【他从地下室带出的经验案例】混凝土结构裂缝控制设计
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工程概况
某研发中心一期工程位于苏州高新区科技城北部，地下一层，长约280m，宽约109m，采用桩承台基础，地下室底板采用无梁防水板。地下室远远超过《混凝土结构设计规范》规定的设缝要求，为超长混凝土结构。
苏州地区地下水丰富，根据勘察报告，钻探期间量测的潜水稳定水位埋深在地面以下0.2～1.2m之间，水位受季节性变化影响较大，年变化幅度在0.5m左右。考虑到地下室防水问题，建筑专业确定采用无缝设计方案。
1、结构裂缝成因分析
混凝土结构在使用过程中承受两大类荷载，有各种外荷载和变形荷载（温度、收缩、不均匀沉降）。产生裂缝的原因主要有以下3种：
(1)由外荷载引起的直接应力引起的裂缝；
(2)由外荷载作用，结构次应力引起的裂缝；
(3)有变形变化，引起的裂缝。结构由温度、收缩、膨胀和不均匀沉降等因素引起的裂缝。
补充
大量调查资料表明，建筑结构中的80%的裂缝都是由于结构变形引起的，如温度变形、混凝土收缩、结构的不均匀沉降等因素，而20%的裂缝才是荷载作用引起的。前述80%的裂缝包括变形变化与荷载共同作用，但以变形变化为主。因此控制温度变形、混凝土收缩引起的裂缝，对混凝土结构的裂缝控制设计至关重要。
2、温度效应分析
超长地下室混凝土结构在施工及后期使用期间，难免会受到外界温度变化的影响。温度变化的因素主要有：日照辐射、气温骤降、季节性温度变化等。考虑日照辐射和骤降温差作用于结构的时效性较短，对地下室结构不起控制作用，在实际工程分析中一般不考虑，施工期或使用早期的混凝土收缩通过设置后浇带等措施处理效果也得到相关研究的证实，而季节温差对超长结构的影响较为显著，甚至是控制工况，因此本文温度效应分析主要考虑季节温差的影响。
温度荷载取值
季节温度变化是渐变的过程，其取值一般按混凝土结构浇筑成型或形成约束时的初始平均温度和后期可能经历的温度变化的差值进行计算，具体计算公式为：ΔTy=T0-Tmax(Tmin)。设计过程季节温差多取可能出现的最不利情况，即最高与最低月平均温度的变化值作为年温变化幅度。
根据中国气象局公共气象服务中心提供的苏州市气象资料，苏州市1月平均气温最低，为3.7℃；7月平均气温最高，为27.8℃。同时，结合当地的设计经验，一般考虑温降为-25℃，故本文在进行温度效应分析时取季节温差：ΔTy=-25℃
瞬态弹性方法
温度应力分析采用的是瞬态弹性方法，温度变化对结构构件变形、内力的影响可等效为某种荷载作用，也称为“等效荷载”，在结构建模时，应考虑混凝土徐变作用导致的混凝土应力松弛，也即对温度应力产生卸载效应，该效应的松弛折减系数建议值取0.3。此外，尚应考虑混凝土裂缝引起的刚度退化，即混凝土构件的刚度折减，该系数可取0.85。
根据软件计算结果，水平方向在温降作用下，地下室结构底板变形较小，主要考虑桩基础及承台对防水底板约束较强，以及土体对结构产生一定的摩擦作用。地下室顶板结构整体均向结构中心位置收缩，结构的最大位移出现在长向两端部位，其最大值为23.68mm；结构中心位置基本不出现位移变化，该计算结果与实际情况基本一致。此外，由于顶板开洞及地下室墙体约束，导致楼板开洞处的短边附近、墙体与楼板交接部位以及距离较近的洞口之间也出现明显的小范围应力集中区域。
在竖直方向上，地下室侧墙结构底部位移较小，位移随着与基底距离的加大而增大，温度应力分布规律则是墙底部应力值大，随着墙高增加应力逐步减少，墙底与底板的连接区域出现应力集中现象。分析原因有：侧墙底部与底板的连接设计为刚接，底板对墙体底部有较强约束作用，变形受限不能自由收缩，同时考虑底板混凝土初期收缩阶段地下室侧墙尚未浇筑或未封闭，侧墙对底板的约束尚未形成，且后浇带的存在使得底板可以自由收缩，因此，计算的底板温度应力是偏大的。
在设计时，考虑墙体侧向水土荷载的作用，一般是正常使用极限状态控制，配筋往往较大，故底部的温度应力作用一般不会影响结构的正常使用，但偏安全考虑，尚应采取加强措施。
3、裂缝控制设计
根据上述分析结果，超长混凝土结构混凝土收缩和温度作用效应明显，由于温差和体积变化，将引起较大的约束应力和开裂，对结构内力和裂缝影响较大，因此，应采取有效措施来减少超长地下室结构的混凝土收缩和温度变化，本工程的裂缝控制设计所采取的控制措施如下。
设置后浇带
采用后浇带分段施工的方式，可防止现浇钢筋混凝土结构由于自身收缩不均或沉降不均可能产生的有害裂缝，是规范推荐的处理超长结构的技术措施。后浇带应采用比两侧混凝土强度高一级的补偿收缩混凝土浇筑，膨胀剂应选择硫铝酸钙类膨胀剂。后浇带中的混凝土应在两侧结构单元浇筑60d后再浇注。后浇带平面位置见结构平面布置图纸。后浇带部位的梁钢筋不截断，板钢筋搭接。
增配构造钢筋
本工程根据温度应力分析结果，对于温度作用影响明显的区域增配构造钢筋。在形状曲折、刚度突变、孔洞凹角等温度变化影响较大的部位增加构造配筋，并采用适当提高结构构件配筋率或采用通长配筋等构造手段，如超长方向梁两侧腰筋间距不大于150mm，每侧腰筋面积不小于梁宽与腹板高度乘积的0.15%；墙体水平筋间距不大于150mm，并比比计算配筋提高20%的配筋量，墙与柱、墙与墙的连接部位增设直径为10mm的水平附加钢筋，伸入墙内1500mm；顶板、底板通长配筋，并比计算配筋提高20%的配筋量等。
保温隔热措施
地下室顶板和周边挡土墙采取建筑保温隔热措施，以降低使用期间地下室内外温差，从而控制由温差产生的裂缝。
材料要求及措施
1）采用低热硅酸盐水泥，严格控制水泥用量，每立方混凝土的水泥用量不超过350kg。
2）禁止使用矿粉，粗骨料采用连续级配，细骨料采用中砂，应控制粗、细骨料的含泥量。
3）采用粉煤灰混凝土，并掺入一定量的缓凝剂及高效减水剂。
4）混凝土采用60d或90d强度，控制混凝土的早期强度，要求12h抗压强度不高于6kN/mm2，24h抗压强度不高于10kN/mm2。
5）地下室外墙、底板、顶板及相关的梁、柱、基础，采用补偿收缩混凝土。补偿收缩混凝土应采用双层双向配筋，净高度大于3.6m的地下室外墙，应在墙体高度的水平中线部位上下500mm范围内，水平筋的间距调整为100mm。
6）为了减少水泥用量，降低混凝土浇筑块体的温度升高。经设计单位同意，可利用混凝土60d后期强度作为混凝土强度评定、工程交工验收及混凝土配合比设计的依据。
7）采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值，可以使混凝土浇筑后的内外温差和降温速度控制的难度降低，也可降低保温养护的费用，这是大体积混凝土配合比选择的特殊性。强度等级在C20～C35的范围内选用，水泥用量最好不超过380kg／m。
8）应优先采用水化热低的矿渣水泥配制大体积混凝土。所用的水泥应进行水化热测定，水泥水化热测定按现行国家标准《水泥水化热试验方法(直接法)》测定，要求配制混凝土所用水泥7d的水化热不大于250tO／kg。
9）采用5～40mm颗粒级配的石子，控制含泥量小于1.5％。
10）采用中、粗砂，控制含泥量小于1.5％。
11）掺合料及外加剂的使用。国内当前用的掺合料主要是粉煤灰，可以提高混凝土的和易性。大大改善混凝土工作性能和可靠性，同时可代替水泥，降低水化热。掺加量为水泥用量的15％，降低水化热15％左右。外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。
混凝土中掺入水泥重量0.25％的木钙减水剂，不仅使混凝土工作性能有了明显的改善，同时又减少10％拌和用水，节约10％左右的水泥，从而降低了水化热。一般泵送混凝土为了延缓凝结时间，要加缓凝剂，反之凝结时间过早，将影响混凝土浇筑面的粘结，易出现层间缝隙，使混凝土防水、抗裂和整体强度下降。为了防止混凝土的初始裂缝，宦加膨胀剂。国内常用的膨胀剂有UEA 。
施工措施
1）施工单位应编制具体详细的超长地下室施工方案及质量控制措施，并组织专门论证。
2）混凝土配合比应经过试配确定。严格控制水泥用量、混凝土单位用水量。
3）根据施工季节确定合理的混凝土浇筑时间，应在相对低温的情况下浇筑混凝土，并控制混凝土的入模温度。设法降低混凝土的水化热温升、里表温差及降温速率，冬施混凝土成型前后须进行温控计算和测试。
4）楼板的通长钢筋、主次梁的通长钢筋，不论上、下筋均应按受拉钢筋的要求连接。
5）按照相关规范要求采取切实可行有效的混凝土养护措施。
6）尽量晚拆模，拆模时的混凝土温度（由于水泥水化热引起的）不能过高，以免接触空气时降温过快，更不能在此时浇注凉水养护。
大体积混凝土裂缝控制
1、大体积混凝土的强度等级宜在C20～C35范围内选用，利用后期强度R60。随着高层和超高层建筑物不断出现，大体积混凝土的强度等级日趋增高，出现CA-0～C55等高强混凝土，设计强度过高，水泥用量过大，必然造成混凝土水化热过高，混凝土块体内部温度高，混凝土内外温差超过30℃以上，温度应力容易超过混凝土的抗拉强度，产生开裂。
竖向受力结构可以用高强混凝土减小截面，而对于大体积混凝土底板应在满足抗弯及抗冲切计算要求下，采用C20～C35的混凝土，避免设计上“强度越高越好”的错误概念。 考虑到建设周期长的特点，在保证基础有足够强度、满足使用要求的前提下，可以利用混凝土60d或90d的后期强度，这样可以减少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土浇筑块体的温度升高。
2、大体积混凝土基础除应满足承载力和构造要求外，还应增配承受罔水泥水化热引起的温度应力及控制裂缝开展的钢筋，以构造钢筋来控制裂缝，配筋应尽可能采用小直径、小间距。采用卣径8～14mm的钢筋和100～150mm间距足比较合理的。伞截面的配筋率不小于0．3％，应在0．3％～0．5％之间。
3、当基础设置于岩石地荜上时，宜住混凝土垫层上设置滑动层，滑动层构造町采，_}l一毡二油，在夏季施工时也可采用一毡一油。
4、避免结构突变(或断而突变)产生应力集中。转角和孔洞处增设构造加强筋。
5、大块式基础及其他筏式、箱式基础不应设置永久变形缝(沉降缝、温度伸缩缝)及呸向施T缝。町采用“后浇缝”和“跳仓打”来控制施工期间的较大温差及收缩应力。
6、大体积混凝土_T程施工前，应对施工阶段大体积混凝土浇筑块体的温度、温度应力及收缩力进行验算，确定施工阶段大体积混凝土浇筑块体的升温峰值、内外温差(不超过25℃，《上海地区深基础施工指南》规定不超过30℃。实际操作时，严者为25℃，松者为30℃)及降温速度(不超过1．5℃／d)的控制指标，制订温控施工的技术措施。
7、以预防为主。在设计阶段就应考虑到可能漏水的内排水措施，以及施工后的经济可靠的堵漏方法。
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