某乐园位于上海市, 其漂流游乐项目山洞盒单体平面尺寸为85.5m×15.8m, 高23.9m, 共3层, 其平面布置图如图1所示。山洞盒内部有漂流槽通过, 漂流槽周边密集布置了假山、猛兽等景观, 另有配套的设备用房、员工办公、卫生间、马道等。一层、二层、三层均为混凝土梁板结构, 屋面为钢梁加压型钢板组合楼面。考虑到未来有可能调整布景, 结构周边全部墙体、内部部分墙体采用剪力墙, 以方便植入锚栓连接布景结构。长达85.5 m的地上剪力墙不但在建筑工程中较为少见, 且其长期暴露在日晒雨淋当中, 收缩和温度应力对其影响是需要重点考虑的问题。

　　 收缩应力的控制主要是在施工阶段, 根据目前国内施工现状, 可采用的措施包括后浇带、补偿收缩混凝土、跳仓法、诱导缝、掺聚丙烯纤维和多种措施共用等。

　　 《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 第3.4.13条规定, 当框架结构伸缩缝间距超过55m、剪力墙结构伸缩缝间距超过45m时, 可采用后浇带的做法, 每30~40m间距留出施工后浇带, 带宽800~1 000mm, 钢筋采用搭接接头, 后浇带混凝土宜在45d后浇筑。

　　 大量试验资料表明, 现浇混凝土由于内含水分蒸发将产生各种收缩应变, 累计极限值可达2×10^-4~5×10^-4, 其主要影响因素有:水泥成分、细度、骨料材质、级配、含泥量、水灰比、水泥浆量、养护时间、环境温度和气流场、构件的尺寸效应、混凝土振捣质量、配筋率、外加剂等。根据相关文献^[1], 混凝土收缩应变与混凝土龄期关系如表1所示。混凝土前期收缩应变发展较快, 90d龄期混凝土的收缩应变ε_s相当于60%的极限收缩应变ε_y (∞) 。

　　 因此, 缩短后浇带间距以减小地基、基础、竖向构件对超长混凝土收缩的约束;延长后浇带封闭时间, 将收缩在分段结构中完成大部分;再辅以合理的配合比、严格的浇筑和养护措施, 完全可以控制收缩裂缝的产生。

　　 但是, 后浇带的缺点也比较明显。后浇带贯穿整个地下、地上结构, 所到之处将梁板全部断开, 给施工带来很多不便, 模板支撑、处理工艺繁琐^[2]。因此, 工程界发展了不少方法来减少或避免后浇带。

　　 《补偿收缩混凝土应用技术规程》 (JGJ/T178—2009) 第4.0.3条规定, 大体积、大面积及超长混凝土结构的后浇带可采用膨胀加强带的措施, 间距宜为30~60m, 宽度宜为2 000mm。根据结构长度增加, 可采用连续式、间歇式和后浇式膨胀加强带。

　　 补偿收缩混凝土的主要原理是在混凝土中掺入膨胀剂, 加强带处的掺量更高, 以使混凝土在水泥硬化过程中产生0.2~0.7MPa的预压应力, 以抵消部分混凝土干缩产生的拉应力。连续加强带不设置止水带, 混凝土连续浇筑;间歇式加强带设置止水带, 先浇筑一侧混凝土, 再一起浇筑加强带和另一侧混凝土;后浇式加强带设置止水带, 实质是一种加宽、加强的后浇带, 先浇筑两侧混凝土, 14d后再浇筑加强带混凝土。

　　 按照当前的施工水平, 采用补偿收缩混凝土技术, 可以做到100~120m之间不设后浇带^[3]。值得注意的是, 该技术应用在超长地下室底板、楼板中效果良好, 但是应用在超长墙体中遇到了困难, 拆模后出现裂缝的工程案例不少, 上海某大型施工企业已开始限制膨胀剂的使用。主要原因是掺入膨胀剂后, 养护阶段对保湿的要求更高, 竖向墙体保湿养护较为困难, 处理不好, 反而容易出现裂缝。另外需要指出的是, 使用膨胀剂每立方米混凝土将增加造价20~40元^[3]。

　　 跳仓法是王铁梦^[1]提出的第三代裂缝控制方法, 将超长板或墙分为若干个30~40m左右的仓块, 不设止水带, 先跳仓浇筑, 再分块并仓, 保证相邻仓块的浇筑间隔不少于7~10d。图2^[4]是某基础底板的分仓示意图, 先浇筑阴影部分混凝土, 7d后再浇筑相邻仓位混凝土。

　　 跳仓法先用较短的分仓以“放”为主, 以适应施工阶段收缩, 其后再连成整体以“抗”为主, 以适应长期作用的较低温差和较小收缩。以达到取消后浇带、缩短工期和节约工程投资的目的^[5]。

　　 跳仓法提出“普通混凝土好好打”, 不埋设冷水管, 只是严格地执行混凝土配合比和养护要求, 对施工管理的要求很高。跳仓法施工的无缝结构长度已达到400m以上^[5]。

　　 《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》 (JGJ 6—2011) 第7.4.2条规定, 当筏形基础长度超过40m而不设缝时, 应采取后浇带、诱导缝、微膨胀混凝土、纤维混凝土等措施。

　　 诱导缝采取截断钢筋等方法, 形成结构薄弱部位, 允许结构在收缩和温度应力下开裂, 以使混凝土内拉应力得到释放, 并在该位置采取防水及排水措施。

　　 诱导缝多用于地下室底板和外墙, 也有用于上部结构的温度应力控制, 但也带来一些问题。以一168m×42m的地下1层、地上2层框架结构为例, 进行了计算, 横向设置诱导缝1道, 纵向设置诱导缝4道, 将楼板断开成33.6m×21.0m的10个分块, 梁不断开, 如图3所示。

　　 计算发现, 诱导缝对减小板混凝土收缩和温度应力很有效, 按照降温12℃计算, 一层楼板应力从3.4 N/mm²减小到2.5 N/mm²。但是, 断缝处的框架梁轴力增加明显, 出现突变, 一层X向框架梁轴力从不足1 000k N增加到最大3 000k N左右, Y向框架梁轴力从不足100k N增加到最大800k N左右。原因在于梁并未断开, 降温工况下梁仍然会向整体平面中心收缩, 但随着诱导缝的设置, 板会向各个分块中心收缩, 设缝处梁板的变形趋势不统一, 框架梁轴拉力突变明显。不设诱导缝的梁板均向整体平面中心收缩, 梁轴力从边上到中间逐渐增加, 没有突变。

　　 另外, 楼板设缝会引起楼板的边界条件发生变化, 恒、活荷载下的承载力降低;地震作用下楼板不再是连续板, 也不再符合刚性楼板假定, 这些都需要在设计中予以考虑。

　　 结构封顶后, 建议冬季注浆封闭诱导缝。因为结构的收缩已基本完成, 冬季封闭也不会带来温度应力的增加。如果任其发展, 渗水会使钢筋产生锈蚀, 混凝土的强度下降, 锈蚀引起的膨胀还会导致钢筋的混凝土保护层胀裂, 影响结构耐久性。

　　 聚丙烯纤维加入混凝土中所起的作用纯粹是物理作用, 即从混凝土浇筑到硬化前, 在混凝土尚未产生足够的强度以抵抗水泥的收缩应力导致微裂缝时, 加入的纤维可以抵消部分内部应力, 抑制微裂缝的产生和发展。通过提高材料介质的连续性, 能使硬化后混凝土的性能得到显著改善。有关试验结果表明:虽然掺入聚丙烯纤维对混凝土的准静荷载强度无明显影响, 却能使混凝土的抗冲击能力和抗疲劳能力显著提高^[6]。

　　 聚丙烯纤维的推荐掺量是0.9kg/m³, 此时混凝土的抗裂能力可提高70%, 但如果再增加掺量, 混凝土抗压强度会有降低^[7]。

　　 后浇带、诱导缝的设计思路是“以放为主”, 补偿收缩混凝土的设计思路是“抗放兼备、以抗为主”, 跳仓法的设计思路是“抗放兼施、先放后抗”, 掺纤维的设计思路是“以抗为主”。迄今为止, 几种方法都没有形成完善的理论计算体系, 属于试验科学, 即工程实践走在了理论分析前面^[2]。

　　 施工图设计中, 地下室底板建议50m左右设置一条后浇带, 并根据底板厚度决定是否掺入膨胀剂和纤维。中标施工单位确实有超长底板无缝施工经验的, 可以采用补偿收缩混凝土、跳仓法、诱导缝技术, 将后浇带间距放宽到100~120m。

　　 若地下室外墙厚度相比底板厚度小很多, 可以100~120m设置一条后浇带, 但需要在设计说明中对混凝土配合比和养护进行严格规定。可考虑掺入纤维, 但应慎重采用膨胀剂。

　　 地上超长楼板厚度更小, 辅以严格的混凝土配合比、养护、纤维、膨胀剂等措施, 可以做到100~120m不设缝。但是, 目前施工阶段对收缩和内部温差裂缝的验算, 要求σ_t (t) <f_t (t) 及ε_t (t) <ε_{t, u} (t) , 后浇带间距较大时, 施工阶段即使没有开裂, 混凝土的抗拉强度也被消耗大部分, 后期使用阶段温度应力计算时, 大部分拉力将由钢筋承受, 造成配筋量增加。因此, 当超长上部结构降温较大、约束较强而温度应力较大时, 需要减小后浇带间距, 以减小收缩应力。地下室底板、外墙有覆土保温和保湿, 工作环境要好很多, 可不受此条限制。

　　 (1) 设置两条后浇带, 间距30m左右;后浇带封闭时间需同时满足不高于20℃和90d两个条件。

　　 (2) 掺入聚丙烯纤维, 掺量0.9kg/m³;使用纤维每立方米混凝土增加造价33元;粗骨料采用粒径5~25mm、级配良好的碎石, 掺入Ⅱ级粉煤灰, 水灰比0.51, 塌落度 (120±30) mm;外墙一次性浇筑, 不留竖向施工缝, 水平施工缝按照楼面标高留设。

　　 (3) 外墙从顶部设水管喷淋, 拆模时间不小于3 d, 拆模后宜用湿麻袋紧贴墙体覆盖, 并浇水养护, 保持混凝土表面潮湿, 养护时间不应少于14d。

　　 采取以上措施后, 外墙施工完毕后经过仔细检查, 并未发现裂缝。

　　 《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) 第8.1.1~8.1.3条规定, 当室内现浇框架 (剪力墙) 结构伸缩缝间距超过55m (45m) 时, 需要采取措施减小收缩应力, 并采取专门的预加应力或增配构造钢筋的措施。

　　 先计算山洞盒结构的收缩当量温差。设计文件中将要求后浇带浇筑时间不早于两侧混凝土构件浇筑后90d, 并应尽量延长此时间段。由2.1节可知, 混凝土收缩已完成60%。总收缩按照如下公式:

　　 式中:M_i (i=1~n) 为各种影响因素的修正系数, 与配合比、养护条件有关, 本工程取ΠM_i=0.84;ε⁰_y (∞) 为标准状态下混凝土极限收缩应变, 取3.24×10^-4。

　　 由此可得, ε_y (∞) =0.84×3.24×10^-4=2.72×10^-4。混凝土收缩当量温差计算公式为:

　　 式中:ε_s为混凝土收缩应变;α为混凝土的线膨胀系数, α=1×10^-5。

　　 故后浇带封闭之前的收缩当量温差T_s1= (0.6×2.72×10^-4) / (1×10^-5) =16.3℃, 后浇带封闭之后的收缩当量温差T_s2= (0.4×2.72×10^-4) / (1×10^-5) =10.9℃。

　　 计算温差时计算条件和参数选取如下:根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) 附录E, 上海地区50年重现期的月平均最高气温T_max和月平均最低气温T_min分别为36, -4℃。

　　 将后浇带封闭时的气温作为混凝土结构的初始温度, 该温度越低, 结构的季节性负温差将越小。设计文件中将要求后浇带浇筑后24h内平均气温不得高于20℃。山洞盒外墙有外保温, 但考虑施工时, 结构封顶、外保温完成之前, 会遇到低温天气, 温度应力计算时取月平均最低气温-4℃, 降温温差取20- (-4) =24℃。

　　 混凝土温差变化和收缩时, 如果变形受到约束, 将产生内力。对于因变形受到约束产生的应力, 应考虑混凝土徐变应力松弛的特性, 其徐变应力松弛系数取为0.3^[8]。为简化计算, 将按上述设计温差 (24℃) 计算得到的混凝土结构的温差内力乘以徐变松弛系数0.3, 作为实际温差内力标准值。

　　 实际钢筋混凝土结构在混凝土收缩和温度效应作用下, 必须计及构件截面开裂的影响, 即将混凝土截面弹性刚度乘以0.85予以折减^[8]。

　　 值得注意的是, 笼统地将徐变松弛系数取0.3、截面开裂刚度折减系数取0.85, 模拟不够精细。但目前根据混凝土龄期、构件随温度变化裂缝开展进行动态模拟的方法尚不成熟, 本文仍采取了统一系数的概念设计方法。

　　 利用SAP2000的阶段施工功能, 将计算分成两个阶段。第一阶段为后浇带封闭之前, 移除后浇带结构单元, 降温0.3×16.3=4.9℃;第二阶段以第一阶段计算结果为初始条件, 增加后浇带结构单元, 降温 (10.9+24) ×0.3=10.5℃。计算结果发现, 墙底受到基础约束的影响, 温度应力最大, 最大接近5MPa, 从下往上逐渐减小, 如图4所示。

　　 考虑间距200mm布置1根直径15.2mm的1 860MPa级无粘结预应力筋, A_p=139mm², 张拉控制应力σ_con=0.75f_ptk=1 395N/mm², 预应力损失按20%估算, 在300mm厚混凝土墙上产生的理论预压应力为0.8×1 395×139÷300÷200=2.6 N/mm²。按照20m长预应力筋布置, 计算发现, 墙预应力分布与理想状态相差很大, 仅墙体上部与预应力筋端部交界处的预应力在2.6 N/mm²左右;墙体根部受到刚接基础约束, 预应力接近0;墙体上部与预应力筋中部交界处的预应力在0.5~1.0 N/mm²之间。

　　 按照上述基底刚接模型, 温度应力最大的墙体根部预应力接近0, 完全无法抵消温度应力。

　　 按照文献[8]的建议, 基底考虑桩基的平动和转动刚度。根据《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) 附录C进行计算, 直径500mm的PHC管桩的平动刚度K_HH=1/δ_HH=1.6×10⁴k N/m, 转动刚度K_MM=1/δ_MM=3.8×10⁴k N/m。

　　 在SAP2000中指定桩基弹簧刚度, 计算发现, 墙体预应力得到明显改善。墙体根部预应力提高到1.0~1.5N/mm²之间;墙体上部与预应力筋中部交界处的预应力提高到1.0~2.0N/mm²之间。

　　 考虑桩基刚度的温度应力也有20%以上的降低, 同时考虑到预应力筋带来的造价增加、工期增加等问题, 山洞盒未采用预应力技术, 而是通过增加水平钢筋配置来抵抗拉应力。剪力墙水平钢筋按照地震、恒活荷载、温度作用进行各种工况组合, 从下到上分成3种配筋形式, 底层配筋18@150, 水平筋配置在竖向筋外侧。

　　 实际上, 上述温度应力计算有关收缩、徐变、结构刚度折减、桩基刚度计算等包含了较多假定, 与实际受力相差可能较多。因此, 还必须要有预案, 一旦混凝土墙开裂, 要区分表面裂缝和贯穿裂缝, 并采取妥善的封堵、嵌缝、涂布、灌浆等措施。

　　 设计、施工、监理、项目管理各方需要对裂缝有正确认识, 切记盲目增大配筋和预应力, 这可能会造成投资浪费。混凝土结构自身带裂缝工作, 裂缝宽度小于0.10~0.15mm, 深度不到保护层时, 对结构受力无影响, 亦不会渗水;裂缝宽度为0.15~0.20mm时, 多数能自愈;裂缝宽度为0.20~0.30mm以上时, 对结构受力、钢筋锈蚀、渗水均有影响, 需要修补, 必要时需要加固^[3]。

　　 目前结构封顶后, 已度过一个冬季, 经检查并未发现裂缝。

　　 收缩应力的控制可采用的措施包括后浇带、补偿收缩混凝土、跳仓法、诱导缝、掺聚丙烯纤维和多种措施共用等。对几种方法进行了分析, 提出了设计建议, 并介绍了山洞盒的收缩应力控制方法。对山洞盒的收缩和温度应力、考虑桩基刚度影响的预应力进行了计算, 介绍了其混凝土拉应力抵抗措施。

　　 为了避免影响立面、产生渗水、影响使用等问题, 目前国内多数超长项目不设伸缩缝或伸缩缝间距远大于规范要求, 但规范并没有就温度应力计算给出明确的计算方法, 设计单位根据各自经验进行估算, 收缩应力计算、降温取值、徐变影响、结构刚度折减、桩基刚度影响等算法不一, 施工图审查也没有可靠依据, 使得超长项目存在开裂风险或超筋浪费。建议规范将来对温度应力的计算给出明确可行的计算方法。