建筑物的温度裂缝控制

 
时间日期:2005-2-25        已被阅读次:[2748]
 
佛山市建艺建筑设计有限企业 王学东
佛山市南海设计院 肖 栋
中国建筑科学研究院深圳分院 王伦兵

[提 要]  本文分析了建筑物的温度裂缝形成的原因,并提出了对温度效应产生的裂缝进
行控制的方法。
[关键词]  大体积混凝土 温差 配筋率 裂缝控制

  一、前言
  建筑物因收缩与温度效应引起的裂缝情况相当普遍,一些文献也作了较多探讨论述。设
计规范④规定了混凝土结构伸缩缝的最大间距。但是,符合此规定的建筑物出现裂缝者仍较
多。常见的屋面结构裂漏,孔洞、转角处的斜向裂缝,影响正常使用,降低了耐久性,梁柱
的位移推裂了墙体和饰面,在外观上造成恶劣的影响。
  二、温度裂缝的形成
  建筑物因温度效应引起的裂缝主要有以下两类:一类是大体积混凝土由于内外温差产生
温度应力引起的裂缝;另一类是建筑物屋面梁板在日照温度作用下产生的裂缝。
  大体积混凝土由于内外温差引起的温度裂缝。如某大型地下工程,长达300余米的现浇
钢筋混凝土筏式基础,每隔30~45米设置施工缝,部分区段出现30余条裂缝,个别裂缝是贯
通的,宽度达3~6mm,但亦有100余米长范围内基本上无裂缝。众所周知,新鲜混凝土具有流
动性材料的特性,随时间的增长,混凝土逐渐硬化。在这一过程中因水泥水化所产生的大量
热量使混凝土温度升高。另外,热量从混凝土表面散发,由于混凝土导热系数较低,内部热
量不易散发,混凝土内部形成温度梯度,在硬化初期,表面混凝土的收缩受到内部的约束,
从而使表面混凝土产生约束应力,当约束应力大于混凝土抗拉强度时,混凝土就会产生裂缝

  防止大体积混凝土发生温度裂缝的原则是减少混凝土内部的温度梯度。在混凝土原材料
的选择、配合比的确定以及施工工艺等方面应该全面采取措施。如:保证混凝土具有较高的
抗拉强度;选用水化热较低的水泥;适量掺用优质的粉煤灰等活性混合材料,以保证混凝土
中含有一定的胶凝材料总量的前提下尽量减少水泥用量从而减少水化热;考虑骨料的种类,
采用一部分弹性模量稍低的骨料;在施工中注意混凝土的均匀性,以提高混凝土的极限拉伸
变形等。在养护方面采用蓄水法,减少表面热量散失是减少温度梯度的一个有效措施。根据
理论分析和现场观测资料,积极从温度应力方面研究与混凝土实际变形性能相适应的一整套
温度控制措施,用以防止大体积混凝土发生有害的温度缝。
  建筑物屋面梁板由于受日照温度应力的影响产生的裂缝。图1⑥是某工程的屋面裂缝分
布情况。在屋面四角有斜向裂缝,在中央部分有平行于屋面横向的裂缝,裂缝分布范围,疏
密程度没有明显规律性。即使在纵向长度未超过规范④的伸缩缝间距规定的情况下,也出现
有多根平行于横向裂缝。在图1所示的三层单跨框架无隔热层的屋面(带裂缝)梁板上布置
温度及应变测点进行测试⑥。在常遇的较热气温34-35℃时,框架梁顶底间温差超过20℃的
时段达3小时,板顶底间温差约12℃;梁顶底间最大温差约为28℃。当气温为36℃-37℃时
梁顶底间最大温差可达32℃。
  根据叶伟年、雷预枢对日照温度荷载作用下的钢筋混凝土横向框架内力分析。由于日照
温差作用于二跨及二跨以上的横向框架顶层梁所引起弯矩比单跨大得多,在此就选择有代表
性的横向为二跨及二跨以上的顶层框架梁,分析该梁在日照温度作用下的内力计算。如图2
⑤即为某十二层框架结构横向二跨及二跨以上的顶层框架梁,因日照温度引起的内力用弹性
方法分析程序⑤算出的弯矩图。其中温度假定沿梁顶底按线性分布,梁柱抗弯刚度未作折减

  通过分析,屋面无隔热层时现浇整体式混凝土屋面板一般都会不同程度地出现裂缝。裂
缝分布范围,疏密程度也不一定呈明显规律性。这是因为屋面梁板出现裂缝的主要原因为纵
向的板内配筋多为“分布配筋”,其配筋率往往低于或接近最小配筋率,裂缝一旦出现就变
得又长又宽。由于屋面板在恒载与温度共同作用下,同时受到局部弯曲及整体弯曲作用,在
平面上二个方向与梁的约束关系也较为复杂,可能受到拉、压、扭、剪的作用。在日照强度
,降温收缩等方面比剪力墙处于更为不利的工作条件。因此,参照规范④中关于剪力墙配筋
率的说明,建议屋面板在纵向采用双层配筋,双层配筋率之和不低于0.3%。纵向次梁裂缝
较少,可不考虑温度内力。横向为单跨的顶层框架梁日照温度引起的跨中弯矩约为恒载弯矩
的20%-40%;如果未作这方面计算,按恒载弯矩的30%增大配筋是适宜的。同时要求在梁
的侧面附加纵筋间距宜为200mm-300mm,以限制梁侧裂缝的扩展。
  对于有隔热层的屋面,各类隔热层对降低屋面温差的效果各不相同,需作建筑热工计算
或参阅有关实测资料才能确定计算温差。同时考虑隔热层施工能否在屋面结构层施工完后紧
密衔接上,若相隔时间太长,日照温度内力仍需全部计入。
  三、温度裂缝的控制
  温度作用产生裂缝降低了建筑物的耐久性,应尽量避免建筑物产生温度裂缝。建筑物温
度裂缝的控制可以从以下三个方面进行。
  (一)设计方面:
  1、增配构造筋提高抗裂性能。对温度作用引起的裂缝控制,适当增大配筋是有效的。
配筋应尽可能采用小直径,小间距。采用直径8-14mm的钢筋和150mm间距是比较合理的。全
截面的配筋率不小于0.3%,应在0.3%~0.5%之间,受力筋能满足变形构造要求的,不再
增加温度筋;构造筋不能起到抗约束作用的,应增配温度筋。对于大体积混凝土应该根据其
工程施工的特点(整体浇筑或分层浇筑,泵送混凝土浇筑或非泵送混凝土浇筑等)增配承受
因水泥水化热引起的温度应力及控制温度裂缝开展的钢筋,以构造钢筋控制裂缝。对高炉基
础的圆形承台还应配置双向受拉钢筋或钢板箍。
  2、大体积混凝土避免采用高强度等级混凝土,混凝土强度等级宜在C20~C35的范围内
选用;根据工程特点,尽量利用混凝土的后期强度,如60天、90天、120天强度,即允许工
程在60天、90天或120天达到设计标号,这样就可以减少水泥用量,从而减少水化热和收缩

  3、当基础设置于岩石类地基上时,在非地震区宜在混凝土垫层上设置滑动层,滑动层
构造可采用一毡二油,尽量减少基础的约束。
  4、控制应力集中裂缝。建筑物的各种底板、立墙、顶板以及地下箱形基础和其它特殊
构筑物都可能遇到各种形状的孔洞,如圆形的、方形的、矩形的等等。还有一些结构在长度
方向遇到有断面突变的情况。在孔洞及变断面的转角部位,由于温度收缩作用,会引起应力
集中,导致裂缝的产生。应在转角或孔洞边作构造筋加强,转角处增配斜向钢筋或网片。条
件允许的话在孔洞边界设护边角钢,即使是很小的角钢(如边宽50mm)也可起到良好的抗裂
作用。
  5、大体积混凝土工程施工前,应对施工阶段大体积混凝土浇筑块体的温度、温度应力
及收缩应力进行验算,确定施工阶段大体积混凝土浇筑块体的升温峰值、里外温差及降温速
度的控制指标,制定温控施工的技术措施。其目的是为了确定温控指标(温升峰值、里外温
差、降温速度)及制定温控施工的技术措施(包括混凝土原材料的选择、混凝土拌制运输过
程中的降温措施、保温养护措施、温度监测方法等),以防止或控制有害温度裂缝(包括收
缩)的发生,确保工程质量。6、合理设置后浇缝,也可以减少施工期间的较大温差与收缩
应力。
  (二)材料方面:
  1、合理选用材料的配合比,用较低的水灰比,减少混凝土用水量和水泥用量。
  2、选用水化热较低的水泥,适量掺用优质的粉煤灰等活性材料。
  3、采用一部分弹性模量低的骨料,在施工中注意混凝土的均匀性,以提高混凝土的拉
伸变形性能等。
  (三)施工方面:
  1、根据工程具体条件,对大体积混凝土采用保温隔热法进行养护,尽量延长混凝土拆
模时间,尽可能多养护一段时间。
  2、控制水化热的升温,混凝土中心与外表面的最大温差不高于25℃~30℃;
  3、相对大块式、厚壁的混凝土工程,控制裂缝的主要因素是水化热降温引起的拉应力
,所以必须尽可能减少入模温度,薄层连续浇筑,随后采取保温养护。以减少内外温差。很
重要的一环是缓慢降温,越慢越好,为混凝土创造充分应力松驰的条件,与此同时还要使混
凝土保持良好的潮湿状态,这对增加强度和减少收缩是十分有利的。
  四、结束语
  1、提出了在日照温度作用下,屋面框架梁应考虑温度效应增加配筋,提出了屋面板构
造配筋的设计建议,提出了屋面次梁可不作温度效应的计算。
  2、对于大体积混凝土增配承受因水泥水化热引起的温度应力及控制温度裂缝开展的钢
筋,以构造钢筋控制裂缝。对高炉基础的圆形承台还应配置双向受拉钢筋或钢板箍。
  3、大体积混凝土工程应降低水化热以减少内外温差产生的拉应力。
  4、选用水化热较低的水泥及适量掺用优质的粉煤灰等活性混合材料。
  5、建筑物孔洞周边需加强配筋或加设护边角钢防止裂缝产生。
  参考文献
  [1]《结构物裂缝问题学术会议论文选集(Ⅰ)(Ⅱ)》,中国建筑工业出版社 1965

  [2]王铁梦•《建筑物的裂缝控制》,上海科学技术出版社 1993年9月
  [3]王铁梦•《工程结构裂缝控制》,中国建筑工业出版社 2000年4月
  [4]《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89),中国建筑工业出版社 1989年
  [5]叶伟年、雷预枢,日照温度荷载作用下的钢筋混凝土横向框架内力分析,混凝土结
构设计规范第五批科研课题论文 1996年3月
  [6]雷预枢等,钢筋混凝土屋面结构温度效应的研究,混凝土结构设计规范第五批科研
课题研究报告 1996年4月
     
 
 
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