超长钢筋混凝土结构UEA无缝设计施工

超长钢筋混凝土结构UEA无缝设计施工游宝坤李光明王栋民方瑞良（中国建筑材料科学研究院北京100024）[摘要]介绍了以补偿收缩混凝土为结构材料、以加强带取代后浇带连续浇筑超长钢筋混凝土结构的设计施工方法。[关键词]U型混凝土膨胀剂无缝设计混凝土补偿收缩原理Thepaperintroducesanewdesignandmethedofeliminatingback-filledjointsforsuperlongreinforcedconcretestructure,andgivesitstheoreticalbasisandapplicationresultsinengineerings.ThemethodisinitiativebothinChinaanabroad,andconcernsthedesigncirclegreatly.Keywords:UEA;shrinkage-compenstingconcrete;jiontlessdesign;UEAexpansivestrengtheningzone.一、前言后浇缝是一种“抗放兼备，以放为主”的设计原则。因为普通水泥混凝土存在收缩开裂问题，后浇缝的设置就是把大部分约束应力释放，然后以膨胀混凝土填缝，来抗衡残余收缩应力。这种设计已列入规范而广泛使用。然而、后浇缝的清理与凿毛也给填缝施工带来了一定麻烦，延长工期有时影响总体结构的设计。能否取消后浇缝？这是设计者向我们提出的挑战问题。我院研制成功U型混凝土膨胀剂（UEA）后，在结构自防水方面取得了突破，1992年（UEA）补偿收缩混凝土防水工法）列为国家级工法（YJGF22-92），已在全国推广。与此同时、根据UEA混凝土补偿收缩原理，我们在1990年进行取消后浇带的研究，后在工程上从小到大实践。科研成果首次发表[1]后受到许多设计、施工部门的关注。至今已有不少设计院采用了这一无缝设计新方法。不但在地下、水工结构上应用，而且也在上部楼面、屋面应用。本文既是阶段成果的总结。二、无缝设计的含义和理论依据所谓“无缝设计”是个相对概念，根据结构情况，可无缝或少缝（不包括沉降缝）。它指的是释放收缩应力的后浇缝。其设计思路是“抗放兼备，以抗为主”的原则，也即利用UEA补偿收缩混凝土作为结构材料在硬化过程中产生的膨胀作用，由于钢筋和临位约束，在结构中建立少量预压应力σc。考虑结构强度的安全，膨胀不能太大，且在硬化14天基本结束。经研究，UEA替代水泥量10～12％范围内，对强度不影响，其膨胀率ε2=2～3×104，在配筋率μ＝0.2～0.8％下，可在结构中建立0.2～0.7Mpa预压应力，这一预压应力大致可以补偿混凝土在硬化过程中产生温度和干缩的拉应力，从而防止收缩裂缝，或把裂缝控制在无害裂缝范围内（小于0.1mm）。基于这一“抗”原理，采用UEA混凝土时，后浇缝的间距延长至50m是安全的，比规范20～40m增长1倍左右，这是无缝设计的“少缝含义”，已成功应用于结构设计中。随着我国建筑发展，钢筋混凝土结构超长100m、水平面积超1万m2以上比比皆是。楼层数十层，设置后浇带以防止结构收缩开裂成为必要措施。然而，它给结构设计和施工带来一定麻烦，工期延长，模板周转、降水和施工管理费都增加，能否取消后浇缝，这具有技术经济意义。工业与民用建筑的整体式基础、箱形基础的底板、车间混凝土地面、地下隧道、涵管等结构的底板和墙体的特点是，其厚度（高度）远远小于长、宽方向尺寸，当H/L≤0.2时，板在温度收缩变形作用下，离开端部区域，全截面受拉应力较均匀。在地基约束下，将出现水平法向力σx；从工程实践可知σx是设计主要控制应力，是经常引起垂直裂缝的主要应力，其最大值在中间界面x=0处，见图1。当法向应力σmax超过混凝土抗拉强度ft时，在中部出现第一条垂直裂缝，一分为二，每块板的水平应力重新分布为σx，。如σx，ft则形成第二批裂缝。这种裂缝有序性常可在工程中见到。所以，后浇缝成为建筑控制裂缝的主要措施之一。法向应力公式如下σmax＝－EaT（1－1/cos（βL/2））式中β＝cx1/2/HE，其中cx为水平阻力，H为板厚，E为混凝土弹性模量。只在较短的区间L范围内对削弱温度收缩应力EaT起显著作用，超过一定长度，即使设置后浇缝也没有意义。按理论计算，削减σmax有效间距为20～60m。下面谈到的膨胀加强带间距应设在此范围内。研究表明，UEA混凝土在硬化过程中产生膨胀作用，在钢筋和临位约束下，钢筋受拉，而混凝土受压，当钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时，则Acσc＝Asσs＝AsEsε2设μ＝As/Ac则σc＝ρEsε2（1）式中，σc为混凝土预压应力（Mpa）；As钢筋截面面积；ρ为配筋率（％）；Ac为混凝土截面面积；Es为钢筋弹性模量（Mpa）；ε2为混凝土的限制膨胀率，也即钢筋伸长率（％）。由式（1）可见，σc与ε2成正比关系，而限制膨胀率ε2随UEA掺量增加而增加，所以，我们通过调整UEA掺量，可使混凝土获得不同的预压应力。根据水平法向力σx分布曲线，设想在σmax地方给予较大的膨胀应力σc，而在两侧给予较小的膨胀应力，控制有序裂缝出现。这就是取消后浇缝的理论依据。三、无缝设计方法在设计中，如何实现图2的补偿收缩应力曲线呢？请参看图3的无缝设计示意图。在应力集中的σmax处，设膨胀加强带，其宽度2m,带的两侧敷设密孔铁丝网片，并用立筋(8@50)加固，目的是防止混凝土流入加强带。施工时，带外用掺10～12%UEA的小膨胀混凝土（膨胀率约2～3/万），浇筑到加强带时，掺14～15％的大膨胀混凝土（膨胀率约4～6/万），其强度等级比两侧高C0.5等级。到另一侧时又改为浇筑掺量10～12%UEA的小膨胀混凝土。如此循环下去，可连续浇筑100～200％超长结构。在混凝土供应量或施工力量达不到连续作业要求时，可采用图4的“间歇式无缝施工法”，加强带一字改为台阶式。施工缝凿毛清洗干净后，用掺14～15％的大膨胀混凝土浇入加强带，随后用小膨胀混凝土浇筑带外地段。对于无防水要求的楼板，可考虑允许出现小于0.3mm裂缝，不影响结构安全。可采用如图5的取消后浇缝的设计方法。与图3区别在于加强带两侧采用掺8～10％UEA的无收缩混凝土（膨胀率约1～2/万），加强带本身用14～15％UEA大膨胀混凝土。此方法不影响模板周转，将加快楼面施工进度由于楼板厚度小，加强带两侧可用木板隔离。墙体的加强带见图3。由于墙体薄，面积大，养护困难，受风速和大气温度影响大，容易出现收缩裂缝。因此，我们倾向采用后浇加强带（2m宽）即分段浇筑掺10～12％UEA的混凝土，养护14天后，用掺14～15％的UEA混凝土回填。此方法与传统后浇缝设计一样，要设钢片止水带（见图6），不同之处是后浇加强带宽度为2米。回填用大膨胀混凝土，回填缝时间为14天，比传统后浇带缩短30多天。四、无缝设计的注意事项由于钢筋混凝土结构的大型化和复杂化，取消后浇缝的无缝设计必须根据结构特点灵活运用，沉降缝不能取消，对于具有沉降性质的后浇缝也不能取消。UEA加强带的性质是以较大膨胀应力补偿温差（包括干缩）收缩应力集中的地方，所以，它可以取消后浇带。加强带的间距控制在40～60m。实践表明，对于受大气温度和风速影响较小、保温保湿养护可操作性好的地下室、水池、隧道等防水结构的底板和高层建筑的楼板，可采用图3的无缝设计，对于边墙，由于薄而且暴露面大，里面养护困难，易受风速和温差影响，我们倾向于用图6的后浇加强带。这种设计比较保险。关于剪力墙的配筋构造设计应注意以下问题：（1）当柱子剪力墙连在一起时，由于柱子的截面和配筋率都比墙体大得多，往往在相连部位出现过大的应力集中而开裂。为分散应力，应该在此处加强水平8～10@200，其长1000mm，200mm插入柱子中800mm插入墙体中。（2）墙体易裂原因是多方面的，但我们发现墙体受力钢筋过多，而作为抗裂的水平构造筋偏低，按规范剪力墙最小配筋率为0.2～0.25％。工程实践表明，由于墙体一般拆模早，养护困难，受温差和干缩影响大，水分蒸发速率大，容易开裂，为了控制温差和干缩引起的垂直裂缝，墙体的水平构造钢筋的配筋率不应小于0.5％；并使用螺纹钢筋，钢筋间距不宜过大，采用10～16mm钢筋和150mm间距比较合理的。墙体厚度在300～500mm。从构造上提高混凝土的极限抗拉强度可有效提高抗裂作用。我们认为，UEA补偿收缩混凝土的抗裂防渗功能要与水平构造钢筋的设计相适应，共同承担抗衡收缩应力。UEA混凝土作结构自防水，可省去外防水作业。因此，适当增加水平构造钢筋和墙的厚度在技术经济上是合理的。（3）此无缝设计新技术是基于对UEA混凝土性能的研究和工程应用的成果。采用本技术时，须用中国建筑材料科学研究院研制的UEA产品。五、工程实例在设计北京西客站中，大面积采用UEA结构防水和无缝设计，主楼336m×102m，东西楼179m×104m，取消了80％的后浇缝。北京城建设计院设计的西客站二层地铁隧道，市政隧道410m，西客站邮电商业大楼等配套工程的地下室，均采用UEA2.9万多吨，折合混凝土量50万m3，应用十分成功，缩短工期二个多月。1995年，中南建筑设计院设计的福州长乐国际机场航站楼，全长1034m，主楼地下室348m×36m，地板采用UEA结构自防水和取消后浇带技术，主楼1～3层楼板204m×141m＝28700m2/层。四层楼板25800m2。屋面15800m2。南翼252m×24m，北翼432m×24m，地面和一、二层楼板供49000m2。均采用UEA无缝设计，现已浇筑完毕。没有发现裂缝，缩短工期三个月，节省工程费200多万元。六、结语UEA无缝设计新方法是以UEA补偿收缩混凝土为结构材料，以加强带取代后浇缝连续浇筑超长钢筋混凝土结构的一种新技术。对于底板和楼板可用“膨胀加强带”取代后浇缝，连续浇筑混凝土。对于边墙可用“后浇加强带”，间距30～40m分段浇筑墙体，等14天后再用UEA膨胀混凝土回填。对于变截面大的墙柱之间，要增设水平加强筋，墙体水平配筋率宜大于0.5％，适当增加墙体厚度，以提高抗裂能力。该技术已在全国50多个重大工程应用，效果良好，其优点是简化施工程序、加快模板周转、整体防水好、缩短工期和节省工程费用。