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佛山市建藝建筑設(shè)計(jì)有限公司 王學(xué)東
佛山市南海設(shè)計(jì)院 肖 棟
中國建筑科學(xué)研究院深圳分院 王倫兵
[提 要] 本文分析了建筑物的溫度裂縫形成的原因，并提出了對溫度效應(yīng)產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行控制的方法。
[關(guān)鍵詞] 大體積混凝土 溫差 配筋率 裂縫控制
一、前言
建筑物因收縮與溫度效應(yīng)引起的裂縫情況相當(dāng)普遍，一些文獻(xiàn)也作了較多探討論述。設(shè)計(jì)規(guī)范④規(guī)定了混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距。但是，符合此規(guī)定的建筑物出現(xiàn)裂縫者仍較多。常見的屋面結(jié)構(gòu)裂漏，孔洞、轉(zhuǎn)角處的斜向裂縫，影響正常使用，降低了耐久性，梁柱的位移推裂了墻體和飾面，在外觀上造成惡劣的影響。
二、溫度裂縫的形成
建筑物因溫度效應(yīng)引起的裂縫主要有以下兩類：一類是大體積混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生溫度應(yīng)力引起的裂縫；另一類是建筑物屋面梁板在日照溫度作用下產(chǎn)生的裂縫。
大體積混凝土由于內(nèi)外溫差引起的溫度裂縫。如某大型地下工程，長達(dá)300余米的現(xiàn)澆鋼筋混凝土筏式基礎(chǔ)，每隔30～45米設(shè)置施工縫，部分區(qū)段出現(xiàn)30余條裂縫，個(gè)別裂縫是貫通的，寬度達(dá)3～6mm,但亦有100余米長范圍內(nèi)基本上無裂縫。眾所周知，新鮮混凝土具有流動(dòng)性材料的特性，隨時(shí)間的增長，混凝土逐漸硬化。在這一過程中因水泥水化所產(chǎn)生的大量熱量使混凝土溫度升高。另外，熱量從混凝土表面散發(fā)，由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，內(nèi)部熱量不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部形成溫度梯度，在硬化初期，表面混凝土的收縮受到內(nèi)部的約束，從而使表面混凝土產(chǎn)生約束應(yīng)力，當(dāng)約束應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。
防止大體積混凝土發(fā)生溫度裂縫的原則是減少混凝土內(nèi)部的溫度梯度。在混凝土原材料的選擇、配合比的確定以及施工工藝等方面應(yīng)該全面采取措施。如：保證混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度；選用水化熱較低的水泥；適量摻用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰等活性混合材料，以保證混凝土中含有一定的膠凝材料總量的前提下盡量減少水泥用量從而減少水化熱；考慮骨料的種類，采用一部分彈性模量稍低的骨料；在施工中注意混凝土的均勻性，以提高混凝土的極限拉伸變形等。在養(yǎng)護(hù)方面采用蓄水法，減少表面熱量散失是減少溫度梯度的一個(gè)有效措施。根據(jù)理論分析和現(xiàn)場觀測資料，積極從溫度應(yīng)力方面研究與混凝土實(shí)際變形性能相適應(yīng)的一整套溫度控制措施，用以防止大體積混凝土發(fā)生有害的溫度縫。
建筑物屋面梁板由于受日照溫度應(yīng)力的影響產(chǎn)生的裂縫。圖1⑥是某工程的屋面裂縫分布情況。在屋面四角有斜向裂縫，在中央部分有平行于屋面橫向的裂縫，裂縫分布范圍，疏 密程度沒有明顯規(guī)律性。即使在縱向長度未超過規(guī)范④的伸縮縫間距規(guī)定的情況下，也出現(xiàn)有多根平行于橫向裂縫。在圖1所示的三層單跨框架無隔熱層的屋面（帶裂縫）梁板上布置溫度及應(yīng)變測點(diǎn)進(jìn)行測試⑥。在常遇的較熱氣溫34－35℃時(shí)，框架梁頂?shù)组g溫差超過20℃的時(shí)段達(dá)3小時(shí)，板頂?shù)组g溫差約12℃；梁頂?shù)组g最大溫差約為28℃。當(dāng)氣溫為36℃－37℃時(shí)梁頂?shù)组g最大溫差可達(dá)32℃。
根據(jù)葉偉年、雷預(yù)樞對日照溫度荷載作用下的鋼筋混凝土橫向框架內(nèi)力分析。由于日照溫差作用于二跨及二跨以上的橫向框架頂層梁所引起彎矩比單跨大得多，在此就選擇有代表性的橫向?yàn)槎缂岸缫陨系捻攲涌蚣芰?，分析該梁在日照溫度作用下的?nèi)力計(jì)算。如圖2⑤即為某十二層框架結(jié)構(gòu)橫向二跨及二跨以上的頂層框架梁，因日照溫度引起的內(nèi)力用彈性方法分析程序⑤算出的彎矩圖。其中溫度假定沿梁頂?shù)装淳€性分布，梁柱抗彎剛度未作折減。
通過分析，屋面無隔熱層時(shí)現(xiàn)澆整體式混凝土屋面板一般都會(huì)不同程度地出現(xiàn)裂縫。裂縫分布范圍，疏密程度也不一定呈明顯規(guī)律性。這是因?yàn)槲菝媪喊宄霈F(xiàn)裂縫的主要原因?yàn)榭v向的板內(nèi)配筋多為“分布配筋”，其配筋率往往低于或接近最小配筋率，裂縫一旦出現(xiàn)就變得又長又寬。由于屋面板在恒載與溫度共同作用下，同時(shí)受到局部彎曲及整體彎曲作用，在平面上二個(gè)方向與梁的約束關(guān)系也較為復(fù)雜，可能受到拉、壓、扭、剪的作用。在日照強(qiáng)度，降溫收縮等方面比剪力墻處于更為不利的工作條件。因此，參照規(guī)范④中關(guān)于剪力墻配筋率的說明，建議屋面板在縱向采用雙層配筋，雙層配筋率之和不低于0.3％?？v向次梁裂縫 較少，可不考慮溫度內(nèi)力。橫向?yàn)閱慰绲捻攲涌蚣芰喝照諟囟纫鸬目缰袕澗丶s為恒載彎矩的20％－40％；如果未作這方面計(jì)算，按恒載彎矩的30％增大配筋是適宜的。同時(shí)要求在梁的側(cè)面附加縱筋間距宜為200mm－300mm，以限制梁側(cè)裂縫的擴(kuò)展。
對于有隔熱層的屋面，各類隔熱層對降低屋面溫差的效果各不相同，需作建筑熱工計(jì)算或參閱有關(guān)實(shí)測資料才能確定計(jì)算溫差。同時(shí)考慮隔熱層施工能否在屋面結(jié)構(gòu)層施工完后緊密銜接上，若相隔時(shí)間太長，日照溫度內(nèi)力仍需全部計(jì)入。
三、溫度裂縫的控制
溫度作用產(chǎn)生裂縫降低了建筑物的耐久性，應(yīng)盡量避免建筑物產(chǎn)生溫度裂縫。建筑物溫度裂縫的控制可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行。
?。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)方面：
1、增配構(gòu)造筋提高抗裂性能。對溫度作用引起的裂縫控制，適當(dāng)增大配筋是有效的。配筋應(yīng)盡可能采用小直徑，小間距。采用直徑8－14mm的鋼筋和150mm間距是比較合理的。全截面的配筋率不小于0.3％，應(yīng)在0.3％～0.5％之間，受力筋能滿足變形構(gòu)造要求的，不再增加溫度筋；構(gòu)造筋不能起到抗約束作用的，應(yīng)增配溫度筋。對于大體積混凝土應(yīng)該根據(jù)其工程施工的特點(diǎn)（整體澆筑或分層澆筑，泵送混凝土澆筑或非泵送混凝土澆筑等）增配承受因水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力及控制溫度裂縫開展的鋼筋，以構(gòu)造鋼筋控制裂縫。對高爐基礎(chǔ)的圓形承臺(tái)還應(yīng)配置雙向受拉鋼筋或鋼板箍。
2、大體積混凝土避免采用高強(qiáng)度等級混凝土，混凝土強(qiáng)度等級宜在C20～C35的范圍內(nèi)選用；根據(jù)工程特點(diǎn)，盡量利用混凝土的后期強(qiáng)度，如60天、90天、120天強(qiáng)度，即允許工程在60天、90天或120天達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)號，這樣就可以減少水泥用量，從而減少水化熱和收縮。
3、當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)置于巖石類地基上時(shí)，在非地震區(qū)宜在混凝土墊層上設(shè)置滑動(dòng)層，滑動(dòng)層構(gòu)造可采用一氈二油，盡量減少基礎(chǔ)的約束。
4、控制應(yīng)力集中裂縫。建筑物的各種底板、立墻、頂板以及地下箱形基礎(chǔ)和其它特殊構(gòu)筑物都可能遇到各種形狀的孔洞，如圓形的、方形的、矩形的等等。還有一些結(jié)構(gòu)在長度方向遇到有斷面突變的情況。在孔洞及變斷面的轉(zhuǎn)角部位，由于溫度收縮作用，會(huì)引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。應(yīng)在轉(zhuǎn)角或孔洞邊作構(gòu)造筋加強(qiáng)，轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋或網(wǎng)片。條件允許的話在孔洞邊界設(shè)護(hù)邊角鋼，即使是很小的角鋼（如邊寬50mm）也可起到良好的抗裂作用。
5、大體積混凝土工程施工前，應(yīng)對施工階段大體積混凝土澆筑塊體的溫度、溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，確定施工階段大體積混凝土澆筑塊體的升溫峰值、里外溫差及降溫速度的控制指標(biāo)，制定溫控施工的技術(shù)措施。其目的是為了確定溫控指標(biāo)（溫升峰值、里外溫差、降溫速度）及制定溫控施工的技術(shù)措施（包括混凝土原材料的選擇、混凝土拌制運(yùn)輸過程中的降溫措施、保溫養(yǎng)護(hù)措施、溫度監(jiān)測方法等），以防止或控制有害溫度裂縫（包括收縮）的發(fā)生，確保工程質(zhì)量。6、合理設(shè)置后澆縫，也可以減少施工期間的較大溫差與收縮應(yīng)力。
（二）材料方面：
1、合理選用材料的配合比，用較低的水灰比，減少混凝土用水量和水泥用量。
2、選用水化熱較低的水泥，適量摻用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰等活性材料。
3、采用一部分彈性模量低的骨料，在施工中注意混凝土的均勻性，以提高混凝土的拉伸變形性能等。
（三）施工方面：
1、根據(jù)工程具體條件，對大體積混凝土采用保溫隔熱法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，盡量延長混凝土拆模時(shí)間，盡可能多養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間。
2、控制水化熱的升溫，混凝土中心與外表面的最大溫差不高于25℃～30℃；
3、相對大塊式、厚壁的混凝土工程，控制裂縫的主要因素是水化熱降溫引起的拉應(yīng)力，所以必須盡可能減少入模溫度，薄層連續(xù)澆筑，隨后采取保溫養(yǎng)護(hù)。以減少內(nèi)外溫差。很重要的一環(huán)是緩慢降溫，越慢越好，為混凝土創(chuàng)造充分應(yīng)力松馳的條件，與此同時(shí)還要使混
凝土保持良好的潮濕狀態(tài)，這對增加強(qiáng)度和減少收縮是十分有利的。
四、結(jié)束語
1、提出了在日照溫度作用下，屋面框架梁應(yīng)考慮溫度效應(yīng)增加配筋，提出了屋面板構(gòu)造配筋的設(shè)計(jì)建議，提出了屋面次梁可不作溫度效應(yīng)的計(jì)算。
2、對于大體積混凝土增配承受因水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力及控制溫度裂縫開展的鋼筋，以構(gòu)造鋼筋控制裂縫。對高爐基礎(chǔ)的圓形承臺(tái)還應(yīng)配置雙向受拉鋼筋或鋼板箍。
3、大體積混凝土工程應(yīng)降低水化熱以減少內(nèi)外溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力。
4、選用水化熱較低的水泥及適量摻用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰等活性混合材料。
5、建筑物孔洞周邊需加強(qiáng)配筋或加設(shè)護(hù)邊角鋼防止裂縫產(chǎn)生。
參考文獻(xiàn)
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