预应力控制地下室外墙收缩裂缝的技术探讨与实践
唐娅1 梁朋2 杨颖2 李栋森3
（1、2 德成建设集团有限公司 湖南 常德 415000 3 常德市怀德建设监理有限公司 湖南 常德 415000）
摘要: 长期以来围绕地下室外墙裂缝控制，施工中采取了多种技术措施，但至今墙体混凝土仍难免出现裂缝。为此，笔者首先分析了裂缝的产生机理和分布规律，再侧重结合具体试点墙体，对长墙体的干缩变形及温度应力进行了计算分析，提出分阶段对墙体施加预应力控制裂缝。通过实践，验证了预应力控制裂缝的显著作用。并对在实践过程中的不足之处进行了分析和总结，且提出了改进方向。
关键词: 超长混凝土墙体； 早期收缩裂缝； 预应力；承压传力筋； 实践
Discussion and Practice on Prestressed Force Control of Shrinkage Cracks of Basement Wall
Tang Ya1 LiangPeng2 YangYing2 Li Dongsen3
( 1、2 ：Decheng Consturction Group Co．，Ltd．，Hunan, Changde, 415000，China
3：Changde Huaide Construction Supervision Co. Ltd.，Hunan, Changde, 415000，China)
Abstract: For a long time, various technologies are adopt to control the crack of long concrete walls. Even to this day, there is no effective countermeasures. Therefore, this study analyzes the distribution rules and generating mechanism of the cracks. In addition, it calculates and analyzes deeply on the drying shrinkage and temperature stress of long concrete walls, focusing on the specific experimental wall. The paper proposes to apply prestressed force to the wall to control cracks in phases. The techonology has been applied successfully on the basement long concrete walls in a certain project. The shortcomings in practice are analyzed and summarized, and the improvement direction is put forward.
Keywords: over-length concrete wall; Early shrinkage cracks; prestressing force；pressure transfer bar；practice
前言
目前地下室超长混凝土墙体裂缝现象较为普遍，这不仅因渗漏影响使用，还降低了结构的耐久性。这一现象的出现，迫使施工单位多次返修，影响了工程的如期竣工验收。
为了克服地下室超长混凝土外墙的裂缝，政府相关部门多次下发了针对性较强的措施文件。部分工程落实相关措施后取得了一定效果。
怎样才能进一步阻止或控制裂缝，笔者对裂缝的特征、形成的主要原因进行了描述和分析，认定对地下室混凝土墙早期施加预应力，是控制裂缝出现最有效的办法，且通过实践得到了验证。
一、 裂缝特征、原因、应对措施
1、超长混凝土墙体裂缝特征
1.1 裂缝出现的时间特征：对江南地区而言，低温季节浇筑的混凝土墙较高温季节出现裂缝要少；连续阴雨天浇筑的混凝土墙较连续晴天出现的裂缝要少。
1.2 裂缝出现与混凝土的相关特性：超长混凝土墙用高强度混凝土比低强度混凝土出现裂缝要多；混凝土早期强度高比早期强度低出现的裂缝多。水胶比大的混凝土比水胶比小的裂缝多。
1.3 裂缝出现的部位及形态发展特征：地下室外墙扶壁柱间距较长时出现的裂缝较多，一般裂缝呈竖向分布，中段较宽，上下段较小且走向尖灭；特别是当扶壁柱与建筑物的框架大柱共享时，在大柱两侧50cm~100cm范围内常出现贯穿性竖向大裂缝。在施工过程中，当拆模后1h~2h常出现细微的竖向裂缝；随后，裂缝的数量增多、长度和宽度逐渐发展，5d后裂缝变化趋缓。
2、裂缝出现的主要原因分析
2.1 早期混凝土抗拉强度极低，其有限的水平钢筋在混凝土早期作用极有限，当混凝土受较大温差收缩时极易出现裂缝。
2.2 混凝土外墙为竖向构件，相对平面构件的养护条件差，很难做到长时间的保水养护，从而出现干缩裂缝；当混凝土干缩裂缝出现，温差收缩裂缝易与之重叠而加剧裂缝的扩展。
2.3 大柱两侧易出现贯穿性裂缝，原因在于大柱刚度远大于墙体刚度，当墙体收缩时，大柱临近的墙体位置应力集中而出现贯穿性裂缝。
3、控制裂缝的主要措施
3.1 对于地下室混凝土外墙裂缝的特征、原因，针对性的增设水平钢筋，采用级配好、水胶比小的混凝土或纤维混凝土，在低温时间段浇筑混凝土，加强早期混凝土保水养护等措施行之有效。
3.2 在混凝土早期时间段适当施加预应力应是最有效措施，但技术性要求较高。
二、 工程实践
1、 工程概况
常德某商住小区占地面积37.79亩，总建筑面积69685㎡。地下一层，建筑面积16424㎡，地下室为框架结构，层高4m，地下室外挡土墙厚300mm，混凝土设计强度C40，抗渗等级为P6。
为了获得分阶段对墙体施加预应力的效果，决定对地下室DA~DH轴70m长外墙施加预应力控制混凝土早期收缩裂缝的出现。见图1
图1 平面布置图
2、 技术准备
2.1 实例计算
2.1.1 温度梯度的确定：墙体计算模型取地下室西侧DA~DH交D轴处外墙DQ1，全长70m，墙高4.0m，墙厚300mm，C40混凝土。本工程地下室外墙施工期间处于夏季，常德市最低日平均温度为22~24℃,最高日平均温度为33~37℃，极端温差为8~16℃，温度梯度⊿T按16℃计算，不考虑季节性温差影响。
2.1.2 温度应力计算：按平面框架应力应变关系计算。由上述温差引起的最大拉应力为：
其中E为混凝土弹性模量，α------温度线膨胀系数=1×10-5/℃，μ------泊松比0.15，H------松弛系数，松弛系数建议值0.3~0.5，Kr------约束程度系数。
混凝土强度随时间不断增长，分别计算C15、C20、C30、C40所在龄期的温度应力值，以便在张拉时选用。
C15混凝土，E=2.20 ×104N/mm2，α=1×10-5/℃μ=0.15，H=0.4，σ（16）=1.656N/mm2。
C20混凝土，E=2.55 ×104N/mm2，α=1×10-5/℃μ=0.15，H=0.45，σ（16）=2.160N/mm2。
C25混凝土，E=2.8 ×104N/mm2，α=1×10-5/℃μ=0.15，H=0.45，σ（16）=2.371N/mm2。
C30混凝土，E=3.0 ×104N/mm2，α=1×10-5/℃μ=0.15，H=0.5，σ（16）=2.824N/mm2。
C35混凝土，E=3.15 ×104N/mm2，α=1×10-5/℃μ=0.15，H=0.5，σ（16）=2.965N/mm2。
C40混凝土，E=3.25 ×104N/mm2，α=1×10-5/℃μ=0.15，H=0.5，σ（16）=3.059N/mm2。
2.1.3 施加预应力按二级裂缝控制计算，要求第一次张拉值应满足第二次张拉前混凝土的抗裂要求：
σck－σpc≤ftk
2.1.4预应力配筋及计算：计划在其前、后期，分两次两端张拉预应力。预应力筋按裂缝规律在墙体竖向中段三分之一处配置较密，上、下端配置较疏。温度伸缩后浇带用膨胀混凝土替代；沉降后浇带处根据预应力值增设水平抗压粗钢筋，用于预应力的有效传递。
取预应力筋为单根φ15.2，按墙高范围计算预应力值。Ap=140mm2 ，σcon=0.75fptk=0.75×1860=1395 N/mm2，σpe= 0.8σcon，则有效预加应力为:σpe=0.8×1395=1116N/mm2 ，墙体换算截面（C40）为：3800×300+29390-2100=1167850mm2,两端张拉，张拉值设计值σpc= 140×1116×n/1167850=1.395N/mm2，n=11。考虑施工过程中的各种影响因素，决定采用15根预应力筋，实际预应力值σpc=2.007 N/mm2，布置如下图2
图2 预应力筋布置图
2.1.5 后浇带预留水平抗压粗钢筋计算：本工程地下室设置沉降后浇带两道，由于工期等因素，外墙在后浇带浇筑前即进行张拉，在后浇带位置根据预压应力值增设水平抗压钢筋，传递张拉预应力。采用HRB400级 25钢筋。取锚固长度lcE＞35d=875mm，本工程考虑长细比对柱承载能力的降低程度，按两端固接Lo=800mm/2=400mm，2r=25mm, Lo/2r=16， 
取0.79。
根据公式
, 1.1×1116×140×15=2577.96KN=0.9×0.79×360As,解得As =10071.73mm2。 25的受压钢筋根数取22根。对称布置于预应力筋外侧。
2.1.6 混凝土局部受压承载力验算：
对于无粘结预应力混凝土局部压力设计值取1.2倍张拉控制力和（fptkAp）中的较大值。锚具承压板140×140mm，Aln取19268mm2。
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标号 |
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预应力最大值 N/mm2 |
σpc N/mm2 |
ftk N/mm2 |
σ（16） N/mm2 |
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C15 |
7.2 |
187.459 |
1115 |
1.583 |
0.91 |
1.656 |
|
C25 |
11.9 |
309.54 |
1395 |
2.007 |
1.27 |
2.371 |
|
C30 |
14.3 |
371.968 |
1395 |
2.007 |
1.43 |
2.824 |
|
C35 |
16.7 |
434.397 |
1395 |
2.007 |
1.57 |
2.965 |
从上表局压值来分析，计划第一次张拉在混凝土达到C15时进行，第二次张拉应在C25时进行，采取两端双控张拉。
3、施工工艺：
3.1工艺流程
绑扎墙体钢筋——标注定位预应力筋——铺放并固定预应力筋——隐蔽验收——支墙模——分层浇筑混凝土——拆模且及时养护——标定张拉机具——两端张拉预应力筋——多余预应力筋切割——端部封闭处理
3.2 施工操作过程
3.2.1 混凝土浇筑前期工作
钢绞线分布在墙体钢筋内侧中轴线处，为确保预应力筋沿水平直线铺设，在竖向钢筋绑扎完成前，制作安装梯子筋支架，水平间距1m；沉降后浇带位穿入水平承压筋；预应力筋垂直间距中部为150mm，上下段为200mm，预应力张拉端留置在两端，锚垫板及弹簧筋安装后，封模板进行混凝土浇筑。参见图3、4、5
图3 梯子筋支架
图4 张拉端制安
图5 沉降后浇带抗压钢筋
3.2.2 张拉期的相关情况
本实验段墙体在浇筑混凝土24h后，用回弹仪检测到其强度达到C10；然而48h检测达到C25；测得墙体内外温差为15℃，当日气温为22℃~38℃。鉴此情况则立即进行一次性全预应力张拉，张拉采取了双控、两端张拉方式。
张拉前1h，对墙外侧模板拆除，随即发现两后浇带外端墙体外侧各出现2条竖向微裂缝，其中段40m墙体出现了6条竖向微裂缝。在张拉过程的6h时间段，墙体两端段各增加了1条微裂缝，中间段增加了3条裂缝，且中间段中部原2条微裂缝扩展至0.2mm，张拉后观察了48h，其中段墙仍发现增加了1条微裂缝，此后未见新增裂缝。
对比该地下室相邻未施加预应力的外墙，其裂缝数量减少50%以上。由此证明，在混凝土强度增长早期施加预应力，对控制裂缝有明显的效果。
3.3 出现裂缝的原因分析及改进方向
根据本工程实际情况考虑裂缝产生的几个原因如下：
（1）现场施工的泵送商品混凝土早期强度高，48h回弹仪测量混凝土强度达到C25，未施加预应力前混凝土内部水化热的激剧变化是引起墙体收缩变形而产生裂缝的主要原因。
（2）该墙体混凝土早期强度发展过于迅速，使我们大意而失去了原计划在C15阶段施加预应力的机会。且认定在局压容许的情况下，宜在C10阶段进行第一次张拉部分预应力。
（3）在张拉的6h过程中，仍有裂缝出现，是预应力的递增未能及时赶超温差应力。
（4）墙体中间段较长，且有6根附墙柱，其裂缝较两端段多，附墙柱刚度较大是否影响了预应力的传递，有待今后进一步深入研究。
（5）模板与混凝土之间的摩擦力，具有阻止混凝土收缩的作用，则混凝土早期未张拉前不宜拆除墙体模板。
三、结语
墙体裂缝控制除落实好现有技术措施外，对混凝土早期施加预应力值得推广。笔者通过对墙体裂缝的产生机理和温度应力的计算分析，得到了多方面的启示，但在实际施工过程中的一些技术环节还需进一步做好周密的筹划，才能得到满意的效果。
参 考 文 献
[1] 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）.
[2] 王铁梦．工程结构裂缝控制［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，1997．
[3] 孙田成，黎明，徐雷.超长混凝土结构温度应力简要计算及工程实践 .建筑结构学报.2011（8）
[4] 焦彬如，吴彦，陈黎明，郭昌生.超长混凝土墙体温度应力计算及裂缝控制新技术研究.土木工程学报.2011（9）
