條件的多樣性,底板界面尺寸的變化,底板上的結構形式和荷載的變化等,底板與地基之間的剪應力變化是比較復雜的,只有通過近似簡化的方式來求解此剪應力｡假定某點的剪應力z與該點水平位移?u?成正比:
(2)樁基礎對結構的約束｡?
樁基礎是一種承載性能高､穩定性好､沉降及差異變形小､沉降穩定快､抗震能力強及能適應各種復雜地質條件且適用范圍廣的基礎形式,因而在工程中的運用愈來愈廣泛｡在分析地下室結構的約束時,必然要考慮樁基的存在所來帶的約束作用｡?
在相關資料上把樁的約束作用均勻分配到每根樁所分擔的地基面積上,然后與地基對底板的約束進行疊加,其單位面積地基上樁的阻力Cx,為:
2 混凝土溫度､收縮應力的理論計算公式?
混凝土裂縫的產生可以從兩個指標來進行判別:其一就是混凝土的拉應力超過了混凝土的抗拉強度;其二是混凝土的拉應變超過了混凝土的極限拉應變｡混凝土的極限拉應變不容易測得,因而用混凝土的拉應力是否達到混凝上的抗拉強度作為判斷混凝土的是否開裂的依據比較方便,運用也比較普遍｡這樣,計算混凝土溫度､收縮應力就非常必要的了｡
2.1 溫度收縮應力計算的公式?
假定:(1)結構物同地基接觸面上的剪應力與水平變位成線性比例:
上式中T——底板與地基結束面上的剪應力;
?Cx?——水平阻力系數,即產生單位位移的剪應力,取值同前文所述;
?U?——產生剪應力:的地基水平位移;?
(2)結構物為地基上的長條形結構物一薄板､矮墻等,板厚或者墻高與長度之比HlL<_0.20 (3)結構物厚度t均勻,高度H均勻,受力沿高度和厚度均勻,結構物相對地基有溫差T,計算的是只考慮對貫穿裂縫起控制作用的平均拉應力｡計算公式為:?
2.2 溫度收縮應力的有限元計算?
對于單一的混凝土構件,譬如一片規則的墻體或是一塊規則的混凝土底板受到均勻的約束及均勻的溫度､收縮變形的作用時,運用上一小節的理論計算公式時比較方便的,但當我們面對的是一片不規則的墻體,不規則的底板,不均勻的約束和荷載時,運用以上的理論公式就比較難以反映構件的真實應力狀態｡更只得我們注意的是,當我們要掌握整個結構在溫度､收縮變形作用下的應力分布狀態時,用以上的理論公式時難以得到比較滿意的結果｡?
隨著計算機的發展,有限元理論的完善,相應有限元軟件的精度也在提高,這樣,選擇運用可信有限元軟件對我們所要研究的結構或者構件進行有限元分析是比較方便,且其分析結果也是可供參考的｡
3 地下室溫度收縮裂縫控制的措施?
針對溫度收縮變形的特點,以上具體的分析了影響溫度收縮變化的具體因素,為有效的控制地下室裂縫的產生與擴展,相應的從結構與結構設計､材料質量､施工措施三個方面來考慮裂縫的控制措施｡
3.1 結構與結構設計方面?
(1)減少結構約束｡?
約束是變形變化產生裂縫的必要條件,假如沒有約束存在,那么變形彎化不會使結構或構件產生應力,亦不會使結構或者構件開裂｡地下室底板的變形變化受到地基､墊層､樁基礎等的約束,地下室側墻受到地基､基礎､底板､頂板的約束,頂板受到側墻的約束｡減小結構或者構件受到的約束程度可以相應的減小結構或者構件的約束應力｡為了減小地基對底板造成的外部約束,可以在地基與底板之間設置滑動層或者緩沖層,緩沖層用于構件局部突出嵌入巖石的情況｡在地板和墊層之間設置滑動層,減小底板受到的約束程度,讓地板在變形變化作用下有更大的伸縮的自由度,以至于可以釋放有變形變化所引起的應力｡?
(2)設置伸縮縫｡?
設置伸縮縫就是把長度比較大的結構分成若干個長度比較小的單元結構,其本質就是減小獨立結構的長度,從一定意義上說,就通過減小結構的長度來減小約束作用｡縮縫間距可以釋放一定的溫度收縮變形引起的變形變化,使由于約束產生的應力不致使結構開裂｡但伸縮縫的設置會破壞結構的整體性,對施工､維護和結構抗震度是不利的,對于地下室,還會帶來使用上的不便,而且容易發生諸如滲漏等的使用隱患｡?
(3)設置后澆帶｡?
設置后澆帶是目前運用比較廣泛的防止溫度收縮變形產生裂縫的一種方法｡并且是擴大伸縮縫間距或者取消伸縮縫的有效措施｡后澆帶是施工期間設置的臨時變形縫,其目的是釋放早期的溫度收縮變形變化｡早期混凝土的收縮量比較大且溫度場相對不穩定,后澆帶必須留置一定的時間,根據具體的情況,留置時間可不同,但從理論上說后澆帶留置時間盡可能長些,溫度收縮變形釋放的比較充分,效果比較好｡后澆帶要有一定的寬度,一般規定是0.8～1.0m但這寬度范圍并不是不可以突破的,在已經發表的文章中作者指出只要施工條件允許,應將后澆帶寬度盡量取的大些｡后澆帶是為了釋放變形產生的約束應力,所以穿越后澆帶的連續鋼筋總量越少越好｡?
(4)配置一定量的構造鋼筋｡?
合理的配置構造鋼筋是可以比較有效的限制裂縫的擴展,但配筋不能防止裂縫的出現｡配筋的總的原則是細而密,一般來說,在實際工程中,所選用的鋼筋直徑在8-16范圍內,鋼筋間距一般在100～200mm之間｡?
配置的構造鋼筋需要有一定的量,可以用配筋率作為一個重要的衡量指標｡對于怎樣的配筋率才是有效而又經濟沒有一個統一的認識｡從文獻可得到通常配筋率在0.2%1%之間變化,且在此范圍內,隨配筋率的增加對裂縫寬度的控制效果也相應的提升;研究者傾向于采用 0.8%～1%之間的配筋率,這是值得參考的;對于超過1%的配筋率,隨著配筋率的增加裂縫控制的效果不明顯｡?
(5)采用專門的預加力措施,如采用預應力控制地下室外墻裂縫｡
3.2 材料質量方面的措施?
混凝土材料自身的質量嚴重的影響著混凝土的性能,從材料方面對混凝土質量進行控制,是一個有效的防裂措施,具體如下:?
(1)減小混凝土的收縮｡減小混凝土的收縮可以選用收縮值比較小的水泥,例如礦渣水泥>普通硅酸鹽水泥>粉煤灰水泥;采用水泥細度相對較大的水泥;采用較低的水灰比;降低砂率,選用質量比較高的骨料及良好的粗骨料的級配:利用混凝土的后期強度,盡可能的選用強度等級比較低的混凝土;適當的選用外加劑和摻合料｡?
(2)減小混凝土產生的水化熱｡減小混凝土水化熱可以通過減少水泥用量,采用低水化熱水泥和標號比較低的水泥｡?
(3)選用質量良好的外加劑,并且適當､正確的使用｡如采用膨脹劑配置的補償收縮混凝土可以提高結構構件的抗裂能力｡?
(4)混凝土的抗拉性能比較差是由混凝土自身的組成決定的,所以首先要保證混凝土的質量,讓混凝土充分的發展自身的強度:其次就是可以加入纖維來改善混凝土的受拉性能｡
3.3 施工方面的措施?
施工措施對混凝土的防裂是非常重要的｡混凝土的澆注方案對混凝土的溫度應力和溫度裂縫產生較大的影響;確定合理的施工方案,選擇合適的澆注時間(如避免高溫天氣),保證現場混凝土質量,混凝土的澆注質量,尤其是對新澆混凝土的養護是非常關鍵的｡混凝土的養護直接影響著混凝土的早期收縮,混凝土的內外溫度差以及混凝土的強度增長,總的說來,就是養護可以給混凝土營造一個有利于混凝土性能發揮的良好的外部環境｡對于地下室的側墻養護相對比較困難,這需要采取一些措施給予解決｡
參考文獻
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