钢板-混凝土组合剪力墙开裂原因分析及防控措施

陈丽娟，李成华

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021)



钢板-混凝土组合剪力墙开裂原因分析及防控措施

陈丽娟，李成华

(西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710021)

摘要：钢板-混凝土组合剪力墙开裂问题一直是困扰工程界的一大难题，现结合超高层建筑工程实践中常出现的钢板-混凝土组合剪力墙开裂现象，从墙体开裂理论分析、数学分析和实验分析三个角度对钢板-混凝土组合剪力墙裂缝产生机理进行了初步探索。通过对原材料、配合比、结构设计和施工四个方面的优化，达到防控钢板-混凝土组合剪力墙开裂的目的。最后得出墙体开裂原因大致可以分为施工和早期养护、温度变形不协调、混凝土的自收缩作用和外界环境的腐蚀四类。实践证明，该钢板-混凝土组合剪力墙开裂原因分析和防控措施，为其在超高层建筑中的充分应用提供了依据。

关键词：组合剪力墙；开裂；钢板；混凝土；变形

钢板-混凝土组合剪力墙是通过栓钉进行连接并由内填钢板和钢筋混凝土板组成。它作为超高层建筑中的重要抗侧构件，具有优良的抗震性能、优越的变形性能、承载力大、强度高、抗侧移刚度大、延性好、构件尺寸小、结构空间占用率小等优点，因而在超高层建筑中得到广泛的应用。随着现代社会高层建筑的迅速发展，其对钢板-混凝土抗震性、高强性尤其抗裂性的要求也相应提高。

钢板-混凝土组合剪力墙结构由于混凝土设计强度高、水化热温升高、温升速率快、收缩变形(包括硬化前的塑性收缩、硬化时的自收缩、温降收缩、干燥收缩、碳化收缩)大、养护困难、水胶比低、粘性大以及钢板-混凝土相互约束大等因素，其在高层建筑的实际应用过程中开裂风险比较大。钢板-混凝土组合剪力墙与普通的钢筋混凝土剪力墙开裂原因原理相通但又不完全相同，前者主要涉及钢板和混凝土两种组成构件的接触变形协调性问题，这种裂缝发生的概率和危害程度大，严重影响了工程的整体性、耐久性、稳定性、美观性以及承载力性能，所以建筑科学界有必要加紧进行开裂原因研究，寻找有效的裂缝防控措施，共同攻克这一困扰建筑业多年的难题。本文主要从理论、数学、实验三方面分析钢板-混凝土组合剪力墙开裂的原因，并提出必要的防控措施，这对工程设计和施工等具有一定的实践意义。

1钢板-混凝土组合剪力墙开裂原因分析

本文后续提到的组合剪力墙均指钢板-混凝土组合剪力墙，钢板均包括板和板上的栓钉，温度应力均指钢板和栓钉与混凝土之间的应力，约束应力均指钢板和栓钉对混凝土的约束力。

1.1开裂理论分析

1.1.1原材料方面

1)水泥用量大组合剪力墙中的混凝土设计强度高，水泥用量和标号也相应提高，是普通混凝土水泥用量的1.5～2倍，由于组合剪力墙厚度大于1 m，属于大体积混凝土；另外，混凝土属热惰性材料，大量水泥集中于组合墙内部，水化放热聚集较多，放热缓慢，极易造成混凝土内外温度梯度过大导致墙体开裂。

2)砂石的含泥量过大市面上的天然砂石质量相比以往下降很多，很多砂石含泥量过大，不能满足配制高强混凝土细骨料所用的中砂含泥量小于2%以及粗骨料所用石子的含泥量小于1%的标准要求。混凝土中砂石的含泥量越大，混凝土自收缩就越大，墙体越易开裂。

3)活性矿物料掺入过多活性矿物料颗粒超细比表面积很大，从而需水量较多，致使混凝土失水过多。混凝土随着失水量的增大自收缩量明显增大，因而加速了墙体的开裂。

1.1.2配合比方面

1)水泥品种和用量选用不当组合剪力墙结构所用水泥强度等级越高混凝土开裂的几率越大。当选用的水泥质量不好，比如水泥不够均匀，将会导致混凝土强度发展期间水化热聚集不均匀，形成较大的温度梯度差，加速了混凝土的开裂。水泥用量过大的影响如前1.1.1中的1)所述。

2)砂率选择不当早在2007年，喻骁[1]便通过4组实验，有力地证明了当砂率处在36%～43%范围时，混凝土塑性收缩面积最大，当砂率较大或较小时，混凝土塑性收缩裂缝反而略小。图1是根据四组实验(SP1、SP2、SP3、SP4)的结果绘得的砂率与裂缝总面积的关系图。

图1　砂率与混凝土裂缝面积的关系

3)水胶比(水灰比)低混凝土中水胶比(水灰比)低，即水少胶凝材料(水泥用量)多，胶凝材料(水泥)水化热引起混凝土内部温度变化，栓钉与混凝土接触部位产生不协调变形，易导致组合剪力墙开裂。

1.1.3结构设计因素

1)混凝土设计强度高随着高层建筑的日益崛起，组合剪力墙结构的混凝土设计强度也逐渐提高，设计要求一般为C40以上。高强混凝土因水化热聚集较大，在提高组合剪力墙承载力的同时加大了墙体早期开裂的风险。

2)组合剪力墙后浇带留置不正确对于一些过长或过高的组合墙要留置后浇带，地下室外墙在夏季施工时，后浇带间距不宜大于20 m，间距过大则容易导致组合墙温度收缩不均产生裂缝。

3)组合剪力墙配筋不合理一方面组合剪力墙水平配筋的直径、间距过大，违背了配筋细而密且可抵抗收缩应力的原则，墙体易发生收缩变形；另一方面构造筋配置不合理，混凝土的抗裂性能降低，这也是墙体容易开裂的重要影响因素之一。

4)钢板厚度大在相同温度应力条件下钢板越厚，钢板与混凝土之间的不协调变形越大，钢板与混凝土接触处的应力差更大，这是诱发组合剪力墙开裂的不容忽视的原因[2]。

1.1.4施工方面

1)施工工艺方面组合剪力墙开裂一般发生在施工早期，若在混凝土运输和浇筑过程中没有及时采取有效的措施，如没有对泵送混凝土的输送管全程覆盖遮阳来降低钢板和混凝土的温度应力差，则容易造成界面拉应力过大而加速墙体的开裂。

2)施工工序方面组合剪力墙结构中混凝土的浇筑一般釆用跳仓分块法浇筑，所以浇筑时间和顺序的合理把控成为施工中重要的一道工序。当采用分层连续浇筑或推移式连续浇筑时，若在上层混凝土初凝之前不及时进行下一层混凝土的浇筑，混凝土内部水化热则会大量积聚不能充分发散，从而加大了混凝土水化热和收缩的影响。

1.1.5环境影响方面

1)温度的影响经前人的实验研究和工程实践证明：对相同强度的地下室外墙进行浇筑，在平均气温高于25 ℃时墙体容易产生竖向裂缝；在平均气温低于10 ℃时墙体则不产生裂缝。因为气温越高，混凝土产生的拉应力越大，墙体越易开裂[3]。

2)腐蚀性材料的影响组合剪力墙配料中不可避免的会含有一定的腐蚀性材料，比如酸、碱、盐对结构的腐蚀。这些腐蚀性材料腐蚀后的三态产物，促使墙体膨胀而开裂。

3)混凝土养护条件的影响较厚的组合剪力墙体内部水化热积聚较高，拆模后如不及时对混凝土进行保温保湿养护，一方面混凝土表面热扩散速率过快而形成较大的内外温度差；另一方面混凝土表面脱水干燥而收缩，所以都易于致使混凝土表面裂纹的产生。

1.2开裂数学分析

1.2.1基本假定

1)在模拟分析施工初期钢板-混凝土组合剪力墙水化热对混凝土温度场和应力场的影响时，时常假定混凝土是一种各向同性材料[4]。

2)假定本数学分析只考虑非荷载条件下的应力应变关系，并视混凝土和钢板的温度变化历程一致，见图2[5]。

图2　钢板与混凝土同步温升历程

1.2.2准备工作

钢板和混凝土两种材料的线膨胀系数不同，在组合剪力墙强度发展过程中，混凝土由于水化热作用产生不协调性变形，这是导致钢板混凝土组合剪力墙施工早期开裂的主要因素之一。D.Cusson等[6]的实测结果从图3可知；混凝土的线膨胀系数在(5～10)×10-6/℃，由表1可知在350 ℃以内，钢板的线膨胀系数基本稳定在12×10-6/℃上下。显然，钢板的线膨胀系数高于混凝土的线膨胀系数，所以相同温度变化范围内，钢板的变形要大于混凝土的。

图3　混凝土早期热膨胀系数

钢号线膨胀系数工作温度/℃1002002502602803003203403501011.9012.6012.7012.7212.7612.8012.8412.8812.902011.1612.1212.4512.5212.6512.7812.9913.2013.3120G11.1612.1212.4512.5212.6512.7812.9913.2013.3115CrMoG11.9012.6012.9012.9613.0813.2013.3013.4013.4512Cr1MoVG13.6013.7013.8513.8813.9414.0014.0414.0814.1012Cr2MoWVTiB*11.0011.9012.4012.5012.7112.9012.9613.0213.0512Cr3MoWSiTiB*10.3111.4611.6911.7411.8311.9212.0212.1212.17Q23512.2013.0013.2313.2713.3613.45Q3458.3110.9911.6011.7812.0512.3112.4912.6812.77

1.2.3温升阶段分析

设钢板与混凝土达到温升峰值时的龄期为tm，对应峰值温度为T(tm)。温升阶段组合剪力墙产生温度应变，钢板和混凝土同时发生温度膨胀，由图3和表1易知，钢板的线膨胀系数比混凝土的线膨胀系数大，所以混凝土相对于钢板而言产生的是收缩变形，约束条件下产生拉应力；温升阶段还产生收缩应变，混凝土发生自收缩和非荷载非温度下的多类收缩，比如干燥收缩、塑性收缩、碳化收缩等；相反，钢板不发生这些变形，所以约束条件下也产生拉应力。

1)混凝土相对于钢板的温度应变为：

dε1(t)=[αs-αc(t)]×dT(t)

(1)

式中：αs为钢板的线膨胀系数(常数)；

αc(t)为随龄期不断变化的混凝土线膨胀系数；

T(t)为对应龄期t的钢板-混凝土温度，t为龄期。

对上式两边积分得：

(2)

2)混凝土相对于钢板的约束应变为：

dε2(t)=d[εcy2(t)-εsy2(t)]

(3)

式中：εcy2(t)为混凝土的约束应变；

εsy2(t)为钢板的约束应变。

钢板-混凝土组合剪力墙施工早期，混凝土处于流态和流塑态之间，受约束应力很小，即εsy2(t)≈0，对上式两边积分，转化为式(4)：

ε2(t)=εcy2(t)

(4)

3)混凝土相对于钢板的非约束条件下收缩变形为：

dε3(t)=d[εcz3(t)+εsz3(t)]

(5)

式中：εcz3(t)为混凝土的收缩应变；

εsz3(t)为钢板的收缩应变。

当只考虑非荷载非温度变形时，混凝土收缩变形较明显，而钢板不发生收缩变形，即εsz3(t)≈0，对上式两边积分，所以式(5)转化为：

ε3(t)=εcz3(t)

(6)

混凝土相对于钢板的总的拉应力应变为：

εσ1(t)=ε1(t)+ε2(t)+ε3(t)=

(7)

当混凝土拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土产生裂缝，由(7)式可以看出应力应变与混凝土的线膨胀系数αc(t)和温升速率T′(t)有关，这两个参数是可以予以人为优化的参数，升高αc(t)或者降低T′(t)可以降低混凝土的拉应力应变。αc(t)可以通过调节混凝土的配合比进行优化，配合比确定混凝土的线膨胀系数αc(t)便确定；T′(t)可以通过添加缓凝剂等措施进行优化。

1.2.4温降阶段分析

设钢板-混凝土从温升峰值降到环境的平衡温度为T0；混凝土因温降引起的收缩变形为ε；混凝土由温降引起的自收缩应变为∑εcz；混凝土由温降引起的约束条件下的收缩应变为∑εcy；混凝土在约束条件下产生的内应力为σt。

T0可以依据混合率求得[7]：

(8)

式中：T0为钢板与混凝土达到的初始平衡温度；cc、mc、Tc分别为混凝土的比热容、质量、浇筑温度；cs、ms、Ts分别为钢板的比热容、质量、初始温度。

混凝土温降引起的收缩应变公式可表示为：

∑ε=αc×ΔT=αc×(Tm-T0)

(9)

式中：αc为混凝土的线膨胀系数；

ΔT为混凝土的温度变化；

Tm为混凝土的温升峰值；

T0为钢板和混凝土的平衡温度，即环境温度。

混凝土开裂的主要原因在于混凝土的收缩，而研究混凝土开裂的意义不仅在于混凝土的自收缩变形，更重要的是它在约束条件下产生的收缩应力。混凝土在约束条件下产生的内应力σt的公式可表示为：

σt=(∑εcz-∑εcy)×Ec=γ×∑εcz×Ec

(10)

(11)

式中：Ec为混凝土弹性模量；

γ为混凝土的约束度。

由式(9)可知，混凝土因温降引起的收缩应变与混凝土的温度变化ΔT有很大关系，所以要特别注意温度收缩对混凝土开裂的影响。与混凝土温度收缩有关的因素有水泥的品种和用量、混凝土的水灰比、入模温度、内部温湿度的变化、空气温湿度变化等。通常，强度要求越高的混凝土水灰比越低，水泥用量大，水化热多，温度收缩就越显著[4]。

当σt大于混凝土抗拉强度ft时，混凝土便产生开裂现象，由式(10)和式(11)可知，混凝土的弹性模量Ec和约束度γ是混凝土在约束条件下的内应力σt的关键参数。Ec与混凝土的配合比有关，γ与混凝土浇筑时模板、钢板、栓钉、梁柱等对混凝土的约束有关。所以通过降低混凝土弹性模量Ec和约束度γ能有效防止混凝土因应力过大而开裂。

2钢板-混凝土组合剪力墙开裂防控措施

2.1原材料及配合比优化措施

1)混凝土结构内部中心点的最高温度主要取决于水泥品种和水泥用量。在保证组合剪力墙强度和性能的前提下，尽量选用低等级水泥，并降低水泥用量。若施工条件有限必须加大混凝土用量来满足工作要求时，应尽量加入优质粉煤灰、矿粉、石灰粉、硅粉等掺合料来控制水泥用量[8]。

2)选用微膨胀纤维混凝土纤维能分散应力集中，并抑制混凝土早期干缩裂缝的产生；膨胀剂的微膨胀原理则可以补偿混凝土的收缩变形，工程实践证明微膨胀纤维混凝土的使用有效地抑制了混凝土微裂缝和离析裂纹的产生与发展。

3)优先选用级别良好的碎石碎石级配的好坏与混凝土的用量控制和混凝土和易性的大小密切相关，级配良好的碎石则可减少胶凝材料用量，降低砂率，且能保证混凝土良好的和易性，从而减少了组合剪力墙因水泥用量过大或混凝土干缩而开裂。

2.2结构设计优化措施

1)钢板-混凝土组合剪力外墙的混凝土设计强度应当低于框架柱的设计强度，另外应处理好组合剪力墙的墙体与其他相邻构件的连接布置，增加其柔性以减少相互构件的约束作用即减小混凝土的约束度γ。

2)合理地减小钢板-混凝土组合剪力墙内部栓钉间距，经实验分析可知，在一定范围内，栓钉间距越小，混凝土的应力分布越均匀。

3)在保证组合剪力墙结构承载力的前提下，尽量控制钢板的厚度。对应前文1.1.3(4)中的墙体开裂原因分析可知，适当减小钢板的厚度，可以减小组合剪力墙两种组成材料的不协调变形，对早期的温度裂缝控制具有积极的作用。

2.3施工养护措施

1)尽量选择晚间或清早对组合剪力墙进行浇筑，若暑期施工，高温环境难以避免，则在进行混凝土搅拌时应加入适量的沙冰或者对泵送混凝土的聚送管绑缚一圈冰块，控制混凝土的入模温度与日平均气温平衡，以减小混凝土的内外温度差、应力差。

2)实施“分块跳仓，抗放兼施”的施工方案，对大体积混凝土浇筑块体合理分块并设置合理的跳仓间距，对混凝土的温度应力采用抗、放兼施的措施，以削减组合剪力墙承受的温度应力和收缩应力。事实证明，此方案对降低组合剪力墙裂缝产生的可能性具有明显的效果。

3)从混凝土着手，可以在混凝土内部加设循环冷水管或对混凝土原材料进行预冷，减慢混凝土的水化热积聚作用，降低混凝土内部最高温度；从钢板着手，在混凝土硬化前可以对钢板预热，主动干预钢板的变形，使其产生一定的膨胀补偿混凝土硬化后的体积收缩，从而有效地控制了组合剪力墙有害裂缝的产生。

4)混凝土养护期间及时对混凝土采取保温和保湿措施。混凝土施工后在混凝土表面刷一层合格的养护液形成薄膜，也可以直接在混凝土表面覆盖塑料薄膜和麻布片，保温养护不低于15d，保湿养护为每隔6h进行一次洒水，这样既可以降低混凝土表面的温降速率，又可以防止混凝土表面因脱水发生干燥收缩，对防止混凝土表面裂纹的产生有着功不可没的作用。

3结语

钢板-混凝土组合剪力墙的应用越来越广泛，面临的问题也越来越多，墙体开裂是当下紧迫而又亟待解决的重大问题之一。

综上所述，组合剪力墙开裂的主要原因可以分为以下四类：

1)现场施工和早期养护原因引起的开裂；

2)钢板和混凝土两种材料的温度变形不协调引起的开裂；

3)由混凝土的自收缩变形引起的开裂；

4)外界环境比如硅酸盐对结构的腐蚀引起的开裂。

针对这四类的开裂分析，本文最后从原材料与配合比、结构设计、施工三方面提出有效的裂缝防控措施及建议，分别为：

1)原材料与配合比通过水泥品种和水泥用量、微膨胀纤维混凝土及级配良好碎石的选用进行优化；

2)结构设计通过墙和柱的混凝土强度设计和减小混凝土的约束度γ，合理减小组合剪力墙内部栓钉间距和控制钢板厚度进行优化；

3)施工选择晩间或清早进行组合剪力墙浇筑，实施“分块跳仓，抗放兼施”的施工方案，预冷混凝土或加热钢板或在混凝土养护期间及时采取保温保湿措施。

参 考 文 献

[1]喻骁.砂率变化对混凝土塑性收缩裂缝的影响[J].山西建筑，2007(19)：165-166.

[2]司倩倩.超高层钢板混凝土剪力墙温度应力作用下的抗裂研究[D].西安：长安大学，2013.

[3]赵恒树，陈志远，杨俊飞，等.钢板剪力墙结构部位混凝土裂缝控制[J].商品混凝土，2014(8)：1-4.

[4]邓仁云.钢板混凝土组合剪力墙施工早期的温度裂缝控制研究[D].重庆：重庆大学，2014.

[5]庞二波，刘通，周文俊，等.钢板-混凝土组合剪力墙混凝土开裂原因分析[J].施工技术，2014(24)：13-18.

[6]CussonD,HoogeveenT.Measuringearly-agecoefficientofthermalexpansioninhigh-performancecomcrete[C]//IntemationalRILEMConfe1renceonVloumeChangesofHardeningConerete:TestingandMitigation.Bagneux:RILEMPublicationsSARL,2006.

[7]LiuDeanmo,YangQuanzu,TroczynskiTom,etal.Structuralevolutionofsolgelderivedhydroxylapatite[J].Biomaterials,2002(23):1679.

[8]韦朝辉.混凝土配合比和原材料对裂缝的影响与试验研究[J].经济研究导刊，2011(25)：333-334.

收稿日期：2016-01-12

作者简介：陈丽娟(1989—)，女，山东菏泽人，硕士在读。

中图分类号：TU398+.9

文献标志码：A

文章编号：1008-3707(2016)04-0002-05

Reasons Analysis and Prevention Control Measures of theCrack of the Steel Plate-Concrete Combined Shear Wall

CHEN Lijuan, LI Chenghua