浅析混凝土施工中裂缝控制的施工技术

摘要:随着我国建筑行业的蓬勃发展,建筑师对不设缝的混凝土结构的长度要求越来越高。国规范规定了伸缩缝最大间距,同时规定,采取一定的措施后可以超过55m。随着计算分析手段以及材料科学的不断进步,结构工程师有可能在一定限度内设计出远超过现行规范所规定的伸缩缝间距的超长混凝土结构。

关键词:建筑施工；混凝土;裂缝控制；施工技术

1、工程概况

工程分为A、B、C、D四个区,其中A、B区主体相连,长148.1m,宽24.4m。为有效抵抗温度收缩应力,在A、B区地下一层墙体、地下一层顶板、三、五、十五层顶板采用无粘结预应力施工技术。预应力筋采用1860级钢绞线,钢绞线结构1×7,直径D=15.20mm,面积140mm2,伸长率≥3.5%,无粘结塑料皮厚度0.8～1.2mm,张拉控制应力为0.75fptk,混凝土强度达到100%后方张拉预应力筋,张拉施工采用应力应变双控。张拉端锚具采用夹片式锚具,固定端采用挤压式锚具,均采用DZM系列锚具。按规范要求,锚具采用I类锚具:锚具效率系数ηA≥0.95,试件破断时的总应变εu≥2%。

该工程的基本特点有:

(1)超大面积、超长度连续预应力楼板结构的设计施工在国内少见,后张预应力结构内力及变形的设计、施工、质量控制复杂;

(2)为解决超长超宽楼板混凝土的收缩问题,楼板设置了后浇带,预应力筋的二次设计、施工及张拉与施工流水相结合,施工质量控制难度大。

(3)后浇带的设置数量及后浇带混凝土的浇筑时间、预应力的张拉时间的设定对混凝土有效应力的建立影响较大,同时,混凝土的配合比设计、混凝土材料选择、钢筋的设置、混凝土的养护等因素对无缝设计施工的影响也很大。

2、该工程中几项关键技术

2.1预应力钢绞线固定

该工程中混凝土楼板设计为多跨连续双向板,无粘结预应力筋需要配置成两个方向的悬垂曲线.无粘结预应力筋相互穿插,施工操作较难。所以在施工前应计算出各向无粘结筋各搭接点的标高并作比较,将标高点低于与其相交的各筋的无粘结筋先放置,按此规律编出全部无粘结筋的铺设顺序。无粘结预应力筋的铺设,通常是在底部钢筋铺设后进行,水电管线一般宜在无粘结筋铺设后进行,且不得将无粘结筋的竖向位置抬高或压低,支座处的负弯矩钢筋通常是在最后铺设。

无粘结预应力筋应严格按设计要求的曲线开头就位并固定牢固,其垂直方向位置可用支撑钢筋或马凳控制,其间距为1～2m,无粘结筋的水平位置在图中用铁马凳固守好。在支座部位,无粘结筋可直接绑扎在梁或墙的顶部钢筋上;在跨中部位,无粘结筋可直接梆扎在板的底部钢筋上。

(1)锚固端的固定。预应力钢筋的锚固端一般设置于构件的端部或中部。无粘结预应力筋的锚固端采用挤压锚具采取内埋式做法(见图1)。对多根无粘结预应力筋,为避免内埋或锚固端拉力过于集中致使混凝土开裂,可采取错开位置锚固,分段张拉,预应力筋的张拉端应设在板面的凹槽处,其锚固端埋设在板内。在预应力筋搭接处,由于无粘结筋的有效高度减少而影响到混凝土的抗弯能力,在锚具附近的混凝土将产生拉应力,当拉应力引起的应变超出混凝土允许应变值时将产生裂缝,此时需增加一些非预应力钢筋来补足(见图2)。锚固位于柱端时,应考虑锚具的形状和尺寸,避免与柱钢筋相碰。同时锚固端应采取构造措施避开梁柱核心区,以减少对节点核心区的削弱。

图1无粘结预应力筋锚固端图2无粘结预应力筋搭接铺设图3无粘结预应力筋板面张拉节点大样分段张拉构造端节点大样。

(2)张拉端固定。张拉端模板应按施工图中规定的无粘结预应筋的位置钻孔,张拉端的承压板应采用钉子固定在端模板上或用点焊固定在钢筋上。无粘结预应力曲线或折线筋末端的切线应与承压板相垂直,曲线段的起始点至张拉端锚固点应有不少于300mm的直线段。凹口采用塑料、泡沫或木块等形成(见图3)。

2.2预应力钢筋张拉前的混凝土裂缝控制

(1)合理留设后浇带,避免在预应力开始工作前结构出现收缩裂缝。留设后浇带对减少混凝土收缩的影响十分重要。一般混凝土浇筑24～30h达最高温度(比入模温度高约30～35℃),此时水化热温差最大,10～30d降至周围温度,此期间混凝土产生15%～25%的收缩,此为“早期裂缝活动期”。往后3～6个月,混凝土收缩完成60%～80%,可能出现“中期裂缝”。一年左右,混凝土收缩完成95%,可能出现“后期裂缝”。在正常施工条件下,后浇带间距20～30m,保留40～60d(“早期温差”及至少30%的收缩已完成)。但后浇带间距小会造成施工时间过长、锚具使用过多,根据施工经验,采用早期张拉部分预应力筋的方法,后浇带的间距可为50～80m。后浇带留的时间最好为2个月,不宜少于6周,使得混凝土充分收缩之后再封后浇带,以减少混凝土后期的收缩。同时应充分认识到混凝土早期膨胀大,后期的收缩也大,混凝土更容易开裂。考虑结构强度安全,膨胀不能太大。可选用膨胀率不大但后期收缩小的添加剂(在混凝土中加入适量的UEA膨胀剂),并应注意添加剂的使用对混凝土养护的要求。

(2)减少收缩变形的约束力,也就是减少混凝土收缩变形由于约束产生的拉应力,拉应力减少到低于混凝土抗拉强度时,就不会出现裂缝破坏。解决约束问题可以采用滑动约束,基面可采用橡胶板,也可根据摩阻力系数为定值时,摩阻力由正压力决定的原理,可将滑动面做成向混凝土收缩滑动方向倾斜,将垂直压力分解为水平向滑动分力及与滑动面垂直分力,有效地减少预应力混凝土结构向内滑动的约束力,可经过试验与计算确定倾斜角度,也可在橡胶垫板上涂硅脂等剂,减少摩擦系数,以保证摩阻约束应力,低于混凝土的抗拉应力。

2.3施工程序的优化

通过现场施工的实践,可以归纳出以下的预应力施工顺序具有合理性:

张拉施工应安排在混凝土强度已达到或接近设计强度。如一次性张拉到位,会造成板体反拱较大,甚至造成跨中顶部混凝土开裂。

解决途径一:可先张拉部分预应力筋或张拉力取50%σcon,待模板完全拆除后完成lO0%的张拉,但这样将会大大延长工期。

解决途径二:进行100%张拉.但需在张拉过程中堆载,控制板体反拱量,至施工完毕逐渐去除堆载。

在一般情况下,预应力筋张拉应按(JGJ92-2004)《无粘结预应力混凝土结构技术规程》613的规定进行。但是,预应力筋与孔道壁的摩阻,不仅仅与管道的长度有关,而且还与管道的成型方式、曲率半径有较大的关系,同时张拉端还有钢筋回缩产生的应力损失。因此,在某些情况下,采用一端张拉比两端张拉还要有利,再者从施工角度考虑,一端张拉方式张拉次数少,施工也较简便。

预应力筋的张拉顺序应符合设计要求,当设计无具体要求时,可采用分批、分阶段对称张拉,以免构件往过大的偏心压力下侧面开裂。同时应尽量减少张拉设备移动次数。分批张拉时应分批计算张拉的强应力损失值,分别加到先行张拉预应力筋的张拉控制应力值内。预应力筋张拉锚固时.无论采用何种锚具,都会产生预应力筋的回缩,引起预应力损失。施工过程中,可从以下三方面对该项损失作出补偿:

(1)对预应力钢筋适度超张拉,然后锚固;

(2)在钢筋张拉锚固后,利用撑脚将张拉千斤顶直接支撑在梁端混凝土上,再张拉钢筋.然后在锚具垫板之间加上适当厚度的钢垫片;

(3)从锚夹具的结构上考虑.采用回缩量小的螺纹式锚具,或者在回缩量较大锚具外四周加上螺纹、螺帽,采用二次张拉,同样可以克服由于回缩造成的预应力损失。

2.4耐久性处理

预应力混凝土结构的耐久性问题是用户非常关心的问题。由荷兰和美国工程师组成的小组对一座建于20世纪80年代28层使用无粘结预应力钢筋的楼盖进行了调查。在预应力筋曲线底部位置凿小洞并刮去塑料油脂,对预应力筋的腐蚀程度进行了调查,发现预应力筋从完全没有腐蚀到产生严重腐蚀的状态均存在。其结论为无粘结钢筋存在油脂干枯受腐蚀严重问题,主要原因是浇注混凝土时,端部密封不严使水渗入造成预应力钢筋腐蚀。为了有效保证预应力混凝土结构的耐久性,避免预应力钢筋的腐蚀,在施工中采用了以下措施:

(1)对于预应力筋张拉端外露锚具的情况,用砂轮切割机切断,保留在锚具外侧的外露预应力筋长度不应小于3cm,进行防腐后套上护套。

(2)在张拉端,应将预应力筋的外塑料皮距端头400～60Omm先割断,待节点组装后,再将塑料包皮套穿在预应力筋上,以防止浇筑混凝土时,的预应力筋与混凝土粘连。

(3)后浇带支模后采用高一级微膨胀混凝土浇筑,要求处理好接茬,混凝土振捣密实。

(4)对于张拉端外露的锚具,在支模后采用C40微膨胀混凝土浇筑并振捣密实。

3、结语

(1)该工程超长、大面积楼板不设缝,设计采用无粘结预应力,合理设置后浇带与采用补偿收缩混凝土相结合,施工中严格控制材料、施工工艺要点,有效地杜绝了混凝土的裂缝,工程质量可靠,是一项成功的经验。

(2)为避免大跨度现浇梁板施加预应力过程中产生的柱顶附加弯矩及柱支座约束力的影响,梁端支座可采用。滑动―铰接式钢支座,待预应力施加后支座再与梁端埋件焊接,并用混凝土浇筑齐。

(3)滑动约束有利于减少收缩变形的约束力,减少混凝土收缩变形由于约束产生的拉应力,当拉应力减少到低于混凝土抗拉强度时,就不会出现裂缝破坏。

(4)为切实保证无粘结预应力混凝土结构的耐久性,在施工中要加强张拉后预应力筋张拉端处理。

(5)施工程序的优化有利于保证预应力的效果,减小预应力损失。