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摘要:随着社会的发展，对房屋建筑要求也越来越高。本方作者结合工程实例，针对泵送混凝土结构普遍出现裂缝的现象,调查分析了泵送混凝土浇筑梁的各种受力状况,依据构建的计算模型,对梁裂缝进行了分析计算。通过计算混凝土硬化时的体积收缩值,确定裂缝主要是由混凝土硬化时体积收缩所引起,据此提出了控制混凝土原材料和施工质量以及改进结构设计等措施。工程实践表明,该措施能有效提高混凝土抵抗收缩开裂的能力。
关键词:结构工程；泵送混凝土；梁；裂缝；结构设计
Abstract: with the development of society, the building more and more is also high requirements. His own the author combined with engineering example, in view of the pumping concrete structure common cracks, investigation and analysis the pumping concrete casting beam of the stress condition, according to the calculation model of the construction of a beam and crack was analyzed and calculated. Through the calculation of the size of the hardened shrinkage, determine fracture of the hardened by main is caused when the volume contraction, the paper puts forward the concrete construction quality control of raw materials and structure design and improvement measures. The engineering practice shows that the measures can effectively enhance the ability of concrete shrinkage cracking resistance.
Keywords: structure engineering; Pumping concrete; Beam; Crack; Structure design
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
大量的工程实例表明,泵送混凝土浇筑的构件普遍出现裂缝,而目前的研究主要集中于因荷载引起的裂缝,对非荷载因素引起的开裂问题则研究较少。实际上,混凝土收缩所引起的开裂已经成为一个不容忽视的问题。本文结合施工实例,分析了泵送混凝土梁产生裂缝的原因,确定了混凝土收缩是梁开裂的主因,并提出了一套解决方案和对策。
1受力分析
某大厦全剪力墙混凝土结构施工方案全部采用泵送混凝土。当施工到第6层时发现1～4层的梁(长5.4～6.5m,宽350mm,高550mm)均出现竖向裂缝,其中一根梁上裂缝数量达到8条之多(图1),这些裂缝垂直于梁轴线,距支座0.3～1.1m,大多在梁腰两侧同时出现(贯穿梁腰)；裂缝宽度变化呈枣核状,即在梁腰中部较宽(最宽达0.3mm),
图1 混凝土梁裂缝分布图
两头较窄,大多数裂缝终止于梁底以上、梁板交接处以下20～30mm。梁的截面尺寸及配筋如图2所示。
图2梁端配筋
为了防止因拆模过早混凝土产生荷载裂缝,保证现浇梁达到设计强度等级的75%时,才拆除底模及支架,本工程共准备了3层模板量供周转使用,施工时总有两层模板在支护工作中,当拆除梁、板底模换支点撑时,梁、板混凝土已养护20d,依当时的规范进行荷载分析和配筋验算,满足抗裂要求。因此,可判断此开裂是由非荷载因素造成的。根据裂缝出现的位置以及开裂的形状,又考虑到梁两端均与混凝土剪力墙暗柱相连接(相当于梁处于全约束状态)的情况,综合分析后,初步断定该批裂缝为因混凝土收缩所引起的裂缝。
2 裂缝验算
依文献提供的公式对梁裂缝进行验算。
2.1混凝土收缩量 y
y=ε0(1-e-0.01t)(1)
其中,ε0为标准状态下混凝土极限收缩量,取3.24×10-4；t为混凝土浇筑日期,t=30d。由式(1)得
y=0.84×10-4
将其折算为当量温度
Ty=- y/α(2)
其中,α为温度系数,α=1×10-5。由式(2)得
Ty=-8.4℃
此温度叠加混凝土温度降低值得综合降温差
T=-(Tmax-Tmin)+Ty(3)
其中,T为综合降温差(℃)；Tmax为梁中混凝土的最高温度,经监测,取42℃；Tmin为混凝土的最低温度,根据外界气温及实测值,取10℃。由式(3)得
T=40.4℃
2.2混凝土中的极限拉应力 xmax
xmax=-EαTH(t)(4)
式中:E为混凝土弹性模量；取3.2×104MPa；H(t)为混凝土应力松弛系数,取0.5.由式(4)得
xmax=-6.4MPa
收缩拉应力σxmax远大于混凝土实际抗拉强度(C40混凝土28d的抗拉强度取4.0MPa),可判定裂缝是由混凝土的体积及温度收缩造成的。
3 裂缝原因分析
3.1材料方面
(1)混凝土配合比。1～8层C40混凝土的配合比为:水泥370kg,砂子621kg,石子1154kg,水170kg,二级粉煤灰85kg。水泥用量较大,加上粉煤灰,粉料用量近500kg。因此,混凝土水化放热量大,水泥石含量多,易形成收缩和干缩裂缝。
(2)混凝土强度等级。强度等级的提高常伴随着水泥用量的增大,易使混凝土收缩和干缩量增大,C40等级和水泥用量均为较高值。
(3)骨料质量。细骨料为灞河中砂,含泥量偏高,接近规范限定值,易造成混凝土收缩量增大。
3.2施工方面
(1)混凝土搅拌质量。混凝土用水量的控制一直是个难题。由于对砂、石含水量的检验总是滞后于施工现场的实际情况,因此搅拌时,实际用水量很难符合配合比的要求。当遇到泵送阻力较大,钢筋较密及浇筑较慢时,随意加水现象时有发生。尤其在开始和结束泵送时,为了泵送顺利及清洗泵,都要加水,泵出的混凝土含水量大大超标,致使收缩量增大。
(2)混凝土养护质量。梁为悬空构件,养护难度大。为周转模板,一般在混凝土浇筑3～4d后即拆除侧模,使梁暴露在春季干燥的空气中,降温降湿过快,梁的干缩值及温度收缩值均较大,混凝土中的应力来不及松弛,使梁的表面裂缝向纵深发展为贯穿性裂缝。
3.3设计及其他方面
(1)设计人员对泵送混凝土的性能考虑不够。泵送混凝土在硬化时的收缩和徐变较大,容易产生开裂。结构设计时往往只考虑结构强度的要求,对构件一般不作抗裂验算,仅套用现行规范而忽略泵送混凝土的特点。泵送混凝土与同一强度等级的塑性混凝土的力学性能虽然相同,但在施工阶段的性能及浇筑的后期效果却有较大的差别。
(2)梁高度和腰筋配置情况的影响。原结构图是按梁高不超过700mm,可不设腰筋设计的。由于梁较高且无腰筋约束,梁腰无足够能力抵抗混凝土收缩应力而产生裂缝。因此应加强结构构造的设计研究,从构造措施上约束混凝土收缩造成的开裂。尤其用泵送混凝土浇筑的梁,当梁净高或上下两层钢筋间距超过200mm,就应增加一道构造腰筋,以约束混凝土的收缩。
(3)剪力墙对梁的极大约束。梁与剪力墙相连,剪力墙的刚度相对于梁来说,几乎是无限大。梁受到极大约束后,无法自由收缩,致使梁产生贯穿性裂缝。
4 预防对策
4.1改进结构设计,在梁腰增设腰筋经原因分析,决定在梁腰加设2根Φ16腰筋,以抵抗在梁中产生的收缩拉应力,效果相当明显。这一措施在新版的混凝土结构设计规范中得以验证。
4.2严格控制水灰比针对施工中因泵送困难、钢筋较密不易振捣密实及施工减慢而出现的随意加水以增加混凝土流动性的现象,制定了严格措施,加强检查,保证施工中混凝土水灰比基本稳定。
4.3严格控制原材料质量及混凝土配合比石子应尽量采用洁净的硬质岩石,控制风化石含量。必要时人工进行级配优化。砂子应选用干净的中粗砂。控制含泥量配合比设计时,尽量选用高强度水泥以减少水泥用量,降低混凝土发热量,从而减少混凝土温度收缩值。同时,应选用合适的外加剂和考虑掺加粉煤灰等材料,不但可以增加混凝土抗离析能力和可泵送性能,还可起到降低拌和用水量和水泥用量的目的。
4.4加强混凝土振捣管理浇筑后的混凝土在初凝前,可进行二次振捣,以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部产生的水分和空隙,增强混凝土与钢筋的握裹力,防止裂缝的开展。
4.5延迟拆模时间,加强混凝土养护模板能阻止混凝土中的水分向外蒸发,可以对混凝土起到很好的养护作用。对于不易洒水或难于养护的悬空构件,施工中应尽量晚拆模板。以上对策应用于随后的施工中,混凝土梁再未出现裂缝。
5 结语
(1)现浇构件出现裂缝的原因有荷载因素,也有非荷载因素。泵送混凝土构件出现的裂缝常常是非荷载因素造成的,其中混凝土的收缩是造成构件开裂的主因。
(2)施工中应加强对原材料质量和用量的控制。
(3)加强对混凝土浇筑和养护的管理,可以有效地提高混凝土构件的抗裂性能。
(4)设计人员应重视构造钢筋的作用,从构造措施上约束和限制混凝土的收缩。
参考文献:
[1]混凝土结构设计规范GB50010—2002,中国建筑工业出版社,2002,3
[2]混凝土结构构造手册.中国建筑工业出版社,1994年4月第一版
[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M]，2010.5.1
[4]张英.含裂纹脆性材料破坏的数值模拟[J].北京建筑工程学院学报,2004,20(2):80-82
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:结构工程；泵送混凝土；梁；裂缝；结构设计
Abstract: with the development of society, the building more and more is also high requirements. His own the author combined with engineering example, in view of the pumping concrete structure common cracks, investigation and analysis the pumping concrete casting beam of the stress condition, according to the calculation model of the construction of a beam and crack was analyzed and calculated. Through the calculation of the size of the hardened shrinkage, determine fracture of the hardened by main is caused when the volume contraction, the paper puts forward the concrete construction quality control of raw materials and structure design and improvement measures. The engineering practice shows that the measures can effectively enhance the ability of concrete shrinkage cracking resistance.
Keywords: structure engineering; Pumping concrete; Beam; Crack; Structure design
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
大量的工程实例表明,泵送混凝土浇筑的构件普遍出现裂缝,而目前的研究主要集中于因荷载引起的裂缝,对非荷载因素引起的开裂问题则研究较少。实际上,混凝土收缩所引起的开裂已经成为一个不容忽视的问题。本文结合施工实例,分析了泵送混凝土梁产生裂缝的原因,确定了混凝土收缩是梁开裂的主因,并提出了一套解决方案和对策。
1受力分析
某大厦全剪力墙混凝土结构施工方案全部采用泵送混凝土。当施工到第6层时发现1～4层的梁(长5.4～6.5m,宽350mm,高550mm)均出现竖向裂缝,其中一根梁上裂缝数量达到8条之多(图1),这些裂缝垂直于梁轴线,距支座0.3～1.1m,大多在梁腰两侧同时出现(贯穿梁腰)；裂缝宽度变化呈枣核状,即在梁腰中部较宽(最宽达0.3mm),
图1 混凝土梁裂缝分布图
两头较窄,大多数裂缝终止于梁底以上、梁板交接处以下20～30mm。梁的截面尺寸及配筋如图2所示。
图2梁端配筋
为了防止因拆模过早混凝土产生荷载裂缝,保证现浇梁达到设计强度等级的75%时,才拆除底模及支架,本工程共准备了3层模板量供周转使用,施工时总有两层模板在支护工作中,当拆除梁、板底模换支点撑时,梁、板混凝土已养护20d,依当时的规范进行荷载分析和配筋验算,满足抗裂要求。因此,可判断此开裂是由非荷载因素造成的。根据裂缝出现的位置以及开裂的形状,又考虑到梁两端均与混凝土剪力墙暗柱相连接(相当于梁处于全约束状态)的情况,综合分析后,初步断定该批裂缝为因混凝土收缩所引起的裂缝。
2 裂缝验算
依文献提供的公式对梁裂缝进行验算。
2.1混凝土收缩量 y
y=ε0(1-e-0.01t)(1)
其中,ε0为标准状态下混凝土极限收缩量,取3.24×10-4；t为混凝土浇筑日期,t=30d。由式(1)得
y=0.84×10-4
将其折算为当量温度
Ty=- y/α(2)
其中,α为温度系数,α=1×10-5。由式(2)得
Ty=-8.4℃
此温度叠加混凝土温度降低值得综合降温差
T=-(Tmax-Tmin)+Ty(3)
其中,T为综合降温差(℃)；Tmax为梁中混凝土的最高温度,经监测,取42℃；Tmin为混凝土的最低温度,根据外界气温及实测值,取10℃。由式(3)得
T=40.4℃
2.2混凝土中的极限拉应力 xmax
xmax=-EαTH(t)(4)
式中:E为混凝土弹性模量；取3.2×104MPa；H(t)为混凝土应力松弛系数,取0.5.由式(4)得
xmax=-6.4MPa
收缩拉应力σxmax远大于混凝土实际抗拉强度(C40混凝土28d的抗拉强度取4.0MPa),可判定裂缝是由混凝土的体积及温度收缩造成的。
3 裂缝原因分析
3.1材料方面
(1)混凝土配合比。1～8层C40混凝土的配合比为:水泥370kg,砂子621kg,石子1154kg,水170kg,二级粉煤灰85kg。水泥用量较大,加上粉煤灰,粉料用量近500kg。因此,混凝土水化放热量大,水泥石含量多,易形成收缩和干缩裂缝。
(2)混凝土强度等级。强度等级的提高常伴随着水泥用量的增大,易使混凝土收缩和干缩量增大,C40等级和水泥用量均为较高值。
(3)骨料质量。细骨料为灞河中砂,含泥量偏高,接近规范限定值,易造成混凝土收缩量增大。
3.2施工方面
(1)混凝土搅拌质量。混凝土用水量的控制一直是个难题。由于对砂、石含水量的检验总是滞后于施工现场的实际情况,因此搅拌时,实际用水量很难符合配合比的要求。当遇到泵送阻力较大,钢筋较密及浇筑较慢时,随意加水现象时有发生。尤其在开始和结束泵送时,为了泵送顺利及清洗泵,都要加水,泵出的混凝土含水量大大超标,致使收缩量增大。
(2)混凝土养护质量。梁为悬空构件,养护难度大。为周转模板,一般在混凝土浇筑3～4d后即拆除侧模,使梁暴露在春季干燥的空气中,降温降湿过快,梁的干缩值及温度收缩值均较大,混凝土中的应力来不及松弛,使梁的表面裂缝向纵深发展为贯穿性裂缝。
3.3设计及其他方面
(1)设计人员对泵送混凝土的性能考虑不够。泵送混凝土在硬化时的收缩和徐变较大,容易产生开裂。结构设计时往往只考虑结构强度的要求,对构件一般不作抗裂验算,仅套用现行规范而忽略泵送混凝土的特点。泵送混凝土与同一强度等级的塑性混凝土的力学性能虽然相同,但在施工阶段的性能及浇筑的后期效果却有较大的差别。
(2)梁高度和腰筋配置情况的影响。原结构图是按梁高不超过700mm,可不设腰筋设计的。由于梁较高且无腰筋约束,梁腰无足够能力抵抗混凝土收缩应力而产生裂缝。因此应加强结构构造的设计研究,从构造措施上约束混凝土收缩造成的开裂。尤其用泵送混凝土浇筑的梁,当梁净高或上下两层钢筋间距超过200mm,就应增加一道构造腰筋,以约束混凝土的收缩。
(3)剪力墙对梁的极大约束。梁与剪力墙相连,剪力墙的刚度相对于梁来说,几乎是无限大。梁受到极大约束后,无法自由收缩,致使梁产生贯穿性裂缝。
4 预防对策
4.1改进结构设计,在梁腰增设腰筋经原因分析,决定在梁腰加设2根Φ16腰筋,以抵抗在梁中产生的收缩拉应力,效果相当明显。这一措施在新版的混凝土结构设计规范中得以验证。
4.2严格控制水灰比针对施工中因泵送困难、钢筋较密不易振捣密实及施工减慢而出现的随意加水以增加混凝土流动性的现象,制定了严格措施,加强检查,保证施工中混凝土水灰比基本稳定。
4.3严格控制原材料质量及混凝土配合比石子应尽量采用洁净的硬质岩石,控制风化石含量。必要时人工进行级配优化。砂子应选用干净的中粗砂。控制含泥量配合比设计时,尽量选用高强度水泥以减少水泥用量,降低混凝土发热量,从而减少混凝土温度收缩值。同时,应选用合适的外加剂和考虑掺加粉煤灰等材料,不但可以增加混凝土抗离析能力和可泵送性能,还可起到降低拌和用水量和水泥用量的目的。
4.4加强混凝土振捣管理浇筑后的混凝土在初凝前,可进行二次振捣,以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部产生的水分和空隙,增强混凝土与钢筋的握裹力,防止裂缝的开展。
4.5延迟拆模时间,加强混凝土养护模板能阻止混凝土中的水分向外蒸发,可以对混凝土起到很好的养护作用。对于不易洒水或难于养护的悬空构件,施工中应尽量晚拆模板。以上对策应用于随后的施工中,混凝土梁再未出现裂缝。
5 结语
(1)现浇构件出现裂缝的原因有荷载因素,也有非荷载因素。泵送混凝土构件出现的裂缝常常是非荷载因素造成的,其中混凝土的收缩是造成构件开裂的主因。
(2)施工中应加强对原材料质量和用量的控制。
(3)加强对混凝土浇筑和养护的管理,可以有效地提高混凝土构件的抗裂性能。
(4)设计人员应重视构造钢筋的作用,从构造措施上约束和限制混凝土的收缩。
参考文献:
[1]混凝土结构设计规范GB50010—2002,中国建筑工业出版社,2002,3
[2]混凝土结构构造手册.中国建筑工业出版社,1994年4月第一版
[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M]，2010.5.1
[4]张英.含裂纹脆性材料破坏的数值模拟[J].北京建筑工程学院学报,2004,20(2):80-82
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。