无缝设计、桩基础

1超长混凝土结构的无缝设计信息产业电子第十一设计研究院有限公司黄以庄[摘要]超长混凝土结构在电子、通信、生物医药行业的厂房结构中得到广泛应用。由于高洁净及防微振的要求，厂房不得设缝，因此超长混凝土结构的无缝设计已成为工程中必须解决的重要课题。基于大量的工程实践，通过对超长混凝土结构进行温度应力计算，采用膨胀剂补偿混凝土收缩并形成自压应力，以膨胀带取代后浇带，并采取有效的配筋构造措施，同时配合以严格的施工技术管理，成功地实现了超长混凝土结构的无缝设计。本文所述超长混凝土结构厂房己服役多年,使用效果良好。因此，本文可供有关设计人员参考。[关键词]超长混凝土结构无缝设计混凝土收缩控制缝混凝土是一种脆性材料，极小的拉应力或受拉应变即可引起裂缝，因此混凝土结构的裂缝问题是其工程应用中的难题。产生混凝土结构裂缝的原因十分复杂，对于荷载作用下结构承载受力裂缝的控制，设计规范已有明确规定。但对于温度变化、混凝土收缩以及强迫位移在混凝土结构中引起的间接裂缝，由于影响因素太复杂难以定量计算，只能采取构造措施加以控制。例如，限制混凝土结构伸缩缝的最大间距，并在容易开裂的部位配置构造钢筋等。随着经济发展和技术进步，近年超长混凝土结构日渐增多。特别在电子、通信、生物医药行业，由于生产环境的超洁净条件及防微振要求，厂房必须高度密闭，甚至长达200m的混凝土结构也不允许设置伸缩缝。这已远远超出了结构设计规范的限值，给设计者带来了超长混凝土结构无缝设计的难题。十多年来，我院承担了多项微电子、光纤通信和生物医药厂房超长混凝土结构的设计，均取得了成功。例如，上海华虹微电子工程3层框架结构，长172m未设缝；武汉长飞扩建工程2～6层框架结构，塔楼总高30m，长132m未设缝；武汉邮电科学研究院产业大楼4～5层框架结构，总高29.2m，长240m，宽120m，只在纵向设了2条伸缩缝；MoTorola北京新园区地下室，长度320m，未设缝；成都INTEL厂房，框架结构，长度196m，未设缝；……。这些工程建成投产以后，正常使用至今未发现明显的裂缝。总结成功经验，简介如下：1进行温度应力计算(1)计算混凝土的水化热温升21WQTC(1)式中，T1——混凝土的水化热温升(℃)；——结构散热影响系数，多维散热（墙板、楼板、梁）取0.3；一维散热（底板）取0.5～0.6；W——每立方混凝土的水泥用量(kg/m3)；Q——水泥28d龄期的水化热，取决于水泥标号，425～525号普通硅酸盐水泥，取340～380kJ/kg，425～525号矿渣水泥，取250～290kJ/kg；UEA膨胀剂，取240～250kJ/kg；C——混凝土比热，取0.96kJ/(kg·℃)；——混凝土体积密度，取2400kg/m3。根据(1)式计算，多维散热时，普通硅酸盐水泥混凝土的水化热温升约为16～19℃。(2)根据温度变化计算框架柱顶位移c12()TTl(2)式中，c——柱顶侧位移(mm)；——混凝土线膨胀系数，取1.0×10-5/℃；2T——环境平均温差(℃)；l——纵向构件长度，计算框架、排架平面外的纵梁时取为柱距(mm)。(3)计算柱顶位移产生的温度内力ccNK(3)cc3c3EJKH(4)式中，N——温差造成的柱顶推力(N)；Kc——柱的侧向抗推刚度(N/mm)；cE——混凝土的弹性模量(N/mm2)；J——柱的截面惯性矩(mm4)；cH——柱的计算长度(mm)。根据(3)式求得的温度内力，可以调整纵梁因此而需增加的纵向钢筋。同时纵梁的伸缩产生的推力作用于柱顶，还会在柱中产生附加剪力和弯矩，也应适当加强柱的配筋。例题一：单层厂房排架结构长L=120m，柱高H=10m，柱距l=7.5m，C30钢筋混凝土柱，截面600mm×600mm，柱顶设通长纵向混凝土梁，截面300mm×600mm，求温差产生的柱顶位移和纵向梁的温度内力以及柱顶侧向推力。柱截面惯性矩：J=600×6003/12=10.8×109mm4混凝土弹性模量：cE=3.0×104N/mm2柱侧向抗推刚度：Kc=3×3.0×104×10.8×109/100003=972N/mm2取水化热温升：1T=18℃当地气温平均温差：2T=20℃总的温度差：12TT=38℃3单柱柱顶侧位移：c=1.0×10-5×38×7500=2.85mm单柱顶部侧向推力及纵梁轴力：N=972×2.85=2.77kN由此累积的各柱顶位移、柱顶侧向推力及纵梁轴力如表1所示。表1单层厂房排架结构的温度效应构件编号ABCDEFGH柱顶侧位移(mm)2.855.708.5511.4014.2517.1019.9522.80柱顶侧推力(kN)2.775.548.3111.0813.8516.6219.3922.16纵梁轴力(kN)99.7296.9591.4183.1072.0258.1741.5522.16温度变化引起的柱顶位移、对柱顶的侧向推力及纵梁轴向力分布如图1所示。OA'B'C'D'E'F'G'H'ABCDEFGH2.855.78.5511.414.2517.119.9522.82.855.78.5511.414.2517.119.9522.8(a)柱顶位移(单位：mm)OA'B'C'D'E'F'G'H'ABCDEFGH22.1619.3916.6213.8511.088.315.542.77022.1619.3916.6213.8511.088.315.542.77（b）柱顶的侧向推力(单位：kN)OA'B'C'D'E'F'G'H'ABCDEFGH99.7296.9591.4183.1072.0258.1741.5522.1699.7296.9591.4183.1072.0258.1741.5522.16102.49（c）纵梁的轴向内力(单位：kN)图1温度变化引起的位移及内力分布2采用膨胀剂补偿混凝土收缩2.1膨胀混凝土的补偿收缩原理利用膨胀剂在硬化过程中的体积增大，在钢筋和周边结构的约束下使混凝土受压以补偿收缩。例如UEA或其他膨胀剂能使混凝土在体积膨胀受限的条件下会产生0.2～0.6N/mm2的受压自应力，这一受压作用可抵消混凝土由于收缩产生的受拉应变，从而控制裂缝。UEA是由硫酸铝盐熟料、明矾石和石膏共同粉磨而成的膨胀剂，其与水泥中的4Ca(OH)2反应生成可膨胀的钙矾石(C3A·3CaSO4·32H2O)使混凝土产生适度膨胀。有关试验表明，在充分保水养护条件下掺UEA的混凝土早期体积膨胀，14d后基本稳定，对钢筋无锈蚀，耐酸、碱性能和碳化性能与普通混凝土基本相同。其它膨胀剂的原理基本相同。设计超长混凝土结构时，可在结构收缩应力最大的薄弱部位设置膨胀带，浇筑大掺量UEA的膨胀混凝土以补偿收缩。在膨胀带两侧用小掺量UEA混凝土给予较小的膨胀应力补偿，以控制整个结构混凝土的收缩变形，避免引起裂缝。2.2膨胀混凝土的自压应力计算混凝土的微膨胀受到钢筋的约束，造成钢筋受拉而混凝土受压。由两者平衡可以计算混凝土的自压应力。sssccAEA(5)式中，c——混凝土的自压应力(N/mm2)；cA——混凝土截面积(mm2)；sA——钢筋截面积(mm2)；sE——钢筋弹性模量(×105N/mm2)；s——钢筋的伸长率，即混凝土的限制膨胀率(%)。2.3应用膨胀混凝土的措施(1)结构长度大于70（净化厂房）～90m（一般厂房）时，在中部（梁板应力集中处或梁板跨中）设置膨胀带，间距40～50m，宽度2000mm。带内UEA掺量14～15%（膨胀率约4～6×10-4），带外UEA掺量8～12%（膨胀率约2～3×10-4），等量取代水泥，对裂缝有严格要求时，取上限。带内钢筋贯通并配置加强筋，加强筋面积为受力主筋的1/2，混凝土强度提高一级。施工时混凝土浇灌顺序为：由两侧向膨胀带推进，最后连续浇筑膨胀带。(2)结构长度小于70（净化厂房）～90m（一般厂房）时，设置后浇带解决施工中的温度应力问题。后浇带间距30～40m，宽度800～1000mm。钢筋贯通并配置加强筋，加强筋面积为受力主筋的1/2。混凝土强度提高一级，宜采用膨胀混凝土以补偿收缩。后浇带宜设置在梁跨1/3处。当需要连续浇筑混凝土时，也可以用膨胀带代替后浇带。(3)结构面积很大，一次性连续浇灌有困难时，可采用间歇式无缝施工法（跳仓法）。将膨胀带改为后浇带，带宽2000mm，加强带两侧UEA掺量8%～12%，养护14d后再浇筑后浇带。也可在膨胀带内掺UEA14～15%，等量取代水泥，混凝土强度提高一级，直接施工。3配置补偿收缩的构造钢筋3.1温度构造钢筋计算根据膨胀混凝土与纵向纲筋的关系，由(5)式可得温度构造钢筋计算公式如下：5ccsssAAE(6)式中，c——膨胀混凝土的自压应力(N/mm2)，净化厂房取0.5～0.6；一般厂房取0.4；s——钢筋的伸长率，正常环境条件下取为12()TT。由上式求得的钢筋面积即为补偿收缩混凝土构件因温度变化而增加的构造钢筋。3.2配筋实例例题二：超长建筑采用C30补偿收缩混凝土，纵向混凝土梁截面300mm×600mm，纵向混凝土墙厚度250mm。求因温度变化而须增加的纵向构造钢筋面积。取膨胀混凝土的自压应力：c=0.5N/mm2混凝土的限制膨胀率（钢筋伸长率）：s=12()TT=1.0×10-5×38=3.8×10-4梁中构造钢筋：BA=300×600×0.5/(2.0×105×3.8×10-4)=1184.2mm2，取420；墙中构造钢筋：WA=250×1000×0.5/(2.0×105×3.8×10-4)=1644.7mm2，取12@130。4采取有效的构造措施(1)适当加强纵向梁或墙的纵向通长钢筋纵向框架梁上部通长钢筋不小于支座或跨中钢筋面积的1/4，一般采用2～4根与负弯矩钢筋等直径的钢筋；侧向构造钢筋直径不小于16；墙纵向钢筋最小配筋率不小于0.6%或12@150。(2)适当加强屋面板的纵向通长钢筋一般不小于z7@150，双层配置，温度变化较大时适当增加。(3)加强保温隔热措施做好屋面和墙面的保温隔热层，这是建筑节能，减少室内外温差，降低温度应力的主要途径，对于恒温厂房尤为重要。屋面和墙面的保温隔热层材料及作法种类很多，应慎重选择。有条件时应尽可能采用外保温形式，效果更佳。5在结构中设置控制缝（引导缝）在混凝土墙体（包括女儿墙）及楼盖的模扳上设置凸条（或插片），造成截面凹槽（或预留缝）的薄弱部位，用以引导混凝土收缩裂缝有序出现，从而避免了相邻区域的随意开裂。控制缝（引导缝）的间距不大于12m，一般设在柱或墙处（图2）。钢筋贯通，基本不影响结构性能。应预先作好止水、防渗处理，并以建筑装饰手法加以遮盖。如MoTorola北京新园区地下室，长度320m，未设缝，也未加膨胀带，只设后浇带，并采用徐有邻教授建议的每隔10m设一道控制缝，并在墙上控制缝处钢筋的保护层内设Φ6@150钢筋网片，取得了很好的效果。6墙体止水（防渗）带插片引导缝柱（墙）楼板插片引导缝墙（梁）≤12m(1)墙体中的裂缝控制(2)楼盖中的裂缝控制图2混凝土结构中的控制缝（引导缝）6严格的施工技术要求掺加膨胀剂混凝土的浇筑、施工和膨胀期的保水养护；补偿温度、收缩构造钢筋的配置；膨胀带、后浇带混凝土接槎的施工质量；控制（引导）缝的设置及相关防水、抗渗措施及建筑处理；以及可靠的保温、隔热措施……，无一不对施工质量提出了更高的要求，应采取严格的技术措施加以保证。7关于基础设计的几个问题1.结构设计的基本原则（1）安全性安全性是结构设计的首要原则。要保证结构在施工和使用过程中，在建筑物自重、人员、设备自重及运转动力、风荷载、雪荷载、地震作用、温度应力和施工荷载等作用下具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。基础设计是影响建筑结构安全性的主要因素之一。（2）适用性在建筑平、立面确定后，结构设计要尽可能满足建筑的功能要求（工业建筑应满足生产工艺的要求）和美观造型的要求，结构构件尺寸要满足建筑对空间的使用要求。（3）先进性结构设计要选择先进、合