超长混凝土结构裂缝控制研究综述

郑晓芬 艾靖儒，* 程 浩

（1.同济大学建筑工程系，上海200092；2.上海市岩土工程检测中心，上海200437）

0 引 言

随着经济的发展，超长混凝土结构在我国大型公共建筑中得到了较为广泛的应用。《预应力混凝土设计规范》（JGJ 369—2016）［1］给出了超长混凝土结构的概念：由于约束较强，在荷载和混凝土收缩、俆变、温差间接作用的影响下，构件受力超过限值的结构。通常将结构长度超过《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［2］规定的伸缩缝最大间距而未按要求设置伸缩缝的结构称作超长结构。如室内现浇剪力墙结构设计长度45 m，超过这个长度而未设缝的结构可称为超长结构。一方面，超长结构能有效利用空间，满足人们的使用需求；另一方面，超长结构的建筑往往具有大平面、大尺寸等特点，导致混凝土的热膨胀、收缩、徐变等温度效应放大，混凝土结构开裂，从而影响结构的受力形态和使用性能。如果不采取有效措施控制裂缝的产生和发展，可能会对结构的整体性和耐久性产生不良影响，给社会带来不必要的经济损失。

由于《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［2］对如何控制超长混凝土结构裂缝并未给出系统性的理论指导，所以对超长混凝土裂缝进行研究具有重要意义。2000年初，郑晓芬［3］以温度应力分段计算法为基础，建立超长混凝土框架结构温度收缩应力计算模型，在超长梁板结构温度裂缝控制方面的研究作出贡献。近些年，有学者建立了超长混凝土结构在不同温度下的应变模型，为精确分析超长混凝土结构开裂机理提供了理论支撑［4］。此外，徐广舒等［5］通过楔入劈拉试验分析了不同材料对混凝土裂缝的修复能力，为实际工程提供参考。

关于超长混凝土的裂缝控制措施，应用较为广泛的是王铁梦［6］提出的“抗”与“放”原则。随着工程实践的发展，刘哲宇［7］提出的“防”的原则也逐渐应用于实际工程中。本文就超长混凝土结构裂缝控制中这三种原则进行评述。

1 “抗”的原则

“抗”的原则主要体现在增强材料自身的抗拉强度或极限拉伸，即使结构的抗拉强度不小于约束应力或结构的极限拉伸不小于约束拉伸，从而达到减少有害裂缝出现、抑制有害裂缝发展的效果［8］。这种原则主要用于处于约束状态且不能充分变形的构件上。主要措施有优化混凝土配合比、掺加膨胀剂、增配构造钢筋、使用纤维混凝土等。

朱健［9］研究了聚丙纤维对混凝土抗裂性的影响。聚丙纤维具有高韧性、高抗拉强度的特点，文章指出，在混凝土中掺入聚丙纤维，混凝土将由原先的单裂缝脆性破坏转变成多裂缝韧性破坏，混凝土的抗拉强度和韧性将显著提高，早期开裂得到有效控制。此外，聚丙纤维还可以降低混凝土回弹。对于聚丙纤维的使用，作者提出以下建议：

（1）加入量：每立方米混凝土加入0.6～1.2 kg聚丙纤维；每立方米砂浆加入0.9～1.2 kg聚丙纤维。

（2）纤维长度：混凝土工程选用12～19 mm；抹灰较厚的砂浆选用6～19 mm；抹灰较薄的砂浆选用6～10 mm。文章给出了聚丙纤维混凝土的具体施工工艺及注意事项。

值得注意的是，虽然聚丙纤维能有效提升混凝土的抗裂性，但不能因此而减少结构配筋或减小截面尺寸，这会带来很大的工程隐患。

工程中常用后浇带控制超长混凝土结构的裂缝。但后浇带的施工工序繁杂，施工质量难以保证，且往往伴随着接缝处的垃圾污染等问题。陈海涛等［10］提出，可以通过掺入新型减缩膨胀剂（以下简称KL-Ⅱ）的方法达到控制裂缝的效果，从而避免使用后浇带产生的一系列问题。作者指出，由于普通膨胀剂超过一定龄期后会产生倒缩现象，膨胀效果将大大减弱，而KL-Ⅱ中含有一定减缩组分，能高效产生膨胀。在混凝土中掺入适量的KL-Ⅱ，可以阻断混凝土收缩，减少混凝土内部的拉应力产生。通过调整KL-Ⅱ掺量，在结构收缩大的部位采用KL-Ⅱ含量较高的混凝土，在结构收缩小的部位采用KL-Ⅱ含量较低的混凝土，可以有效补偿混凝土的收缩应力，从而达到取消后浇带、实现超长混凝土的连续施工的目的。文章给出根据试验研究得到的最优KL-Ⅱ混凝土配合比设计，如表1所示。

表1 KL-Ⅱ混凝土配合比设计［10］Table 1 Design of mix proportion of KL-Ⅱconcrete［10］

马岷成［11］研究了适用于寒旱地区优化配合比混凝土。作者指出，寒旱地区年平均气温较低，温差大，年平均湿度较低，超长混凝土结构更易出现有害裂缝如干缩裂缝、冻胀裂缝等。文章采用“全计算法”，以工作性、耐久性和强度为基础计算适用于寒旱地区混凝土的组分比例。此外，作者提出掺入F类Ⅱ级粉煤灰和S95矿粉渣的措施，来减小超长混凝土结构水化热和温度峰值，有助于减少有害裂缝的产生。文章建议：①在满足基本工作性能的基础上，用水量尽可能少，以减少混凝土收缩；②在满足强度要求的基础上，用矿物掺和料代替部分水泥，减少水泥用量以减小水化热，增加混凝土的稳定性和密实度；③严格控制材料含泥量，减小变形收缩；④掺入高性能外加剂，增强混凝土性能，减少混凝土变形。

董磊等［12］研究了在超长混凝土结构中增配构造钢筋的方法。作者认为，超长混凝土结构具有明显的收缩和温度效应，在温差和体积变化较大的情况下，混凝土内部会产生较大的温度应力，容易引起混凝土开裂。在温度作用较明显、温度变化较大的区域，如形状不规则、刚度突变等部位，增设构造钢筋，采用适当提高配筋率或全长配筋的构造方式，能有效减少开裂的可能性。通过分析，作者提出以下构造手段：在超长方向，每侧腰筋面积不小于0.001 5倍的腹板高度与梁宽的乘积；墙-墙、墙-柱连接节点增设直径为10 mm的水平钢筋，钢筋末端伸入墙内1 500 mm；相对于计算配筋，墙体水平钢筋实际配筋量加大20%；底板和顶板通长配筋，且将配筋量增大20%等。

杨毅超等［13］对补偿收缩纤维混凝土的配合比进行分析，分析工作包括：①掺加纤维的品种和掺量的选择；②不同掺量的膨胀剂对混凝土坍落度、抗压强度以及限制膨胀率的影响。作者通过试验研究，提出三种不同混凝土强度等级的较优配合比，并结合施工现场构件测试验证了配合比的可行性。试验构件应变测试值见图1，试验确定的配合比见表2。分析结果表明，在膨胀剂掺量为带外35 kg/m3、带内40 kg/m3的情况下，混凝土应变发展较为缓慢，且在28 d的限制膨胀率较低。合理配合比的补偿收缩纤维混凝土对于控制混凝土裂缝的发展有较好效果，实际工程中应在实验室初步确定后，结合现场测试结果确定配合比。

表2 试验确定的混凝土配合比［13］Table 2 Concrete mixture ratio［13］ kg/m3

图1 试验构件应变测试值［13］Fig.1 Strain test values of test component［13］

谢彪等［14］对优化配合比前后的混凝土绝热温升及强度进行分析。原配合比矿物掺和料为粉煤灰15%、矿渣粉25%，优化后矿物掺和料为粉煤灰26%、矿渣粉10%复配8%膨胀剂，并相应降低水泥用量。分析表明，优化配合比混凝土绝热温升幅值降低5.5℃；就早期抗压强度而言，优化配合比混凝土较原配合比混凝土会有一定程度降低，但28 d抗压强度仍满足强度设计要求；优化配合比混凝土自身体积先不断增大然后保持稳定，在后期能持续进行补偿收缩（试验结果见图2～图4）。结合有限元仿真分析计算结果和实体结构监测分析结果，作者指出，在保证强度的前提下，优化配合比与掺入膨胀剂使混凝土具有较低绝热温升、膨胀小的特点，温度应力更容易控制，从而有效提高混凝土的抗裂能力。

图2 混凝土绝热温升曲线［14］Fig.2 Adiabatic temperature rise curves of concrete［14］

图4 混凝土自身体积变形［14］Fig.4 Volume deformation of concrete［14］

2 “放”的原则

图3 混凝土早期抗压强度［14］Fig.3 Early compressive strength of concrete［14］

构处于可自由变形的状态，从而使约束应力达到可控水平，减少裂缝产生。主要措施有设置滑动支座、跳仓法、留设后浇带等。“放”的原则虽然在灵活性上优于“抗”，但施工时往往工序较多，对施工质量要求较高。目前国内具有代表性的超长混凝土结构有人民大会堂、南京国际展览中心、广州国际会展中心等，这类无伸缩缝的超长结构通常采用设置后浇带的方式来降低温度应力的影响。

张玉明［15］研究了框架结构柱顶设置滑动支座对超长混凝土结构裂缝控制的影响。分析工作包括：①在普通超长混凝土框架结构设置滑动支座；②在超长圆环形混凝土框架结构设置滑动支座。为了计算超长圆环形框架结构温度应力，作者沿圆环形框架环向取微元端，结合极坐标下环向温度应力方程，总结出在均匀温差作用下圆环形框架任意一点的环向拉应力公式：

式中：σθ为圆环形框架任意一点的环向拉应力；E为混凝土弹性模量；β为位移约束系数，即被约束位移与自由位移之比；α为混凝土线膨胀系数；Δt为圆环形框架微元段均匀降温温差。

结合式（1），作者具体计算了超长圆环形框架结构在四种不同滑动支座设置工况下的环向应力，分别是外环滑动、内环滑动、外两环滑动和内两环滑动。联系普通超长混凝土框架结构设置滑动支座后的计算结果，得出以下结论：①对于圆环形框架，滑动支座越多，位移约束系数越小，环向应力越低，且在外环设置滑动支座要优于在内环设置滑动支座；②框架柱顶滑动支座越多，框架温度应力越小，但结构的抗侧刚度以及整体性也越差；③滑动支座一般设置在结构顶层的柱顶而不设置在底层的柱顶。

虽然设置滑动支座可以减少结构的自由度，减少约束应力，从而控制裂缝发展，但结构的整体刚度和抗扭能力会被削弱，可能无法满足抗震设计要求。因此，文章建议，在满足抗震要求的基础上，结合实际工程需要确定滑动支座的数量，在边跨以及相邻跨设置滑动支座。

张凌怡等［16］研究了“跳仓法”综合技术在超长混凝土裂缝控制中的应用。跳仓法并不是要求分仓严格按照小于或等于40 m来进行，分仓时必须以设计图纸与实际情况相结合为依据。如图5所示，文章将基础梁共分为6个仓。2仓内部布有较多预应力锚索，构造较为复杂，需单独分仓，长度为48m。跳仓法需要间隔施工，文章给出施工顺序为1→3→5→4→6→2。文章对1仓、2仓温度监控结果进行分析。分析表明，升温阶段的里表最大温差为27℃，低于《大体积混凝土施工规范》（GB 50496—2009）［17］规定的30℃；降温阶段，中心处的平均降温速率为3.29℃/d，高于规范要求的2.0℃/d，但由于跳仓法施工的特殊性，混凝土在浇筑前期就释放了大部分收缩应力，故并未出现有害裂缝。

图5 基础梁分仓平面示意图［16］Fig.5 Plane diagram of foundation beam silo division［16］

孔令宇等［18］研究了天津市某一底板大体积混凝土的施工技术。受使用功能限制，该地下室结构无法断缝，且考虑到传统后浇带施工带来的各种弊端，文章指出，采用跳仓法进行施工具有缩短施工工期、简化建筑结构设计、有效减小混凝土的温度应力的优点。作者结合结构条件和施工条件，提出将整个地下室基础底板及地下结构分仓为47块，进行188次混凝土跳仓浇筑，每个分仓的施工周期平均为20 d，相邻两块仓区混凝土浇筑时间间隔至少7 d。地下室结构的分仓情况如图6所示。该工程与传统跳仓法不同之处在于将纳米防水水泥用于竖向结构与水平结构施工面、施工缝、后浇带等部位的防水处理。文章给出纳米防水水泥的具体构造及做法。

图6 地下室结构分仓示意图［18］Fig.6 Schematic diagram of subterranean structure silos［18］

3 “防”的原则

“抗”的原则是从材料本身出发，缺乏对约束的处理；“放”的原则大多仅涉及早期应力的释放，也没有有效处理约束问题。在此基础上，刘哲宇［7］提出，通过调整结构约束和约束分布，减小约束内力的产生，从而达到裂缝控制的目的，这就是“防”的原则。常用措施有施加预应力、控制梁柱线刚度比等。

李明等［19］研究了超长预应力结构不同施工方法对结构性能的影响。研究内容包括：①后浇带封闭后分段张拉预应力筋；②预应力筋张拉与后浇带交叉施工。分析表明，后浇带封闭后再分段张拉预应力筋时，由于结构作为整体承受荷载，未张拉的分段也会受到拉应力，此时若混凝土的抗拉强度较低而设置的预应力较大时，可能会产生裂缝。此外，在整体张拉完成后，柱顶会有较大的位移，约11.38 mm，并产生较大弯矩；预应力筋张拉与后浇带交叉施工时，结构产生的应力性质与第一种情况相同，但应力相对较小，在整体张拉完成后柱顶位移也较小，约7.54 mm，相对整体张拉减小了36.5%。故文章建议合理安排施工次序，预应力筋张拉与后浇带交叉施工，可以有效减小张拉预应力筋时对某些部位的拉应力，较大减小柱顶位移，提高有效预应力，对解决超长结构的裂缝问题有较大帮助。

焦彬如等［20］分析了增配预应力筋的超长墙体内应力分布状况。作者对超长墙体内增配无黏结预应力筋进行分析计算，计算结果见图7-图9。分析图7-图9可知：①只在墙底和墙端1/3长度内有预应力分布，且应力峰值距墙端墙底距离小于10 m，说明预应力集中在墙体端部；②在墙体中部约1/3长度部位几乎无预应力分布，中部区段的端部存在少量预应力；③施加预应力后，剪移区由原先的2.5 m扩展至15 m，剪应力的峰值由两端向中部区域移动，且峰值由原先的1.75 N/mm2降低至1.17 N/mm2。

图7 预应力作用下墙中和墙底剪应力［20］Fig.7 Distribution of shear stress at the bottom and in the wall under prestress［20］

图9 温差和预应力共同作用下墙中和墙底剪应力［20］Fig.9 Distribution of shear stress in bottom and wall under the action of temperature difference and prestress［20］

参考文献［20］分析结果表明，在超长结构中施加预应力并不能完全消除裂缝的产生。虽然两端裂缝的产生得到控制，但中部区段的裂缝会得到发展。通过分析，作者提出以下结论：相同温差变形下，墙体收缩单元长度减小，温差变形的作用将明显减小，从而减小裂缝产生及发展。因此，将超长墙体三等分，去掉中间区段，只取两端部分的预应力筋进行张拉，可以有效预防中部区段裂缝产生。这为配有预应力筋的超长结构裂缝控制提供了新思路。

图8 温差作用下墙中和墙底剪应力［20］Fig.8 Distribution of shear stress between bottom and wall under the action of temperature difference［20］

吕春辉［21］研究了合适的养护工艺对超长混凝土结构裂缝控制的影响。作者分析了不同养护条件对混凝土的收缩和耐久性的影响。分析表明：①混凝土的收缩应变受许多因素影响，如温度、湿度等，因此考虑采用不同的系数对混凝土标准状态下的最大收缩进行修正，并结合试验数据回归分析得到的公式，可以计算混凝土在任意时间的收缩值；②氯离子的渗透性随深度的增加而减少；③混凝土的碳化深度随早期标准养护时间的增加而减少；④混凝土在标准养护条件下的抗冻等级要高于自然养护条件；⑤混凝土的强度增长与养护条件正相关，养护条件越好，混凝土强度增长越快。故文章建议，提高环境的相对湿度，如采取喷淋等保湿养护手段，控制好温度和养护时间，可以有效控制超长混凝土结构收缩裂缝的产生。

吴伟［22］研究了超长混凝土结构间歇施工技术。《混凝土结构施工质量验收规范》（GB 50666—2011）［23］规定：浇筑混凝土应连续进行。当必须间歇时，其间歇时间宜缩短。但规范并未给出建议的间歇时间以及具体收缩应力计算公式，实际工程中很难通过控制收缩应力来减少超长结构裂缝的产生。文章对两块相邻的混凝土底板进行研究，按照浇筑顺序，将两块底板分为先浇块和后浇块。然后分析了间歇时间为1 d、2 d、3 d、5 d时先、后浇块的应力发展状态和相互影响作用，以及在整体浇筑状态下的应力情况。分析表明，间歇时间越长，两块底板之间相互影响的时间越短。当间歇天数大于温度变化周期和升温天数的差值时，先、后浇块之间将不会产生共同收缩。测试前，作者在先、后浇块上，将测点沿纵向布置于中心位置、相邻界面以及其他代表位置，收集了间歇时间为1 d、2 d、3 d、6 d测点位置最大应变数值。分析表明，间歇时间较长时，先浇块对后浇块的影响范围几乎可以忽略不计。但间歇时间过长会带来诸多不利影响，实际间歇时间应结合工程具体要求确定。

4 超长混凝土结构裂缝控制评述

超长混凝土结构裂缝产生的原理是，当结构的收缩或温度变形被约束限制时，结构就产生收缩应力和温度应力，即约束应力。当混凝土的抗拉强度低于约束应力时，混凝土就会开裂。与原理相对应，可以通过以下三种方法控制混凝土裂缝的产生与发展：①增强混凝土抵抗收缩应力和温度应力的能力，即实行“抗”的原则；②可以在一定程度上减少结构约束，释放部分早期应力，即实行“放”的原则；③可以采取措施降低约束应力，即实行“防”的原则。“抗”和“放”的原则提出于2007年，囿于当时的工程技术经验，只解决了“外因”，并未对约束应力这个“内因”进行有效处理。随着预应力技术的蓬勃发展，直接减小约束应力的产生成为可能。这为超长混凝土结构裂缝控制提供了新的思路，即从源头上控制裂缝的产生与发展。此外，有学者也在不断尝试改进传统方法，提出了分层浇筑混凝土、小仓块跳仓法［24］等具有良好温度裂缝控制效果的施工方法。在实际工程中，结合不同措施的适用性，可以更高效处理超长结构的裂缝问题。例如，章静等［25］分析了将后浇带与预应力钢筋等共同用于世博会主题馆裂缝控制的效果，现场检测后发现，采取施加预应力和设置后浇带等措施具有良好的裂缝控制效果。

5 结 论

本文针对超长混凝土结构裂缝控制采取的措施，进行了较为系统的考察与总结。在实际工程中，“抗”“放”“防”这三种裂缝控制原则应用较为广泛，而且三者间并非对立，往往有机结合使用，以期达到较好的裂缝控制效果和良好的经济效益。

目前对超长混凝土结构裂缝控制的研究已取得较大进展，但还有一些问题等待解决：

（1）超长混凝土结构裂缝的产生与多种因素有关，目前建立的各种分析预测模型，其前提假定往往与实际情况有较大出入，如何建立精确的分析模型是未来超长混凝土结构裂缝控制研究面临的一个挑战。

（2）超长混凝土结构的温度应力大多产生于结构底部，因此研究分析地基变形的影响也十分必要。

（3）预应力技术如今已很好地用于控制超长结构的裂缝，目前已经可以较为准确地计算预应力对超长混凝土结构整体影响，未来可以加强预应力对结构局部影响的研究。