CN106703224A - 一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，裂缝控制的装置包括设置在混凝土墙中的混凝土钢筋体，所述混凝土钢筋体间的墙体中设置有第一钢筋固定架和第二钢筋固定架，所述第一钢筋固定架和第二钢筋固定架底部设有采用钢板弯折成的第一十字插板和第二十字插板。本发明中的隐式诱导插板受拉刚度较小，在水平力作用下可以发生很大变形，能达到更好的温度应力释放效果，且钢板在拉力作用下无渗漏风险，因此可以更好地控制墙体裂缝，能起到更好的止水作用。

Description

一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计 方法

技术领域

本发明涉及混凝土墙体裂缝控制技术领域，具体为一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法。

背景技术

超长混凝土墙体结构是指结构单元长度超过了规范所规定的钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距的混凝土墙体结构，或伸缩缝间距虽然未超过规范限值但结构温差变化较大、混凝土收缩较大钢筋混凝土墙体结构。《混凝土结构设计规范》GB50010-2010规定：一般钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距，对于现浇式挡土墙、地下室侧墙等类结构，室内或土中为30m，露天为20m。

众所周知，混凝土材料抗压强度高，抗拉强度却很低，特别是用于泵送的混凝土，其骨料直径小，塌落度大，本身更易出现收缩和温度应力导致的裂缝。超长混凝土墙体结构属于高阶超静定结构，且墙体的厚度和长度相比很小，由混凝土水化放热、混凝土收缩、季节温差等引起的温度和收缩应力突出，工程经验证明：长度越长，裂缝越多，宽度越大。虽然这类裂缝属非荷载性裂缝，一般短期内不致影响构件承载力和结构安全，但却会影响结构的耐久性、整体性和防水性，长期裂缝渗水会致钢筋锈蚀而影响结构长期安全性，同时裂缝和渗水也会给使用者带来感官和心理上的不良影响。

超长混凝土墙体结构的代表是量大面广的地下室外墙，其受使用功能和地下室防水要求的限制，通常不能设置变形缝，但目前建筑设计中，绝大多数地下室长度远远超过规范关于混凝土结构设置伸缩缝的最大间距(室内或土中为30m)的规定，混凝土墙体出现裂缝的现象不可忽视。调查表明，100个地下室95个有裂缝，甚至长度仅50-60米的小地下室侧墙也有裂缝；外墙开裂特别突出，其数量占被调查工程数的85％以上。在混凝土墙体出现裂缝后，需要对其进行压力注浆对裂缝进行封闭处理，不仅费钱、费时、费力，且不一定能根除裂缝，经济损失较大。因此，研究开发新型超长混凝土墙体结构的裂缝控制措施和设计方法具有十分重要的现实意义。

目前，超长混凝土墙体结构采用的一般裂缝控制方法有两大类，一大类是混凝土成分和施工控制(常规方法)，另一大类是采取特殊的构造措施。前者有混凝土浇筑前掺入微膨胀剂(抗裂纤维)、施工时设置后浇带、施工完成后加强混凝土保湿养护等，此类措施可降低混凝土本身的收缩应力或提高其抗拉强度但幅度很有限，当墙体长度超过一定程度时，其效果不能令人满意。后者是近年来出现的新方法，即通过采取特殊的构造措施来减少混凝土墙体结构的裂缝，工程中常用的是设置裂缝诱导缝法。该方法是在混凝土墙体中部人为设置通缝，使之成为墙体薄弱之处，将随机出现的混凝土裂缝引导至该固定位置，方便后期裂缝寻找和修补处理，是超长混凝土墙体裂缝控制思路的一大转变：既然裂缝难以避免，不如让其集中于一处，不至到处发生影响使用。但诱导缝毕竟是明缝，缝宽会随温度明显变化，况且一般设计中每隔100-150米设置一道，应力集中现象明显，使得诱导缝处渗漏严重，工程应用经验表明一些诱导缝维修后不定时开裂，难以完全修复，后期维护较麻烦。

在特殊措施方法中，近年来新出现了设置分割插板的方法，即在混凝土墙体中部设置薄钢板对混凝土墙体的内核进行分割，用以释放非荷载(温度和混凝土收缩)作用。一般在混凝土墙体的内核砼中沿墙长方向用薄钢板(1mm厚)进行竖向分割，然后在垂直于分隔钢板的轴线位置设置止水钢板(3mm厚)，两者通过竖向焊缝形成十字形插板，典型做法见图1，放置于墙体二侧的钢筋网之间。同时，为了避免混凝土墙体的表面裂缝产生，补充设置了无粘结的预应力钢筋，一般每隔300mm左右设置一束，长度一般在30米左右。由于该方法构造和施工措施存在一些缺陷，往往达不到预计的效果，工程实际应用极少。

常规裂缝控制方法是混凝土浇筑前掺入微膨胀剂(抗裂纤维)、施工时设置后浇带、施工完成后加强混凝土保湿养护等，因混凝土浇筑现场施工条件、施工工艺、环境条件、混凝土自身性能不同，实际工程中这些措施能起到多少作用尚不可知，只能作为基础措施普遍采用，对于实际工程中150米以上的混凝土墙体结构，如没有特殊有效的措施，其裂缝数量和大小会处于失控状态。设置裂缝诱导缝，如设置数量少，则设缝处渗漏严重，会反复开裂，难以完全修复，后期维护很麻烦。有的工程经验告诉我们，即使设置了裂缝诱导明缝，混凝土墙体上仍会有大量裂缝出现，实际效果与预期有较大的差别。设置分割插板法的主要缺陷有：a)分割钢板和止水钢板均较薄，焊接时极易焊穿成孔，无法止水而致墙体渗漏。b)分割钢板两侧的混凝土与止水钢板存在粘结，现场试验证明其粘结力很大，导致分割钢板两侧的混凝土实际上是一个整体，墙体收缩时无法分离，当降温较大时甚至可能使止水钢板的焊缝拉断失去止水能而整体失效。c)该插板无固定措施，在混凝土浇筑前无法定位，且钢板厚度极小，混凝土浇筑时震捣棒作用下无法保持自立状态，难以保证使用阶段能达到预定效果。d)设置插板后浇筑混凝土并达到强度后，混凝土墙体即进行张拉无粘结预应力钢筋，分割钢板两侧混凝土在预应力作用下被重新压紧成为完整墙体，无法在温度荷载收缩作用下及时分开，无法起到预定作用。

随着经济和城市的快速发展，为解决停车、设备机房、地下人防工程等问题，新建建筑物越来越多设置地下室，其平面尺寸也不断提高，已有的工程建设中最大不可设缝长度已达500米左右。混凝土墙体结构直接抵抗地下水和土的作用，裂缝的发生和开展会导致渗漏的发生，小则影响地下室的正常使用，大则影响结构安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，裂缝控制的装置包括设置在混凝土墙中的混凝土钢筋体，所述混凝土钢筋体间的墙体中设置有第一钢筋固定架和第二钢筋固定架，所述第一钢筋固定架和第二钢筋固定架底部设有采用钢板弯折成的第一十字插板和第二十字插板。

优选的，所述第一十字插板和第二十字插板间采用铆钉铆接。

优选的，所述第一十字插板和第二十字插板与第一钢筋固定架和第二钢筋固定架间采用铆接方式固定。

一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，包括如下步骤：

S1：超长混凝土墙体结构在综合等效温差作用下的应力计算方法宜采用考虑材料非线性的弹塑性有限元分析方法，当混凝土墙体总长度L满足L≤[L_max]和和C_x＝C_x1+C_x2要求，可仅进行弹性阶段的温度应力计算。

S2：有限元计算分析基本原则，

1)采用考虑材料非线性的有限元计算软件，可选ABAQUS、ANSYS等通用有限元分析软件；

2)混凝土墙板宜采用考虑面内应力的二维膜单元或板单元模拟，梁柱杆宜采用与二维单元协调的梁单元或杆单元模拟，当应力集中现象明显时采用三维实体单元模拟；

3)混凝土及钢筋的材料本构关系可按《混凝土结构设计规范》(GB50010)附录C相关规定选用；

4)应按工程实际情况选取建模范围，当考虑与混凝土墙板连接的构件刚度贡献时，外伸建模尺寸不宜小于连接构件较大厚度的10倍；

5)合理选取有限元模型的边界条件，偏于保守的一般采用墙体底部固定，顶部自由的边界条件，有条件时也可考虑底墙板与土体摩擦刚度、如支承在桩基上的也可考虑桩基对墙板的水平约束刚度。按4款考虑底板和顶板范围建模时，边界条件可取为固定支座；

6)墙体发生裂缝的判断准则，弹性阶段计算时混凝土强度指标可取其强度标准值(f_ck，f_tk)，弹塑性阶段计算时可取容许裂缝宽度对应的极限拉应变(一般可取400με)。

S3：墙体长度满足L≤[L_max]和和C_x＝C_x1+C_x2要求的墙体结构可按弹性温度应力计算结果进行配筋设计，不满足时，采用在墙体两侧钢筋网间设置分割钢板方式进行裂缝控制设计；

S4：在墙体两侧钢筋网间设置分割钢板，其设计应符合以下要求：

1)应建立模拟设置分割钢板的墙体结构计算模型，采用考虑材料非线性的弹塑性有限元计算分析，按墙体竖向裂缝开展间距的计算结果确定插板设置间距L，L不宜大于18米；

2)隐式诱导插板宜选用2mm的薄钢板，钢板边至墙体边缘应大于2倍保护层厚度，且分割钢板长不宜小于150和1/3墙板厚度的大值；

3)应对设置分隔钢板后的墙体结构采用考虑材料非线性的弹塑性有限元计算综合等效温度作用下的应力，并进行分隔钢板间距内墙体和分隔钢板设置范围墙体的配筋和抗裂设计；

4)分割钢板设置范围的墙体可采用局部加设墙体水平短钢筋的方式控制裂缝宽度，当裂缝不满足规范要求时，应减小分割钢板设置间距，降低分割板区域内应力以满足裂缝控制要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中的隐式诱导插板受拉刚度较小，在水平力作用下可以发生很大变形，能达到更好的温度应力释放效果，且钢板在拉力作用下无渗漏风险，因此可以更好地控制墙体裂缝，能起到更好的止水作用。本发明采用铆钉预连接，成品质量易保证，同时支架的设置也保证了施工时的便利性和可靠性。本发明中提出了完整的隐式诱导插板设计方法，给出了简便的墙体裂缝间距估算公式和基于隐式诱导插板的弹塑性有限元计算分析方法和裂缝控制措施。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明裂缝控制的装置结构示意图。

图中：1混凝土钢筋体、2第一钢筋固定架、3第一十字插板、4第二钢筋固定架、5第二十字插板、6铆钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，裂缝控制的装置包括设置在混凝土墙中的混凝土钢筋体1，所述混凝土钢筋体1间的墙体中设置有第一钢筋固定架2和第二钢筋固定架4，所述第一钢筋固定架2和第二钢筋固定架4底部设有采用钢板弯折成的第一十字插板3和第二十字插板5。

所述第一十字插板3和第二十字插板5间采用铆钉6铆接。

所述第一十字插板3和第二十字插板5与第一钢筋固定架2和第二钢筋固定架4间采用铆接方式固定。

一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：超长混凝土墙体结构在综合等效温差作用下的应力计算方法宜采用考虑材料非线性的弹塑性有限元分析方法，当混凝土墙体总长度L满足L≤[L_max]和和C_x＝C_x1+C_x2要求，可仅进行弹性阶段的温度应力计算。

混凝土极限拉伸应变

ft,r(N/mm2)	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0
								εtr(10-6)	65	81	95	107	118	128	137

各种地基及基础约束下的C'_x1值表

注：1.本表中C'_x1的下限值用于基础埋深等于或小于5m，上限值用于基础埋深大于5m；

2.在岩石上、大块混凝土上、大块钢筋混凝土上浇筑新混凝土时，C'_x1取100～150×10^-2N/mm³；

当混凝土墙体支承于桩基上时，

式中：n——当桩头铰接时取2，固接时取4；

E——桩基材料的弹性模量(MPa)；

H——桩头单位侧移的水平力；

F——每个桩分担的地基面积F＝A×B；

F₁——地基面积F₁＝F-π×b²/4；

I——单根桩弯曲平面内的惯性矩(mm⁴)；

K_h——地基水平侧移刚度，取1×10^-2N/mm³；

b——桩的直径(mm)。

S2：有限元计算分析基本原则，

1)采用考虑材料非线性的有限元计算软件，可选ABAQUS、ANSYS等通用有限元分析软件；

2)混凝土墙板宜采用考虑面内应力的二维膜单元或板单元模拟，梁柱杆宜采用与二维单元协调的梁单元或杆单元模拟，当应力集中现象明显时采用三维实体单元模拟；

3)混凝土及钢筋的材料本构关系可按《混凝土结构设计规范》(GB50010)附录C相关规定选用；

4)应按工程实际情况选取建模范围，当考虑与混凝土墙板连接的构件刚度贡献时，外伸建模尺寸不宜小于连接构件较大厚度的10倍；

5)合理选取有限元模型的边界条件，偏于保守的一般采用墙体底部固定，顶部自由的边界条件，有条件时也可考虑底墙板与土体摩擦刚度、如支承在桩基上的也可考虑桩基对墙板的水平约束刚度。按4款考虑底板和顶板范围建模时，边界条件可取为固定支座；

6)墙体发生裂缝的判断准则，弹性阶段计算时混凝土强度指标可取其强度标准值(f_ck，f_tk)，弹塑性阶段计算时可取容许裂缝宽度对应的极限拉应变(一般可取400με)。

S3：墙体长度满足L≤[L_max]和和C_x＝C_x1+C_x2要求的墙体结构可按弹性温度应力计算结果进行配筋设计，不满足时，采用在墙体两侧钢筋网间设置分割钢板方式进行裂缝控制设计；

S4：在墙体两侧钢筋网间设置分割钢板，其设计应符合以下要求：

1)应建立模拟设置分割钢板的墙体结构计算模型，采用考虑材料非线性的弹塑性有限元计算分析，按墙体竖向裂缝开展间距的计算结果确定插板设置间距L，L不宜大于18米；

2)隐式诱导插板宜选用2mm的薄钢板，钢板边至墙体边缘应大于2倍保护层厚度，且分割钢板长不宜小于150和1/3墙板厚度的大值；

3)应对设置分隔钢板后的墙体结构采用考虑材料非线性的弹塑性有限元计算综合等效温度作用下的应力，并进行分隔钢板间距内墙体和分隔钢板设置范围墙体的配筋和抗裂设计；

4)分割钢板设置范围的墙体可采用局部加设墙体水平短钢筋的方式控制裂缝宽度，当裂缝不满足规范要求时，应减小分割钢板设置间距，降低分割板区域内应力以满足裂缝控制要求。

本发明中的隐式诱导插板受拉刚度较小，在水平力作用下可以发生很大变形，能达到更好的温度应力释放效果，且钢板在拉力作用下无渗漏风险，因此可以更好地控制墙体裂缝，能起到更好的止水作用。本发明采用铆钉预连接，成品质量易保证，同时支架的设置也保证了施工时的便利性和可靠性。本发明中提出了完整的隐式诱导插板设计方法，给出了简便的墙体裂缝间距估算公式和基于隐式诱导插板的弹塑性有限元计算分析方法和裂缝控制措施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，裂缝控制的装置包括设置在混凝土墙中的混凝土钢筋体(1)，其特征在于：所述混凝土钢筋体(1)间的墙体中设置有第一钢筋固定架(2)和第二钢筋固定架(4)，所述第一钢筋固定架(2)和第二钢筋固定架(4)底部设有采用钢板弯折成的第一十字插板(3)和第二十字插板(5)。

2.根据权利要求1所述的一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，其特征在于：所述第一十字插板(3)和第二十字插板(5)间采用铆钉(6)铆接。

3.根据权利要求1所述的一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，其特征在于：所述第一十字插板(3)和第二十字插板(5)与第一钢筋固定架(2)和第二钢筋固定架(4)间采用铆接方式固定。

4.根据权利要求1所述的一种采用隐式裂缝诱导插板的超长混凝土墙体裂缝控制设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：超长混凝土墙体结构在综合等效温差作用下的应力计算方法宜采用考虑材料非线性的弹塑性有限元分析方法，当混凝土墙体总长度L满足L≤[L_max]和和C_x＝C_x1+C_x2要求，可仅进行弹性阶段的温度应力计算。

S2：有限元计算分析基本原则，

1)采用考虑材料非线性的有限元计算软件，可选ABAQUS、ANSYS等通用有限元分析软件；

2)混凝土墙板宜采用考虑面内应力的二维膜单元或板单元模拟，梁柱杆宜采用与二维单元协调的梁单元或杆单元模拟，当应力集中现象明显时采用三维实体单元模拟；

3)混凝土及钢筋的材料本构关系可按《混凝土结构设计规范》(GB50010)附录C相关规定选用；

4)应按工程实际情况选取建模范围，当考虑与混凝土墙板连接的构件刚度贡献时，外伸建模尺寸不宜小于连接构件较大厚度的10倍；

5)合理选取有限元模型的边界条件，偏于保守的一般采用墙体底部固定，顶部自由的边界条件，有条件时也可考虑底墙板与土体摩擦刚度、如支承在桩基上的也可考虑桩基对墙板的水平约束刚度。按4款考虑底板和顶板范围建模时，边界条件可取为固定支座；

6)墙体发生裂缝的判断准则，弹性阶段计算时混凝土强度指标可取其强度标准值(f_ck，f_tk)，弹塑性阶段计算时可取容许裂缝宽度对应的极限拉应变(一般可取400με)。

S3：墙体长度满足L≤[L_max]和和C_x＝C_x1+C_x2要求的墙体结构可按弹性温度应力计算结果进行配筋设计，不满足时，采用在墙体两侧钢筋网间设置分割钢板方式进行裂缝控制设计；

S4：在墙体两侧钢筋网间设置分割钢板，其设计应符合以下要求：

1)应建立模拟设置分割钢板的墙体结构计算模型，采用考虑材料非线性的弹塑性有限元计算分析，按墙体竖向裂缝开展间距的计算结果确定插板设置间距L，L不宜大于18米；

2)隐式诱导插板宜选用2mm的薄钢板，钢板边至墙体边缘应大于2倍保护层厚度，且分割钢板长不宜小于150和1/3墙板厚度的大值；

3)应对设置分隔钢板后的墙体结构采用考虑材料非线性的弹塑性有限元计算综合等效温度作用下的应力，并进行分隔钢板间距内墙体和分隔钢板设置范围墙体的配筋和抗裂设计；

4)分割钢板设置范围的墙体可采用局部加设墙体水平短钢筋的方式控制裂缝宽度，当裂缝不满足规范要求时，应减小分割钢板设置间距，降低分割板区域内应力以满足裂缝控制要求。