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摘要：随着社会的发展与进步，我们越来越重视转换层结构的应用，转换层结构混凝土裂缝成因分析对于建筑工程具有重要的意义。本文主要介绍高层建筑转换层结构混凝土裂缝成因的有关内容。
关键词高层建筑；转换层；混凝土；裂缝；结构；
Abstract: With the social development and progress, more and more attention to the application of the conversion layer structure, the conversion layer structure of concrete crack analysis for construction projects of great significance. This paper describes the high-rise buildings into the layer structure of the concrete cracks.
Keywords high-rise buildings; conversion layer; concrete; cracks; structure;
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
引言
近年来，随着经济发展和科技进步，国内外高层建筑的发展十分迅速，而且为满足人们生活快节奏的需要，现代的高层建筑结构越来越高、越建越大，并且向着体形复杂、功能多样、造型新颖的方向发展。为满足建筑结构功能的需要，必须对其进行“反常规设计”，即上部布置小空间，下部布置大空间。而为了实现这种结构布置，就必须在结构发生变化或者上下轴线错位的楼层设置水平转换构件，转换层结构应运而生。目前，这类建筑已经成为现代高层建筑发展的一大趋势。然而，随着转换层结构的不断发展，高层建筑混凝土结构转换层可能会因为混凝土的温度应力出现温差裂缝,也可能因为混凝土的化学收缩、干燥收缩和碳化收缩而出现收缩裂缝,还可能因为徐变而引起高层建筑转换层构件裂缝。
1、转换层结构的发展
1． 1 钢骨混凝土转换层的应用
钢骨混凝土梁不仅承载力高，刚度好，可大大减小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能优于钢筋混凝土梁。此外，钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚度好，定位准确，可减少支模，加快施工速度。目前，国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工程还不多，但国外采用则较多。
1． 2 预应力混凝土转换层的应用
采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点，如减小截面尺寸、控制裂缝和挠度，控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等等。因此，预应力混凝土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转换层，且自重轻，节省钢材和混凝土。
1． 3 转换梁受力性能的改善
转换梁的截面尺寸是由其受剪承载力来控制的，截面尺寸往往较大，处理不好有可能使转换梁与框支柱形成的框架出现“强梁弱柱”的现象，对结构抗震不利; 另一方面采用转换梁也多少会影响该层的使用空间; 对于外筒的转换，采用转换梁会对该层的通风、采光不利，若开设洞口，则会产生明显的应力集中现象，因此有必要寻求新的转换结构形式，以改善转换梁的受力性能，主要途径包括:
1) 斜向支撑的应用; 2) 竖向传力的多道转换; 3) 转换梁加腋的应用; 4) 新型转换结构的应用。
2、高层建筑转换层混凝土构件温差裂缝的成因
2.1 环境温度剧烈变化
环境温度剧烈变化,包括年变化和一些突发天气,会使混凝土形成内外温差。通常情况下,在气温变化不大的情况下,龄期5天以前的混凝土的暴露表面一般不易开裂,但是如果当日平均气温在两天到四天内连续下降超过6度的情况下,未满28天龄期的则可能产生裂缝。
在建筑工程中,尤其是现浇的大体积混凝土结构中,因为环境温度剧烈变化而形成内外温差的情况较为多见,如高层建筑转换层结构在其拆模以后,如果突然遇到寒潮等大幅的降温的天气,在短期内产生就会较大的温差,这时候就容易引起较大的温度应力,导致混凝土出现裂缝的现象。
2.2 水泥的水化熱
混凝土中的热量来源于原材料和水泥的水化热,水花热是热量的主要来源。所谓水化热,指的是水泥在水化的过程当中,水泥熟料中各种矿物在水化反应中产生一定的热量,这其中大部分热量会在3天以内释放出。然而对于那些大体积混凝土,混凝土浇筑以后所产生大量水化热由于其本身的结构断面尺寸较大并不容易散发出来,这时候混凝土内部温度就会急剧的上升,如图1所示,最终到达一个较高的温度。
水泥水化过程中所产生水化热的快慢和多少,与水泥的类型、用量、成份、细度有关。一般来说,水泥细度愈细,则水化热放出愈早;硅酸二钙和铝酸二钙含量较多的水泥,会产生较多的水化热;用量越多,水泥水化热越多。
水泥水化热会引起混凝土的升温,散热会引起温度的降低,在温度的升降过程中不仅会产生较大的温差,引起较大的温度应力;其内部结构也随着龄期而发展,表现为强度、弹性模量的增长和塑性的降低。较大的温度应力再加上其性能的变化,很容易引起的转换层混凝土变形,导致混凝土出现裂缝的现象。
3、混凝土的收缩与收缩裂缝
3.1 混凝土的收缩
普通的混凝土在空气中结硬的过程中,体积会不断的减小,我们把这种现象称为混凝土的收缩,其类型主要包括化学收缩、干燥收缩和碳化收缩三种。
所谓化学收缩,指的是由于水泥水化失水引起的体积缩小变形,也称为凝缩、自生收缩,化学收缩量相对于干燥收缩量极小。
干燥收缩指的是置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的收缩现象,其收缩量占总收缩量的比例较大。干燥收缩与养护的环境有关,当混凝土硬化期间在水中养护的环境下,会略有膨胀,干燥收缩的量要小些。一方面,是因为在混凝土硬化时,如果能给其连续补充水分,水泥凝胶体不断吸水就会使混凝土膨胀;另一方面,当已干燥的混凝土再次吸水变湿时,原有的干燥收缩的量要小些。这种由于混凝土中的水分的不同而引起的变形,称干缩湿胀性变形。
碳化收缩指的是由于氢氧化钙的结晶体的溶解、碳酸钙的沉积、以及碳化反应所造成的生成水蒸发而引起的体积缩小变形。碳化会自混凝土表面逐渐的向其内部扩展,但这一过程比较的缓慢。碳化的快慢与二氧化碳的浓度、混凝土的湿度、周围介质的相对湿度、以及混凝土的透水性有关。混凝土的透水性则与灰比和养护效果有关,一般而言水灰比大和养护不足的混凝土的碳化深度较大。在中间湿度时产生的碳化收缩的量较大,这是因为当水泥石孔隙内水分不足时,二氧化碳无法形成碳酸;当水泥石的孔隙内充满水分时,二氧化碳扩散到水泥石内将非常困难。混凝土的碳化会造成混凝土的材料性能劣化以及碱性水泥中性化,大大的降低混凝土保护钢筋防止锈蚀的作用。在钢筋的保护层已碳化的情况下,一旦氧和水分侵入就会造成钢筋锈蚀使混凝土开裂。
3.2 收缩裂缝的成因
混凝土的收缩裂缝比较普遍。收缩裂缝的产生与混凝土的养护、混凝土的振捣及原材料的收缩量、风速冷、以及冷缩受到限制等因素有关。
3.2.1 收缩裂缝的产生与养护有关
当混凝土成型后,由于水分的蒸发总是由表及里逐步发展的,这就会造成内外干缩量不一样,形成构件截面上形成湿度梯度。这时候,混凝土表面的收缩变形就会受到混凝土内部的约束力,或是受其他约束力而产生较大的拉应力。特别是在混凝土养护不当的情况下,如水分蒸发过快时,就更加的会出现这种情况。再加上,混凝土的早期强度较低,所以就会很容易出现裂缝的现象开裂。
3.2.2 收缩裂缝的产生与混凝土的振捣及原材料的收缩量等因素有关
一方面,振捣过度的混凝土表面形成水泥浆较多,会增加其收缩量,容易出现裂缝;另一方面,当混凝土采用含泥量较大的粉砂配制时,收缩量也会大大增,更容易产生裂缝。
3.2.3 收缩裂缝的产生与风速有关
某些露天建筑,尤其高层建筑的转换层结构特别容易受到风干的影响,有时候尽管当地湿度很大,但由于风速强烈,会大大的增加混凝土的干缩裂缝。由于不同地区的风速的大小不同,风速对收缩的影响很难用定量的办法来衡量,在干缩计算中还未有可靠的系数考虑,但总的来说在建筑施工的过程中要做好防风等工作。
3.2.4 收缩裂缝的产生与冷缩受限制有关
混凝土的冷缩是因为热量散失引起的,如果在冷缩受到限制的情况下,就可能导致混凝土开裂。当混凝土处于降温阶段时时,混凝土会发生冷缩变形,但是由于此时的混凝土的可塑性已大大减小,一旦冷缩变形受到限制时,就容易在混凝土中产生裂缝。对于高层建筑的转换层大体积混凝土此种现象普遍和严重,因此在高层建筑转换层施工中要特别注意这种问题。
结束语
随着经济的快速发展,高层建筑也逐渐融入人们的工作和生活之中,高层建筑的结构形式也朝着大型化和复杂化的趋势发展。根据功能及结构的需要,绝大多数高层建筑都设有转换层,而对高层建筑转换层大体积混凝土结构,建中施工的重点是控制施工阶段其裂缝的产生。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[2]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[3]何广乾.高层建筑设计与施工[M].北京:科学出版社,2009.
[4]郑娟荣,覃维祖.高性能混凝土各组成材料的选择及试验研究[J].建筑技术,2008.
关键词高层建筑；转换层；混凝土；裂缝；结构；
Abstract: With the social development and progress, more and more attention to the application of the conversion layer structure, the conversion layer structure of concrete crack analysis for construction projects of great significance. This paper describes the high-rise buildings into the layer structure of the concrete cracks.
Keywords high-rise buildings; conversion layer; concrete; cracks; structure;
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
引言
近年来，随着经济发展和科技进步，国内外高层建筑的发展十分迅速，而且为满足人们生活快节奏的需要，现代的高层建筑结构越来越高、越建越大，并且向着体形复杂、功能多样、造型新颖的方向发展。为满足建筑结构功能的需要，必须对其进行“反常规设计”，即上部布置小空间，下部布置大空间。而为了实现这种结构布置，就必须在结构发生变化或者上下轴线错位的楼层设置水平转换构件，转换层结构应运而生。目前，这类建筑已经成为现代高层建筑发展的一大趋势。然而，随着转换层结构的不断发展，高层建筑混凝土结构转换层可能会因为混凝土的温度应力出现温差裂缝,也可能因为混凝土的化学收缩、干燥收缩和碳化收缩而出现收缩裂缝,还可能因为徐变而引起高层建筑转换层构件裂缝。
1、转换层结构的发展
1． 1 钢骨混凝土转换层的应用
钢骨混凝土梁不仅承载力高，刚度好，可大大减小截面尺寸，且塑性、耐久性和抗震性能优于钢筋混凝土梁。此外，钢骨混凝土梁在施工阶段其自身刚度好，定位准确，可减少支模，加快施工速度。目前，国内采用钢骨混凝土转换构件的实际工程还不多，但国外采用则较多。
1． 2 预应力混凝土转换层的应用
采用预应力技术可带来许多结构和施工上的优点，如减小截面尺寸、控制裂缝和挠度，控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等等。因此，预应力混凝土结构非常适合于建造承重荷载的大跨度转换层，且自重轻，节省钢材和混凝土。
1． 3 转换梁受力性能的改善
转换梁的截面尺寸是由其受剪承载力来控制的，截面尺寸往往较大，处理不好有可能使转换梁与框支柱形成的框架出现“强梁弱柱”的现象，对结构抗震不利; 另一方面采用转换梁也多少会影响该层的使用空间; 对于外筒的转换，采用转换梁会对该层的通风、采光不利，若开设洞口，则会产生明显的应力集中现象，因此有必要寻求新的转换结构形式，以改善转换梁的受力性能，主要途径包括:
1) 斜向支撑的应用; 2) 竖向传力的多道转换; 3) 转换梁加腋的应用; 4) 新型转换结构的应用。
2、高层建筑转换层混凝土构件温差裂缝的成因
2.1 环境温度剧烈变化
环境温度剧烈变化,包括年变化和一些突发天气,会使混凝土形成内外温差。通常情况下,在气温变化不大的情况下,龄期5天以前的混凝土的暴露表面一般不易开裂,但是如果当日平均气温在两天到四天内连续下降超过6度的情况下,未满28天龄期的则可能产生裂缝。
在建筑工程中,尤其是现浇的大体积混凝土结构中,因为环境温度剧烈变化而形成内外温差的情况较为多见,如高层建筑转换层结构在其拆模以后,如果突然遇到寒潮等大幅的降温的天气,在短期内产生就会较大的温差,这时候就容易引起较大的温度应力,导致混凝土出现裂缝的现象。
2.2 水泥的水化熱
混凝土中的热量来源于原材料和水泥的水化热,水花热是热量的主要来源。所谓水化热,指的是水泥在水化的过程当中,水泥熟料中各种矿物在水化反应中产生一定的热量,这其中大部分热量会在3天以内释放出。然而对于那些大体积混凝土,混凝土浇筑以后所产生大量水化热由于其本身的结构断面尺寸较大并不容易散发出来,这时候混凝土内部温度就会急剧的上升,如图1所示,最终到达一个较高的温度。
水泥水化过程中所产生水化热的快慢和多少,与水泥的类型、用量、成份、细度有关。一般来说,水泥细度愈细,则水化热放出愈早;硅酸二钙和铝酸二钙含量较多的水泥,会产生较多的水化热;用量越多,水泥水化热越多。
水泥水化热会引起混凝土的升温,散热会引起温度的降低,在温度的升降过程中不仅会产生较大的温差,引起较大的温度应力;其内部结构也随着龄期而发展,表现为强度、弹性模量的增长和塑性的降低。较大的温度应力再加上其性能的变化,很容易引起的转换层混凝土变形,导致混凝土出现裂缝的现象。
3、混凝土的收缩与收缩裂缝
3.1 混凝土的收缩
普通的混凝土在空气中结硬的过程中,体积会不断的减小,我们把这种现象称为混凝土的收缩,其类型主要包括化学收缩、干燥收缩和碳化收缩三种。
所谓化学收缩,指的是由于水泥水化失水引起的体积缩小变形,也称为凝缩、自生收缩,化学收缩量相对于干燥收缩量极小。
干燥收缩指的是置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的收缩现象,其收缩量占总收缩量的比例较大。干燥收缩与养护的环境有关,当混凝土硬化期间在水中养护的环境下,会略有膨胀,干燥收缩的量要小些。一方面,是因为在混凝土硬化时,如果能给其连续补充水分,水泥凝胶体不断吸水就会使混凝土膨胀;另一方面,当已干燥的混凝土再次吸水变湿时,原有的干燥收缩的量要小些。这种由于混凝土中的水分的不同而引起的变形,称干缩湿胀性变形。
碳化收缩指的是由于氢氧化钙的结晶体的溶解、碳酸钙的沉积、以及碳化反应所造成的生成水蒸发而引起的体积缩小变形。碳化会自混凝土表面逐渐的向其内部扩展,但这一过程比较的缓慢。碳化的快慢与二氧化碳的浓度、混凝土的湿度、周围介质的相对湿度、以及混凝土的透水性有关。混凝土的透水性则与灰比和养护效果有关,一般而言水灰比大和养护不足的混凝土的碳化深度较大。在中间湿度时产生的碳化收缩的量较大,这是因为当水泥石孔隙内水分不足时,二氧化碳无法形成碳酸;当水泥石的孔隙内充满水分时,二氧化碳扩散到水泥石内将非常困难。混凝土的碳化会造成混凝土的材料性能劣化以及碱性水泥中性化,大大的降低混凝土保护钢筋防止锈蚀的作用。在钢筋的保护层已碳化的情况下,一旦氧和水分侵入就会造成钢筋锈蚀使混凝土开裂。
3.2 收缩裂缝的成因
混凝土的收缩裂缝比较普遍。收缩裂缝的产生与混凝土的养护、混凝土的振捣及原材料的收缩量、风速冷、以及冷缩受到限制等因素有关。
3.2.1 收缩裂缝的产生与养护有关
当混凝土成型后,由于水分的蒸发总是由表及里逐步发展的,这就会造成内外干缩量不一样,形成构件截面上形成湿度梯度。这时候,混凝土表面的收缩变形就会受到混凝土内部的约束力,或是受其他约束力而产生较大的拉应力。特别是在混凝土养护不当的情况下,如水分蒸发过快时,就更加的会出现这种情况。再加上,混凝土的早期强度较低,所以就会很容易出现裂缝的现象开裂。
3.2.2 收缩裂缝的产生与混凝土的振捣及原材料的收缩量等因素有关
一方面,振捣过度的混凝土表面形成水泥浆较多,会增加其收缩量,容易出现裂缝;另一方面,当混凝土采用含泥量较大的粉砂配制时,收缩量也会大大增,更容易产生裂缝。
3.2.3 收缩裂缝的产生与风速有关
某些露天建筑,尤其高层建筑的转换层结构特别容易受到风干的影响,有时候尽管当地湿度很大,但由于风速强烈,会大大的增加混凝土的干缩裂缝。由于不同地区的风速的大小不同,风速对收缩的影响很难用定量的办法来衡量,在干缩计算中还未有可靠的系数考虑,但总的来说在建筑施工的过程中要做好防风等工作。
3.2.4 收缩裂缝的产生与冷缩受限制有关
混凝土的冷缩是因为热量散失引起的,如果在冷缩受到限制的情况下,就可能导致混凝土开裂。当混凝土处于降温阶段时时,混凝土会发生冷缩变形,但是由于此时的混凝土的可塑性已大大减小,一旦冷缩变形受到限制时,就容易在混凝土中产生裂缝。对于高层建筑的转换层大体积混凝土此种现象普遍和严重,因此在高层建筑转换层施工中要特别注意这种问题。
结束语
随着经济的快速发展,高层建筑也逐渐融入人们的工作和生活之中,高层建筑的结构形式也朝着大型化和复杂化的趋势发展。根据功能及结构的需要,绝大多数高层建筑都设有转换层,而对高层建筑转换层大体积混凝土结构,建中施工的重点是控制施工阶段其裂缝的产生。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[2]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[3]何广乾.高层建筑设计与施工[M].北京:科学出版社,2009.
[4]郑娟荣,覃维祖.高性能混凝土各组成材料的选择及试验研究[J].建筑技术,2008.