混凝土结构设缝的讨论.pdf

第十九届高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 混凝土结构设缝的讨论 马宝民 沈敏霞 清华大学建筑设计研究院， 北京 1 0 0 0 8 4 提 要 工程设计中时常碰到伸缩缝最大间距与建筑立面、结构体型等的 矛盾。希望通过合理处理馄凝土 凝结收缩、热胀冷缩问 魔， 探讨单体建筑对无缝或少缝的追求。 文中提出 几点看法， 并将工程设 计中 采取的做法与同行讨论. 关健词 伸缩缝最大间距，凝结收缩， 后浇带.膨胀剂 1 前言 随着我国建筑事业的发展，建筑规模越来越大，单体建筑的尺度往往超出规范伸缩缝 最大间距很多，几乎每栋稍大一点的建筑都要碰到分缝的问 题。由 此， 经常发生分缝与好 端端的建筑立面、很有利的抗震体型取舍两难的 尴尬局面。单体无缝建筑总是被设计者渴 望追求。 此外，对混凝土规范设缝的有关条文和说明.设计者和施工图审查 者，各人理解差异 也较大。 一些设计坚持将建筑物总长基本分成规范伸缩缝最大间距长度的几块， 而另一些 设计则2 0 0 3 0 0 米不分缝。 在设计中也存在一些理解误区。 例如， 把建 筑物总长度比对伸 缩长度， 似有不妥; 把加大屋面板厚度当 作抵御混凝土温度伸缩开裂的措施，适得其反 用外加剂解决温度问题，南辕北辙。 等等。 此外，我国 混凝土规范仅用伸缩缝最大间距控制和解决凝结收缩和温度伸缩问题， 随 着科学技术的 发展， 觉得似乎 粗了 点。 本文就设缝的有关问 题谈几点意见与同行们讨论。 2目 前对三种缝的认识 传统做法用沉降缝解决不均沉降问 题，用抗震缝解决复杂体型抗震问 题， 用伸缩缝解 决混凝土凝结收缩和热胀冷缩问题。 随着工 程经验的积累，日 前对分缝的认识程度己 有很 ， ‘ 宝民.男.1 9 4 6 ,6 出 生， 工学硕士，教授级高 级工程师 第十九届高 层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 大的改 变，更趋于合理， 更趋于简便， 更趋于符合工程实际。相形之下，沉降缝、 抗震缝 机理较单一。 概念明确， 好处理一些。 而伸缩缝的设置较难处理。 2 . 1 关于沉降缝 近些年的工程实践对沉降缝的作用有了 新的认识。 通过大量的沉降观测，发现沉降缝 两侧的 沉降值并不发生突变，即使是高楼与仅有的地下室之间也是如此。高楼与裙房之间 用后浇带配合沉降观测处理沉降不均问题， 这种做法比设沉降缝更加简便而行之有效。 高 层建 筑混凝土结构技术规程 J G J 3 - 2 0 0 2 1 2 . 1 . 8 条，己认可了可以 不设永久性沉降缝的 做法。 不设 永久性的 沉降 缝， 避免了 地下 室防水、高层建筑埋深嵌固等一系列更加重要更 难处理的问 题。 这一认识是一个不小的进步。 2 . 2关于抗震缝 抗震缝是把体型不规则的建筑，用缝分成若干相对规则的体型，使之有利于抗震的做 法二 抗震缝往往设在建筑体型变化处。正因为如此，抗震缝一般容易隐蔽， 容易处理与建 筑立面的矛盾;另外，抗震缝可以只设在地面以上部分，不与地下室防水、高层建筑埋深 等地下问题发生矛盾。因 此，抗震缝的设置虽为永久缝一般并无多少难处理的问题。 2 . 3关于伸缩缝 工程设计中最容易与工程其它方面问 题发生冲突的 是伸缩缝间距超长问 题。由于伸缩 是建 筑 物开裂的 重要原因 之一， 规范[’] 说明明 确指出， 没 有充分依据和可靠 措施， 不得草 率增大伸缩缝间距。 然而伸缩缝最大间距往往与建筑立面发生尖锐冲突。设了 伸缩缝，在 地震区必要兼作抗震缝， 抗震缝的宽度与建筑高度有关， 动不动就是几公分宽的大口 子， 建筑立面确实难于接受; 有的结构如大跨度的空间 整体屋盖， 根本无法分出 伸缩缝。伸缩 缝的设置至今仍然是较难处理的事情。 似乎设缝的 做法己 不像过去规模较小、 对立面追求 较宽容时那样是受欢迎的解决问 题的 有力助手，而变成无可奈何的不受欢迎的障碍。 设置伸缩缝的规范本意是防止伸缩开裂， 准确理解规范本意，对具体工程、 具体问 题 做具体分析， 采取合理措施， 无缝或少缝单体建筑还是有可能实现的。 3 混凝土的伸缩问 题特点 这里分析混凝土伸缩的 特点。 混凝土伸缩是指凝结收缩和热胀冷缩两个过程。 下面提 出一些看法和处理措施与同 行们讨论。 3 . 1 混 凝土凝结收缩特点 混凝土 的 一个显著特性是凝结过程中 要收 缩， 一般极限收缩量约为 3 0 0 - 4 0 0 V e ，即 约 3 . 0 - 4 . 0 x 1 川 ， 泵 送的 商 品 混 凝 土 要 大 些 ， 3 年 收 缩 量 可 达5 4 0 u; 「 ，， 。 混 凝 土 凝 结 收 缩 与 时间 关系 见图1 [2 1 。由图1 可看出， 两 个月 后可以 完成收 缩量的大部 分 约3 / 4 ， 完 全 完成收缩大约需要2 年以 上。为缓和凝结收缩， 掺加膨胀剂和设置后浇带效果都很好，简 便易行，应用很广，已能基本解决工程问题。 对收缩裂缝的影响因素很多，其中最重要的 - 1 9 6- 第十九届高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 还是养护，由 于养护不好出现裂缝的事屡屡发生。 N凝土抗拉强度本来就很低， 凝结过程 同时也是强度形成过程，强度尚未完全形成之前， 混凝土十分娇嫩脆弱， 对任何内 力都十 分敏感， 稍不留意，就会产生裂缝。 这种裂缝间距常常比较均匀，比伸缩缝最大间距小得 多。 常常拆了模板才发现， 为时已晚。 对此。 增加配筋量也无大作用。 若有足够的水养护， 不仅不会收缩，甚至还会有些许膨胀. 七 协 勺 鱿 万 - r 叫川J们 一﹃ 嘴 展 毅 然 络 护- 无卜澎 派从粗段 ，斌护项硕 s x“ 驻. 缝棍以 大 屁 } 盈5 1 9 . 图1混凝土的凝结收缩 3 . 2混凝土热胀冷缩特点 同其它材料一样，混凝土也有热胀冷缩特性。 胀缩容易引 起混凝土开裂，房屋顶板、 顶层端开间、 露天挑檐等敏感部位极易胀缩开裂。 混凝土规范 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 给出了 混 凝土的 温度线膨胀系数是 1 X 1 0 / C a 3 . 3二者的不同 混凝土规范将凝固收缩和温度胀缩同归为伸缩变形，工程上用伸缩缝最大间 距控制。 但混凝土的凝结收缩与热胀冷缩在机理上是完全不同的两回事。二者的 主要区别是 凝结收缩是化学过程，温度胀缩是物理过程 凝结收缩是一次性的，温度胀缩是多次反复发生的，伴随混凝土结构终生; 凝结收缩是单向 不可逆的，只收缩不膨胀， 温度胀缩是可逆的，既可胀又可缩。 二者的共同特点是都属变形引起内力都沿连续直线发生，若直线中断， 胀缩长度应 当 另行算起。在当 量上，极限凝固收缩量约相当于2 5 - 3 0 ℃的 温差引起的收缩量。 膨胀剂、 加强带、 后浇带的 做法都只是对付凝结收缩的， 不能 用于 解决温度胀缩问 题。 3 . 5伸缩的内 力特点 结构构件伸缩引起很大的内力， 这种内力由 混凝土自 身产生，所以叫做自 内 力。 混凝 土伸缩内力有以 下特点 1 对静定结构， 伸缩是自由的， 不产生自 内力， 混凝土 不会开裂;对超静定结构， 冗余度越高自 内力越复杂，约束越牢固自 内 力越大。设计中的 结构计算内力是由 外部荷载 引起的内 力，先有外部荷载.再有内 力， 再验算内 力引起的变形。 而混凝土白内 力是先有 胀缩变形， 后有由 变形引起的内力， 若没有变形，自 然就没有自 内力。 所以变形是关键。 2 伸缩自 内力的大小随变形模最、 应变、 截面积、长 度增加而增加， 可概念性地 用下式表达 1 9 7 第十九届高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 N a ALE￡AL 。 为应力， E 为变形模量，A为截面积，￡ 为应变，L 为长度。由 此式可以看出，截面积 越大，自内 力越大.因 此，用加大屋面板厚度抵御开裂的 做法是错误的， 只会增加伸缩内 力， 适得其反。正确做法是减小混凝士截面，增大配筋量。 3 伸缩自 内 力的另一特点是沿连续直线发生。因 此，如果屋面或墙面有凹凸 变化 或中断，已 不是连续直线，伸缩内力就不能简单地取建筑物总长。所以 伸缩缝最大间距应 与混凝土连续直线长 度比 较，而不是与建筑物总长度比 较。 3 . 5混凝土强 度特点 由于混凝土的突出 特点是抗压能力强、抗拉能力差， 所以 在有约束情况下， 对于收缩 构件而言，自 身易裂对于伸胀构样而言，约束构件易裂。例如， 过长的 混凝土屋面板在 凝结过程中 和降温过 程中， 屋面板是收缩构件，受收缩引 起的轴向 拉力， 板本身抗拉强度 低，极易产生拉裂。 尤其凝结过程中强度尚未完满.更容易拉裂。 而在升温膨胀过程中屋 面板混凝土受压，即使内力不小，混凝土抗压能力强也不易开裂，倒是端部柱、墙等约束 构件额外增加了水平推力，若设防不足，容易开裂。 4 对几个工程中 常见伸缩问题的讨论 4 . 1 基础及地下室可以 不设永久缝 非桩基的 基础及地下室部分完全可以 不设永久缝。地下部分最突出的是凝结收缩问 题。 但地下部分有两大优势 第一， 对混凝土凝结收缩， 基础底板仅受到地基的摩擦约束， 可以 通过增设滑移层减小摩擦约束。具体做法是设沙层、防水层、塑料布等兼作滑移层。 垫层卜 设砂石层还可 起透水作用， 对粘土地基， 可加快完成沉降时间很多。设滑移层对摩 擦约束的减小效果明 显。 另外， 设后浇带、 掺膨胀剂也都是解决凝结收缩行之有效的办法。 地下室外墙若能与底板混凝土同时浇筑，则约束问 题与底板相同，仅受地基约束;若外墙 在底板施工完成后浇筑， 则外墙受底板约束，可用后浇带、膨胀剂办法处理。 若底板较厚 水化热不可忽视， 可分层浇筑、 人工降温、加强养护或采取其它散热措施处理。 这里还要 特别提出的 是， 地下室外墙容易出现由于养护不好引起的 凝结裂缝。 竖向 构件， 保水困难， 稍不留 意， 就会干缩开裂。地下部分的第二个有利情况是，地下环境常年温差变化很小， 温度应力也小。因 此地下室可以 不设永久缝，这样会带来很多好处和极大方便。 4 . 2屋顶部分 屋顶直 接正面接触阳光、 雨、 雪， 最突出的是温度胀缩变形。 在房屋寿命的儿十年中， 屎面面对的 高低温差可高达7 0 8 0 “C ， 胀缩反复次数也很多。 所以，也许还有疲劳问题， 疲劳 会 使混 凝 土强度降 低达5 0 屋面板M度胀缩问 题比 其它楼层板人得多， 往 往是房 尿设 缝的控 制因素。 然而屋顶的形式多数不是平板一块， 有的局部凸 起、凹下、收进、 错 层， 有的局部用不同 材料，如钢网架、采光亮顶等。因 此，不能简单用建筑物长 度判断， 1 9 8 第一 } 」 九届高 层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 结合屋顶具体情况做具体分析是必要的。 解决屋顶温度胀缩问题的 常用措施有加厚保a层、 设隔热通风层、设 直通加强钢筋、 施加预应力、音叉柱分缝等。 这些多数都是有效办法， 但有的成本偏高， 有的技术要求高， 有的 麻烦。笔者在此另提出 三种做法供参考。 l 在屋顶安装太阳能板， 将制造破坏性温差的能源转变为有益能源， 隔热效果类似 通风隔热板。太阳能热水应用已 很普 遍，在技术及成本方面已 不存在障碍，太阳能空调、 发电 也已 有成功技术.只是成本还较高。 2 从建筑方案时就在适当 位置布置稍小开间的柱网 〔 如- 6 m ， 到屋顶层时 两边相 向挑出， 仅顶层断开设 伸缩缝。 有点类似音叉柱。 屋面防水、保 温照做， 从建筑效果看不 出分缝痕迹。 笔者在某超长 办公楼设计中使用了 这种做法， 简便， 无矛盾。 现正在施工中。 3 板断梁不断。在屋面板必要位置仅将混凝土板断开 可夹木条 ， 梁不断开，并 在该跨梁中 增加温度钢筋。因 梁所处环境比 板好， 伸缩温差小， 截面积也小得多， 但梁在 整体结构中的作用比 板重要得多，断梁难处理，只要梁不断开结构 就没有矛盾。 板断开， 相当于屋面伸缩混凝土截面积减小了7 0 8 0 以上， 伸缩自内 力也 就减小了7 0 8 0 . 4 . 3外墙 外墙虽然裸露在室外环境中， 但外墙应付伸缩变形的能力较强。框架、框剪结构的外 墙一般为混凝土梁柱间嵌砌空 心砌块，这种做法的间隙潜在有很大的伸缩空间。另外，外 墙多 数情况开有较大较多的窗口，因而外墙的变形并不连续。 外墙面多数有装修， 有的还 有外保温。干挂石材墙面实际上相当 于一个隔热通风层。因此， 外墙的伸缩变形事实上不 会有太大问 题。 4 . 4楼板 楼板在室内， 工作环境要好得多，温度变形问 题不突出。 但凝结收缩问 题依然存在。 楼板也有自 己的特点，楼梯间、电 梯间、吹拔、天井等大开洞把楼板分割成不规则的忽断 忽连的复杂形状; 有剪力墙的结构， 剪力墙对楼板变形的约束刚 度很大; 对像剧场这样的 空旷房屋.大面积无楼板， 沿外圈可能有狭长的一条楼板。对楼板的凝结收缩，膨胀剂、 后浇带和良 好的养护都是有效措施， 无须设永久缝. 但对复杂形状板的角部， 特别是阴角 应适当增设构造钢筋。 4 .5预应力抗裂 用预应力抵抗温度变形裂缝无疑效果很好， 但预应力成本高， 技术复杂，多一项专门 工种，只有特别需要时才使用。 4 . 6结构型 式与设 缝 不同的结构型式对伸缩裂缝的反应应有较大不同， 如框架结构比剪力墙结构调整伸缩 变形能力要强得多， 框架柱对楼板约束刚度远小于剪力墙，填充墙间隙也有较大的伸缩空 间，应区别对待，采取不同的伸缩缝最大间 距. 4 .7裂缝原因 及其它 除了 长 度以 外引 起混凝土结构裂缝的原因 还有许多 养护、 水 泥品 种、 水泥用量、 骨 料变形模量、 骨料粒径、级配、 水灰比、 稠度、 保水性、 密实度、 添加剂、 温湿度、龄期、 1 9 9 第十九届高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 气候 等。 调查 表明 『 “ , 8 0 的 裂 缝都不是 外力荷载引 起的裂 缝。 混凝土带缝工作 是正 常情 况， 钢筋混凝土受弯构件试验表明， 不到最大承载力的2 0 时混凝土即己 开裂， 混凝土构 件使 用的 阶段实际是 裂 缝开展以 后的阶段。 有资 料13 1称实践表明 裂缝有自 愈 合能 力， 0 .2 m m 宽的 裂缝， 开始时渗水5 L / h ， 一年后减为l o m u e 混凝土的一大特点是自 身的 胶凝体和微 裂缝有自 我调整内 力分布的能力，这种能力对协调结构内 力关系很有好处。因此，裂缝并 不都是坏事，只是在裂缝较宽时才是坏事。 对裂缝宽度要有限制， 主要是保证混凝土的耐 久性. 然而我国对裂缝的计算结果偏大， 对裂缝的严重性看得偏重。 对于裂缝除从结构控制外，还可以 考虑表面涂层堵缝的办法处理。 4 结束语 调查表明G J ， 不 超长结构绝大 部分没有 严重问 题 超长结构， 甚至有的 超出 很多 也未 出 现问 题; 但也有一些结构不超长而出 现较大裂缝。这一事实从另一角度看， 说明 伸缩缝 最大间 距这一因素对裂缝不是敏感因素。 裂缝、 抗展、建筑立面、建筑成本都是设计要考 虑的 重要因素，但权重可有所区别，综合考虑是必要的。 参考文献 [ I ] 中国建筑科学研究院，混凝土结构设计，中国建筑工业出版社，2 0 0 3 . 1 1 【 幻 滕智明， 钥筋混凝土基本构件，清华大学出 版社，1 9 8 5 [ 3 ] 游宝坤， 裂缝控制与防水新技术， [ 4 ] 中 华人民 共和国国家 标准， 混凝土结构设计规范， G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 2 0 0