钢板-混凝土组合剪力墙开裂原因分析及防控措施.pdf
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1、浙 江建 筑 , 第 3 3卷 , 第 4期 , 2 0 1 6年 4月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n,Vo 1 3 3,No 4,Ap r 2 0 1 6 钢 板一 混凝土组合剪 力墙开裂原 因分析及 防控措 施 Re a s o n s An a l y s i s a n d P r e v e n t i o n Co n t r o l Me a s u r e s o f t h e Cr a c k o f t h e S t e e I P l a t e Co n c r e t e Co mb i n e d Sh e a
2、r W a l I 陈丽娟 , 李成华 C H EN L 驰 a n,L ,C h e n g h u a ( 西安工业大学建筑工程 学院, 陕 西 西安 7 1 0 0 2 1 ) 摘要 : 钢板 混凝 土组合剪力墙开裂 问题一直是 困扰工程界的一 大难 题 , 现结合超 高层建筑工程实践 中常 出现 的钢板一 混 凝 土组合剪力墙开裂现象 , 从墙 体开裂理论分 析、 数 学分析 和实验分析 三个角度对钢板一 混凝土组合 剪力墙 裂缝产生机理进行 了初步 探索。通过对原材料 、 配合比 、 结构设计 和施工 四个方 面的优化 , 达 到防控钢板- 混凝土组 合剪力墙开裂 的 目的。最后得
3、出墙 体开 裂原因大致可以分为施工和早期 养护 、 温度 变形不 协调、 混凝土 的 自收缩作用 和外界环境 的腐 蚀 四类。实践证 明, 该钢板一 混凝 土 组合剪力墙开裂原因分析和防控措施 , 为其 在超高层建筑 中的充分应用提供 了依据 。 关键词 : 组合剪力墙; 开裂 ; 钢板 ; 混凝 土; 变形 中图分类号 : T U 3 9 8 9 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 0 0 2一 O 5 钢板一 混凝土组 合剪 力墙 是通过栓钉 进行 连接 并 由内填 钢板 和钢 筋混 凝 土板组 成 。它作 为 超高层 建筑
4、 中 的重要 抗侧 构件 , 具 有优 良的抗 震性 能 、 优越 的变 形性 能 、 承载 力大 、 强度 高 、 抗 侧 移刚 度大 、 延性 好 、 构件尺寸小 、 结构空间 占用率小等优 点, 因而在 超高层建筑中得到广泛的应用。随着现代社会高层 建筑的迅速发展 , 其对钢板一 混凝 土抗震性 、 高强性 尤其抗裂性 的要求也相应提高。 钢板 一 混凝 土 组 合 剪 力 墙 结 构 由于 混 凝 土 设 计 强度高 、 水化热温升 高、 温升速率快 、 收缩变形 ( 包 括硬化前的塑性收缩 、 硬化 时的 自收缩 、 温降收缩 、 干燥收缩 、 碳化收缩) 大 、 养护困难 、 水胶
5、 比低 、 粘性 大以及钢板 混凝土相互约束大等因素, 其在高层建 筑 的 实际 应 用 过 程 中开 裂 风 险 比较 大 。钢 板 一 混 凝 土组合剪力墙与普通的钢筋混凝土剪力墙开裂原因 原理相通但又不完全相同, 前者主要涉及钢板和混 凝土两种组成构件的接触变形协调性问题 , 这种裂缝 发生 的概率和危害程度大, 严重影响 了工程 的整体 性 、 耐久性 、 稳定性、 美观性以及承载力性能, 所 以建 收 稿 日期 : 2 0 1 60 l一1 2 作者简介 : 陈丽娟( 1 9 8 9 一 ) , 女 , 山东菏泽人 , 硕士在读。 筑科学界有必要加紧进行开裂原因研究, 寻找有效的 裂
6、 缝 防 控措 施 , 共 同攻 克 这一 困扰 建筑 业 多 年 的难 题 。本文主要从理论 、 数学 、 实 验三方 面分 析钢 板一 混 凝土组合剪力墙开裂 的原因, 并提出必要 的防控措 施 , 这对工程设计和施工等具有一定的实践意义。 1 钢板 混凝土组合 剪力墙 开裂原 因分析 本 文后续 提 到 的组 合 剪 力 墙 均 指 钢板 一 混 凝 土 组合 剪力 墙 , 钢 板 均包括 板 和板上 的栓 钉 , 温度应 力 均指钢板和栓钉与混凝土之间的应力 , 约束应力均 指钢板和栓钉对混凝土的约束力。 1 1 开裂理论 分析 1 1 1 原 材料 方 面 1 ) 水泥用量大组合剪力
7、墙 中的混凝 土设计强度 高 , 水泥用量和标号也相 应提高 , 是普通 混凝土水泥用 量的 1 5 2倍, 由于组合剪力墙厚度大于1 m, 属于大 体积混凝土; 另外, 混凝土属热惰性材料, 大量水泥集 中于组合墙 内部 , 水化放热聚集较多, 放热缓慢, 极易 造成混凝土内外温度梯度过大导致墙体开裂。 第 4期 陈丽娟等: 钢板一 混凝土组合剪力墙开裂原因分析及防控措施 3 2 ) 砂 石 的 含 泥 量 过 大 市 面上 的 天 然 砂 石 质 量相比以往下降很多 , 很多砂石含泥量过大, 不能满 足 配制 高强 混 凝 土 细 骨 料 所 用 的 中砂 含 泥 量 小 于 2 以及粗
8、骨 料 所 用 石 子 的含 泥 量 小 于 1 的标 准 要 求 。混凝 土 中砂 石 的含 泥 量 越 大 , 混 凝 土 自收缩 就越 大 , 墙体 越易 开裂 。 3 ) 活性 矿 物 料 掺 入 过 多 活性 矿 物 料 颗 粒 超 细 比表面积很大 , 从而需水量较多 , 致使混凝土失水 过 多 。混 凝 土 随 着 失 水 量 的 增 大 自收缩 量 明 显 增 大 , 因而加速 了墙体的开裂。 1 1 2配合 比方 面 1 ) 水 泥 品 种 和 用 量 选 用 不 当 组 合 剪 力 墙 结 构所用水泥强度等级越 高混凝土开裂的几率越大。 当选 用 的水 泥质量 不好 , 比
9、如水 泥不够 均 匀 , 将 会导 致 混凝 土强 度发展 期 间水 化 热 聚 集 不 均匀 , 形 成较 大 的温度 梯度 差 , 加 速 了混 凝 土 的 开裂 。水 泥 用 量 过 大 的影 响 如前 1 1 1中 的 1 ) 所 述 。 2 ) 砂 率 选 择 不 当 早 在 2 0 0 7年 , 喻 骁 便 通 过 4组实验 , 有力地证明了当砂率处在 3 6 4 3 范 围时 , 混凝 土塑性 收缩面 积最 大 , 当砂率 较大 或较 小 时 , 混 凝土 塑性 收缩 裂 缝 反 而 略 小 。图 1 是 根据 四组实验 ( s P 。 、 s P 、 s P 、 s P ) 的
10、结果绘得 的砂率 与 裂缝 总 面积 的关 系图 。 图 1 砂 率 与 混 凝 土 裂 缝 面 积 的 关 系 3 ) 水 胶 比( 水灰 比 ) 低混凝 土 中水 胶 比( 水灰 比) 低 , 即水少胶 凝材料 ( 水泥 用量 ) 多 , 胶 凝材 料 ( 水 泥 ) 水化热 引起 混 凝土 内部温度 变 化 , 栓 钉 与混 凝土 接触部位产生不协调变形, 易导致组合剪力墙开裂。 1 1 3 结 构设计 因素 1 ) 混凝土设计强度高 随着高层建筑 的 日益 崛起 , 组合 剪力墙 结 构 的混 凝 土设 计 强 度 也 逐 渐 提 高 , 设计要求一般为 C 4 0以上。高强混凝土 因
11、水化 热聚集较大 , 在提高组合剪力墙承载力的同时加大 了墙 体早 期开 裂 的风 险。 2 ) 组合 剪 力 墙 后 浇 带 留置 不 正 确 对 于 一 些 过 长或过 高 的组合 墙 要 留置 后 浇 带 , 地 下 室外 墙 在 夏季 施工 时 , 后 浇 带 间 距 不 宜 大 于 2 0 m, 间 距 过 大 则容 易导 致组 合墙 温度 收缩 不均 产生 裂缝 。 3 ) 组合剪力墙配筋不合理 一方 面组合剪力 墙水 平配 筋 的直径 、 间距 过大 , 违 背 了配筋 细而 密且 可抵 抗 收缩应 力 的原则 , 墙体 易 发生 收缩变 形 ; 另一 方 面构造 筋 配置不 合
12、理 , 混凝 土 的抗裂 性 能降低 , 这 也是 墙体 容易 开裂 的重 要影 响 因素之 一 。 4 ) 钢 板 厚 度 大 在 相 同温 度 应 力 条 件 下 钢 板 越厚 , 钢板 与混 凝 土之 间 的不 协调 变形 越大 , 钢板 与 混凝 土接 触处 的应 力 差 更 大 , 这 是 诱 发 组合 剪 力 墙 开裂 的不 容忽 视 的原 因 。 1 1 4施 工方 面 1 ) 施 工 工 艺 方 面 组 合 剪 力 墙 开裂 一 般 发 生 在施工早期 , 若在混凝 土运输和浇筑过程 中没有及 时采取有效的措施 , 如没有对泵送混凝土的输送管 全程覆盖遮阳来 降低钢板和混凝土的
13、温度应力差 , 则容 易造 成界 面拉 应力 过大 而加 速墙 体 的开裂 。 2 ) 施 工 工 序 方 面 组 合 剪 力 墙 结 构 中 混 凝 土 的浇 筑一 般采 用跳 仓 分 块 法 浇筑 , 所 以 浇筑 时 间和 顺序的合理把控成为施工中重要的一道工序。当采 用分层连续浇筑或推移式连续浇筑时, 若在上层混 凝 土初凝 之前 不及 时 进 行 下 一层 混 凝 土 的浇 筑 , 混 凝 土 内部 水化 热则 会 大 量 积 聚 不 能充 分 发 散 , 从 而 加大 了混 凝土水 化 热和 收缩 的影 响 。 1 1 5 环 境影 响方 面 1 ) 温 度 的 影 响 经 前 人
14、 的实 验 研 究 和 工 程 实 践证 明 : 对 相 同强度 的地 下室 外墙 进行 浇筑 , 在平 均 气温高于 2 5时墙体容易产生竖向裂缝; 在平均气 温低于 1 0时墙体则不产生裂缝。因为气温越高, 混凝 土产 生 的拉应 力越 大 , 墙 体越 易开 裂 。 2 ) 腐蚀性 材料 的影响 组合剪力墙配 料 中不 可避免 的会 含有 一 定 的腐 蚀性 材 料 , 比如酸 、 碱 、 盐 对结构的腐蚀 。这些腐蚀性 材料腐蚀后 的三态产 物, 促使墙体膨胀 而开裂。 3 ) 混凝土养护条件 的影响 较厚 的组合剪 力 墙 体 内部水 化热 积 聚 较 高 , 拆模 后 如不 及 时
15、 对 混凝 土 进行保 温保 湿 养 护 , 一 方 面混 凝 土 表 面 热 扩散 速 率过快而形成较大的内外温度差 ; 另一方面混凝土 目 g 一 恒趱 4 浙江建筑 2 0 1 6年第 3 3卷 表面脱水干燥而收缩 , 所 以都易于致使混凝 土表面 裂纹 的产 生 。 1 2开 裂数 学分析 1 2 1 基 本假定 1 ) 在模拟分析施工初期钢板一 混凝土组合剪力 墙 水化 热 对混凝 土 温 度 场 和 应力 场 的影 响 时 , 时 常 假定混凝土是一种各向同性材料 。 2 ) 假定本数 学分析只考虑非荷载条件 下 的应 力 应变 关 系 , 并 视混 凝 土 和 钢 板 的 温度
16、变 化 历 程 一 致 , 见 图 2 。 塞 龄期, l I 图 2 钢 板与混凝土同步温升历程 1 2 2准 备工 作 钢板 和混 凝 土两 种 材 料 的线 膨 胀 系数 不 同 , 在 组合剪力墙强度发展过程中, 混凝土由于水化热作 用产 生不 协调 性变 形 , 这 是 导 致 钢 板混 凝 土 组 合 剪 力墙 施 工 早 期 开 裂 的 主 要 因 素 之 一 。 D C u s s o n 等 的实测结果从图3可知 ; 混凝土的线膨胀系数在 ( 51 0 )1 0 , 由表 1可 知在 3 5 0 o C以 内 , 钢 板 的线膨胀系数基本稳定在 1 21 0 上下。显然 ,
17、钢板的线膨胀系数高于混凝土的线膨胀系数, 所以相 同温度变化 范围 内 , 钢板 的变形要大 于混凝 土 的。 f、 邕 谶 赣 图 3 混凝 土早期热膨胀系数 表 1 3 5 0 o C以内国产钢 材的线膨胀系数 ( 从 2 0至 下列温度 ) ( 1 0 ) 1 2 3 温 升 阶段 分 析 设 钢 板与 混凝 土 达 到温 升 峰 值 时 的 龄 期 为 t , 对 应 峰值 温度 为 T ( t ) 。 温 升 阶 段组 合 剪 力 墙 产 生 温度应变 , 钢板和混凝土同时发生温度膨胀 , 由图 3 和表 1易知 , 钢板 的线膨胀系数 比混凝 土的线膨胀 系数大, 所 以混凝土相对
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