唐福成
衡阳市建发建筑设计有限公司，湖南 衡阳 421001
摘要：近年来，随着国家经济的快速发展，民众对建筑的使用要求也愈来愈高，为满足外观效果及功能需求等，许多大型公共建筑需要增大伸缩缝间距甚或不设置伸缩缝。本文结合新时代广场商业综合体项目案例，对钢筋混凝土超长结构裂缝的成因进行具体分析，并提出相应的结构设计要点与现场施工措施。
关键词：钢筋混凝土超长结构；抗裂设计；温度应力
近年来，随着国家经济的快速发展及国民生活水平的大幅提高，大型商业综合体等公共建筑项目日益增多，为满足外观效果及功能需求等，此类大型商业综合体等公共建筑需要增大伸缩缝间距甚或不设置伸缩缝，于是需要对此类超长结构进行具有针对性的抗裂分析及设计，控制裂缝的开展，使得建筑外观和谐统一、空间利用充分。
1 工程概况
该工程为新时代广场项目15#楼，工程地点为湖南衡阳。地上三层局部四层，主要用途为商业，地下一层主要用途为停车场，平面尺寸约为187.20m×60.60m，屋顶标高68.40m，采用钢筋混凝土框架结构，柱网尺寸大部分为8.40m×8.40m。东北角为一钢筋混凝土框架剪力墙结构的16层宾馆，平面尺寸约为42.20m×21.60m，屋顶标高68.40m。图1所示即为二层结构平面图。
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图1 二层结构平面图
2 裂缝成因分析
2.1 硬化收缩
硬化收缩是混凝土在硬化过程中由于化学作用而引起的收缩，这种收缩与结构所处环境湿度的增减没有关联。硬化收缩有可能会是正的，即缩小变形，也有可能是负的，即膨胀变形。不同种类水泥其硬化收缩的变形并不相同，例如采用普通硅酸盐水泥的混凝土硬化会产生收缩变形，而采用矿渣水泥的混凝土及掺料采用粉煤灰的混凝土硬化则会产生膨胀变形，而这种膨胀变形对混凝土在长期使用中的抗裂是有帮助的。
2.2 塑性收缩
混凝土在浇筑完毕后的4～15小时内，水泥的水化反应非常剧烈，将会出现泌水以及水分急剧蒸发，引发失水收缩，因其是在初凝的过程中发生的收缩，故也可称之为凝缩。此时混凝土中的骨料与胶凝材料之间也会产生不均匀的收缩变形，这些收缩变形都在混凝土终凝之前发生，混凝土尚处于塑性阶段，故称塑性收缩。
塑性收缩的量级很大，在混凝土浇筑完毕后的4～15小时内，于结构表面，特别是养护不良的部位则极易出现呈不规则分布的龟裂。
混凝土拌制时水灰比过大、用水量大、水泥用量大、粗骨料少、外掺剂保水性差、浇筑过程中振捣不密实、温度过高、养护不到位等原因都能导致混凝土因塑性收缩而引起表面开裂。
2.3 干缩（失水收缩）
混凝土中的水泥石处于干燥和潮湿的环境中时会产生干缩和湿胀现象，而其收缩的最大值是发生在第一次干燥之后，这种收缩和膨胀变形是部分可逆的。
混凝土的干缩变形是非常复杂的过程，影响的因素很多，比如水泥的强度等级、水泥的用量、水泥的标准磨细度、骨料的种类、水灰比、混凝土振捣密实的程度、构件暴露的条件、养护方法以及构件配筋率等。这些因素不仅对混凝土的收缩产生影响，同时对徐变也产生相类似影响，故一般将混凝土的收缩和徐变一并考虑。
2.4 温差收缩
当温度降低时，混凝土结构收缩，结构内将产生拉应力，温度上升时混凝土结构膨胀，则结构内产生压应力。当温度的降低与上升增大时则结构内产生的拉应力与压应力会随之增大，如果超过混凝土的抗拉、抗压强度则结构将产生裂缝。由于混凝土抗压强度高而抗拉强度非常低，故当降温温差过大时非常容易引起温度裂缝。
3 设计要点
3.1 温度应力及混凝土收缩应力分析
结构的升温温差和降温温差是指在混凝土浇筑完毕时的环境初始平均温度（设有后浇带的取后浇带封闭时候的环境初始平均温度）与使用阶段结构环境平均温度的差值。升温与降温各取最不利，即升温温差取结构环境最高平均温度与最低初始平均温度的差值、降温温差取结构环境最低平均温度与最高初始平均温度的差值。查得衡阳地区全年的平均气温为-2℃～38℃，经与业主沟通，暂定后浇带封闭时间为4月份，查得当月平均气温为16℃～23℃。故结构的升温温差为38-16=22℃，降温温差为-2-23=-25℃。
收缩当量温差是将混凝土因收缩产生的变形值换算成引起同样变形所需要的降温温差。混凝土收缩的相对变形值可按（公式①）计算。
（公式①）
式中：
—— 龄期为t时混凝土收缩引起的相对变形值；
—— 在标准试验状态下混凝土最终收缩的相对变形值，取3.24×10-4；
M —— 考虑各种非标准条件的修正系数，取1.30。
经计算，本工程?y (60) =1.90×10-4。
混凝土收缩相对变形值的当量温差可按（公式②）计算。
（公式②）
式中：
T y (t) —— 龄期为t时混凝土的收缩当量温差；
H —— 后浇带封闭时混凝土的残余应变系数，取0.40；
α —— 混凝土的线膨胀系数，取1.0×10-5。
经计算，本工程T y (60) = -7.6℃。
故本工程综合降温温差=-25-7.6=-32.6℃。
本工程采用盈建科软件进行温度荷载的计算。软件参数中勾选“生成绘等值线用数据”、“不强制采用刚性楼板假定”，“考虑收缩徐变的混凝土构件温度效应折减系数”取“0.3”，“弹性板荷载计算方式”选择“有限元计算”，“膜单元类型”选择“改进膜元(NQ6Star)”，需要计算温度作用的结构楼板属性可定义为“弹性膜”或“弹性板6”，“温度荷载”菜单下的“设置温差”中输入本工程的升温温差22℃及综合降温温差-32.6℃。计算结束后可在“设计结果”的“等值线”菜单下查看相应的计算结果。
3.2释放构件应力、合理设置施工后浇带
混凝土浇筑完毕后，前期的收缩量大，在硬化过程中将产生收缩应力。而设置施工后浇带则能有效地减少混凝土的收缩应力，缓解约束提与被约束体之间的制约，释放约束应力。混凝土的收缩是一个相当长时间的过程，一般在45天后收缩大概可以完成60%，因此在2个月后封闭后浇带对减少收缩裂缝则更为有效。
本工程每间隔30～40m设置宽度为800mm的施工后浇带。通过施工后浇带的墙、楼板钢筋采取全部断开搭接，方便各部位混凝土的自由收缩，梁的主筋如断开则引发的问题较多，故采取不断开。当两侧混凝土龄期≥60天时方可封闭施工后浇带，施工后浇带混凝土的强度等级较两侧提高一级，并选用微膨胀混凝土。
3.3 加强构造措施、采用低标号混凝土
按照温度荷载计算结果，对应力较大、应力集中部位采取配筋加强措施。地下室外墙水平分布筋除满足计算要求外，最小配筋率控制为≥0.4%且钢筋间距≤150mm，楼板洞口周边、较大凹凸处加大配筋率且采用细而密的配筋方案。
控制混凝土强度等级，墙、柱等竖向构件的混凝土强度等级≤C40，梁板等水平构件的混凝土强度等级≤C30，采用60天龄期混凝土强度。
3.4 多专业配合，加强保温隔热措施
与建筑专业配合，适当提高建筑物表面的保温隔热措施。本工程外墙均为幕墙，避免结构外露导致温差变化大，屋顶除机房及设备间部分外，其余均为上人种植屋面，作为商业露天经营及室外婚礼场地，既保证了建筑的保温隔热效果又产生了良好的经济效益。
4 施工措施
4.1 原材料控制
控制混凝土原材料品质，优先选用低水化热水泥品种，骨料粒径选用合理且级配连续。配置混凝土配合比时宜将水泥用量控制在250Kg/m3～300Kg/m3范围内，混凝土搅拌时水泥在搅拌站的入机温度不大于60℃。减水剂选用聚羧酸类，不宜掺入早强型减水剂。
4.2 施工质量控制
针对超长无缝结构施工单位应编制专项施工方案，施工前应收集当地当期环境和气象情况，做好各项施工准备。严格控制好混凝土的配合比、搅拌时间、入模时间及入模温度，宜低温入模，保证混凝土入模时的塌落度不会过大。确保混凝土浇筑时的振捣时间及振捣位置，杜绝漏振、欠振、过振情况发生。楼板混凝土在初凝前应进行二次振捣以确保密实，终凝前对表面进行二次抹压以防止表面裂缝的开展。
4.3 混凝土养护
混凝土浇筑完毕后，应及时采取合理的养护措施，结构表面覆盖并保温、保湿养护，养护时间不应少于14天，施工后浇带的合理养护时间则不应低于28天，夏季可适当延长养护时间，混凝土结构自身与外界环境的温差控制在25℃内。在混凝土的强度达到1.2MPa之前，不允许任何踩踏或施工作业。混凝土结构浇筑完毕后，地下室应尽快进行外部柔性防水层和防水保护层的施工并做好基槽回填，屋顶结构也应及时做好上面的防水层、保温层等。
5 结语
本工程自2020年3月开工，于当年12月主体工程施工完毕，目前竣工在即。整个工程已经经历一年四季的温差变化及地下水位的高低起伏，地上、地下结构均未出现影响安全及有碍观感的裂缝。经此工程实践证明本文对钢筋混凝土超长结构裂缝的分析及相应设计是可靠和有效的，为以后此类工程的结构设计积累了经验。
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[5]中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施2009（混凝土结构）[M].中国建筑工业出版社，2012
作者简介：唐福成 （1985.12—），男，本科，工程师，衡阳市建发建筑设计有限公司