超长混凝土结构设计与实际应用的探讨

【摘 要】随着我国经济科技不断发展，人民对生活活动场所所的需求样式与质量越来越多样化，在一些大型的地下工程、公共建筑、单元住宅等工程设计中常常因为建筑立面、工程防水、自身平面结构单元建筑等原因而不能设置变形缝，其长度或宽度尺寸超出了国家设计规范规定的限值，便形成超长结构。超长结构的无缝设计对设计和施工都会带来一些困难，如果处理不当会影响工程的总体质量，引发结构安全事故，以下就结合本人工作经历进行论述。

【关键词】混凝土；结构设计；控制方法

1.超长结构设计与施工常见问题

根据大量工程施工实践显示，影响混凝土见解裂缝的因素很多，不确定性很大，而且间接作用的影响还有增大的形势，在实际工程中主要存在三个方面的问题：

（1）在混凝土施工浇筑过程中水泥水化热使混凝土内外温差在结构内部产生压应力，表面产生拉应力。当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面产生裂缝。另外在混凝土降温阶段混凝土逐渐散热冷却产生冷缩，加上混凝土硬化过程中本身的收缩，就会产生较大的收缩应力，当超过混凝土的极限抗拉强度时也会产生裂缝，有的时候还好贯彻整个截面。

（2）环境温度的变化引起的结构材料自身的热胀冷缩所产生的一种温度应力，这种应力存在工程施工阶段和工程完工的使用阶段，混凝土收缩和温度变化，这种简洁作用引起的变形和位移对于超静定混凝土结构可能引起很大的约束力，导致结构构件开裂，甚至使得结构受力形态发生改变。

（3）超长结构的另外一个问题就是结构太长，当兼职场地地质情况复杂深度相差较大时，结构两端的沉降差会很大，如果不设置沉降又未采取相应构造措施时，构造就会倾斜或产生裂缝。超长结构采取有效措施后可避免发生裂缝，如何控制、如何避免结构裂缝在超长结构设计中是很重要的，裂缝控制是一项综合性很强的系统工程，设计到设计方法，建筑造型，结构形式与构造、施工工艺、建筑材料、气候环境、工程地质等各种因素。在设计中应综合考虑个方面因素，采取合理的构造措施。

2.超长建筑无缝设计的控制方法

在不设置永久沉降缝的情况下，不均匀沉降的控制是工程设计关键技术之一，为了有效控制差异沉降，并达到安全、经济的目标，采取以下各项措施：

2.1 控制绝对沉降量

主楼荷载大，裙房部分荷载小，纯地下室区域处于抗浮状态，各区域荷载差异极大，对不均匀沉降十分敏感。因此设计应采用变刚度调平理念，用不同桩参数和桩密度来强化主楼基础，弱化裙房和纯地下室基础，达到减小主楼与裙房和纯地下室的差异沉降。弱化裙房和纯地下室基础，采用桩长相对较短、持力层较弱的桩基，在主楼沉降的同时，带动相邻跨较弱的裙房或纯地下室基础产生部分沉降，从而在高低层过渡区形成缓和沉降曲线，减少沉降量突变造成的不良影响。这一原理已在以往的工程沉降实测中得到了验证。

2.2 设置调节沉降差的沉降后浇带

主楼与裙房和纯地下室的结构及基础设计成整体，但在施工时用沉降后浇带把两部分暂时断开，一般待主楼结构施工完毕，但若有沉降观测，根据观测结果证明主楼结构的沉降在主楼结构完工之前已趋于稳定，也可适当提前或当主楼与裙房之间的沉降差小于设计或规范要求，然后再采用微膨胀混凝土浇灌沉降后浇带，将高低层连成整体。沉降后浇带的设置旨在通过沉降后浇带封闭前，主楼沉降可以大部分独立完成，以降低主裙楼之间的沉降差，使主裙楼之间的差异沉降控制在可以接受的程度。设置“沉降后浇带”的基础，设计时应考虑两个阶段不同的受力状态，分别进行内力分析。设置沉降后浇带的大底盘高层建筑的沉降分析，应分两阶段进行：沉降后浇带封闭前，应根据沉降后浇带设置位置，按几个分块独立建筑，考虑其相互影响，按《建筑地基基础设计规范》的方法计算其变形；沉降后浇带封闭后，根据《建筑地基基础设计规范》规定，在同一整体大面积基础上建有多栋高层和低层建筑时，按照上部结构、基础与地基的共同作用进行变形计算。考虑上下共同作用来协调多塔楼结构的不均匀沉降，使得筏板内力更趋均匀，差异沉降有效减少，设计更合理、更符合实际情况、更经济。

2.3 预先设定标高差

经沉降计算，把主楼标高定得稍高，裙房或纯地下室标高定得稍低，预留两者沉降差，使最后两者实际标高基本一致。

3.混凝土收缩应力和温度应力控制方法

对于超长结构的无缝设计，一般的设计思路是：抗放兼备、以抗为主的原则。新浇混凝土在硬结过程中会收缩，已建成的结构温度变化时会热胀冷缩，在正常养护条件下施工后的头1～2个月混凝土硬结收缩量占年收缩量的45%～75%；而温度变化对结构的作用则是经常的，当这两种变形受到约束后，在结构内部就会产生收缩应力和温度应力，当这两种应力分别超过混凝土抗拉强度时就会导致混凝土开裂而形成收缩裂缝或温度裂缝，引起渗漏水。在不设永久伸缩缝的情况下，有：

3.1 设置施工后浇带

施工后浇带是传统的做法，通常每隔30m～40m左右设置一道1m宽后浇带，以消化收缩变形，减少混凝土收缩应力，上述后浇带一般在其两侧结构施工完成45d～两个月后，采用比后浇带两侧混凝土强度等级高一级的微膨胀混凝土进行浇筑。

3.2 设置施加预应力

对于超长大型地下室底板、侧墙及顶板采用预应力混凝土可降低结构钢筋及混凝土的用量，提高了结构的刚度及抗裂性能。对混凝土结构适当施加预压应力，用以抵消由于温度、收缩等原因产生的拉应力，从而达到控制甚至避免结构开裂的目的。其既可提高地下室的防水抗渗性能，也能免除伸缩缝的留设；扩大地下室柱网，提高了工程的实际使用面积和空间布置的灵活性，从而改善了建筑物的使用功能。

3.3 配筋控制

构件配筋考虑温度影响，且适当提高构件最小配筋率：

（1）基础底板及地下室顶板的最小配筋率控制在0.3%左右（双层双向），中楼板控制在0.25%左右（双层双向）。

（2）梁的腰筋配筋率，控制在每侧0.20%；且腰筋细而密，间距控制在150mm以内。

3.4 添加抗裂纤维

混凝土作为抗压强度高、成本低廉、应用最为广泛的建筑材料，存在着固有的弱点-抗拉强度低、抗裂性差、韧性小等，因此也限制了混凝土性能的充分发挥。目前，在混凝土中添加纤维来提高混凝土耐收缩断裂性（如钢纤维、合成纤维、天然纤维等）是近年来研究和应用最为广泛的途径之一。考虑到经济的因素，在以往的工程中掺加价格较低的聚丙烯纤维，取得了预期的效果。所以，在不采用预应力的情况下，在受气温和约束影响较大的地下室侧墙及地下室顶板添加聚丙烯纤维。

3.5 材料和施工质量控制

混凝土原材料应采用低收缩、低水化热水泥，控制水泥用量，掺入适当的粉煤灰和外加剂、控制水灰比。控制砂石骨料含泥量和级配、合理选择混凝土配合比。施工应注意控制混凝土外加剂的品种、质量和剂量。

4.结束语

总之作为设计人员应根据不同的工程采取相应的措施，不断摸索出具有针对性的设计方案，这是我们作为一名合格的设计人员责无旁贷的责任。

参考文献：

[1]美国混凝土协会规范.AC1318.

[2]陶学康.后张预应力混凝土设计手册.北京：中国建筑工业出版社.

[3]徐焱，苏文元.超长结构中预应力的应用.新世纪预应力技术创新学术交流会论文集.