一种梯度组合墙体的抗裂计算方法及验证方法与流程

本发明涉及建筑工程墙体施工，尤其涉及一种梯度组合墙体的抗裂计算方法及验证方法。

背景技术：

1、近年来，地下空间开发利用日益增加，形成了许多超长超大超深的地下室结构。根据国家及行业规范规定，所述超长超大超深的地下室结构为最大空间边长长度大于10m，平面空间面积大于200m2，深度低于5m的地下室结构，这种地下室结构中的混凝土在浇筑过程中很容易因变形而导致形成混凝土裂缝。因此，在地下建筑工程施工过程中，对于裂缝控制是极其重要的一个技术环节，但混凝土的材料特性决定了混凝土结构裂缝的出现是不可避免，当地下室外墙存在裂缝时导致地下水渗漏，会影响结构耐久性和安全性，裂缝问题仍然是建筑行业的难题之一。

2、导致混凝土结构出现裂缝的因素很多，包括混凝土表面湿度变化、自身体积变形、徐变及温度等因素，这些因素引起产生的裂缝约占结构裂缝的90％。过去，常通过设置永久伸缩缝来控制结构裂缝，但是永久伸缩缝不仅造价较高，安装后可能影响建筑物的美观，而且建筑物在使用过程中，可能会出现由于伸缩缝的移动而引起噪音和振动，同时，永久伸缩缝的长期使用和老化可能导致泄漏和损坏，需要及时进行检修和更换，目前在地下室混凝土结构设计中基本上不再设置永久伸缩缝，导致平面尺寸超长、超大的混凝土结构迅速涌现。

3、墙体裂缝控制技术涉及的专业方向较多，主要涉及到结构、材料、施工、设计、环境等多专业，目前在国内外还没有成熟有效的裂缝控制技术措施，针对重点工程的超大超长混凝土结构的裂缝控制方式主要采用全尺寸混凝土浇筑、养护，但是这种方法需要投入大量的浇筑模板，而且对施工工艺要求很高，不仅需要短时间内完成混凝土浇筑，而且需要设计有效的温度变化控制方案，对施工场地、工期安排及人力投入等都极为苛刻，绝大多数工程并不适用，而且这种方式也只能在一定范围内最大限度降低裂缝产生，效果并不是特别理想；也有其他多篇专利技术文件公开了一些墙体裂缝控制方案，比如，授权公告号为cn215564429u，名称为一种改善超长地下室墙体混凝土收缩裂缝装置中，采用在封合模板上设置防裂缝结构，通过该结构的特殊截面设置控制应力分散，但是这种方式会影响混凝土结构的整体性，墙体承力效果较差；另一篇申请公布号为cn115749049a，名称为一种超长剪力墙双向分级诱导缝防开裂施工方法的专利则公开了通过设置诱导缝预埋模板的方式，对混凝土结构控制形成分级诱导缝，形成预裂部位，合理引导裂缝开展，减少应力集中，避免裂缝无序产生，但是这种方式存在操作繁琐，严重影响施工进度的问题。

4、因此，如何防止或减小混凝土的收缩，避免墙体因变形较大而产生裂缝，保证超长地下室混凝土结构的安全和正常使用功能，是建筑工程墙体施工过程中的重大技术问题，而且，如何降低施工成本，减少施工工序，缩短施工工期，达到较好的施工经济性，也是在控制墙体裂缝中需要重点考虑的问题，针对这些问题，发明了一种梯度组合墙体，但是如何设计计算该梯度组合墙体的抗裂性能，以及如何验证该梯度组合墙体的变形能否避免产生裂缝，成为采用该梯度组合墙体过程中不可避免的重要技术研究内容。

技术实现思路

1、本发明的目的之一至少在于，针对设计出的梯度组合墙体结构，如何计算该梯度组合墙体的抗裂性能，以及如何验证该梯度组合墙体的变形满足不再产生裂缝，使其满足后续运营使用的问题，提供一种梯度组合墙体的抗裂计算方法及验证方法，该梯度组合墙体的抗裂计算方法通过分别计算梯度组合墙体的混凝土干缩指标参数、混凝土冷缩指标参数及混凝土极限拉伸指标参数，计算混凝土限制膨胀指标参数是否满足该要求，从而确定该该梯度墙体是否满足抗裂条件，后续不再产生裂纹。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

3、一种梯度组合墙体的抗裂计算方法，其特征在于，该梯度组合墙体包括底板、间隔设置在底板上的反力墩以及浇筑在底板上的中间墙体，所述中间墙体填充在相邻两个反力墩之间，使得底板、反力墩和中间墙体形成整体墙体结构，所述反力墩为普通混凝土结构，所述中间墙体为膨胀混凝土浇筑形成，在计算中间墙体的膨胀混凝土配比及性能以满足梯度组合墙体的抗裂条件时，包括以下步骤：

4、步骤a：计算梯度组合墙体中中间墙体的混凝土干缩指标参数εd；

5、步骤b：计算中间墙体的混凝土冷缩指标参数εt；

6、步骤c：计算中间墙体的混凝土极限拉伸指标参数εpa；

7、步骤d：计算中间墙体的混凝土限制膨胀指标参数εe，当混凝土限制膨胀指标参数εe满足0＜εe-εd-εt＜εpa时，混凝土不开裂，由此计算得到混凝土限制膨胀指标参数εe的取值范围εd+εt＜εe＜εpa+εd+εt，并进而配制出满足梯度组合墙体抗裂条件的中间墙体的膨胀混凝土配比及性能。

8、优选的，所述步骤a中计算中间墙体的混凝土干缩指标参数εd时，根据中间墙体的混凝土特性计算得到，包括混凝土在标准状态下的极限收缩值，以及混凝土在非标准条件下的修正系数，所述混凝土干缩指标参数式中，为标准状态下的极限收缩值，m1、m2、…mn为各种非标准条件的修正系数，包括水泥品种m1、水泥品种m2、骨料类型m3、水灰比m4、水泥浆量m5、初期养护时间m6、环境湿度m7、配筋率m8和振捣操作方法m9，b为经验系数，t为混凝土龄期(天)。

9、优选的，所述步骤b中获得中间墙体的混凝土冷缩指标参数εt时，根据中间墙体的混凝土特性计算得到，包括混凝土的线膨胀系数、浇筑混凝土时的中心最高温度、环境温度平均值以及中间墙体混凝土的约束系数，所述εt＝a(t温峰-t环境)·r，式中，α为混凝土线膨胀系数，t温峰为混凝土中心最高温度(℃)，t环境为环境温度平均值(℃)，r为中间墙体混凝土的约束系数。

10、优选的，所述混凝土中心最高温度t温峰采用计算方式得到，计算时，t温峰＝t入模+t水化温升，式中，t入模为混凝土平均入模温度(℃)，t水化温升为混凝土中心最高温度(℃)；

11、其中，所述t水化温升＝αtmax，α为混凝土散热系数，tmax为混凝土绝热温升(℃)，所述混凝土绝热温升式中，w为混凝土胶凝材料用量(kg/m3)，q为胶凝材料水化热总量，c为混凝土的比热，ρ为混凝土容重，m为与水泥品种、浇筑温度等有关的系数；

12、其中，胶凝材料水化热总量q＝k1﹒k2﹒q0，k1和k2分别为粉煤灰和矿粉在在不同掺量下的系数，q0，水泥水化热总量。

13、优选的，所述步骤c中获得中间墙体的混凝土极限拉伸指标参数εpa时，根据混凝土抗裂强度及截面配筋情况计算得到，所述混凝土极限拉伸指标参数式中，rf为混凝土抗裂设计强度(mpa)，ρ为截面配筋率，ρ＝μ×100，μ为配筋率，d为配筋直径(cm)。

14、对应地，本技术方案还提供了一种梯度组合墙体的验证方法，通过上述所述的梯度组合墙体的抗裂计算方法得到的膨胀混凝土配合比及性能，在验证由膨胀混凝土浇筑形成中间墙体的是否满足梯度组合墙体抗裂条件时，包括以下内容：

15、步骤ⅰ：验证并优化由上述梯度组合墙体的抗裂计算方法得到的膨胀混凝土配合比；

16、步骤ⅱ：调整并优化梯度组合墙体中的反力墩结构，验证反力墩在梯度组合墙体中的作用；

17、步骤ⅲ：根据梯度组合墙体在运营使用过程中的裂缝出现情况，分析验证梯度组合墙体的抗裂性特性。

18、优选的，所述步骤ⅰ中在验证由梯度组合墙体的抗裂计算方法得到的膨胀混凝土配合比时，包括以下步骤：

19、步骤ⅰ-1：根据得到的膨胀混凝土配合比重新计算中间墙体的混凝土干缩指标参数εd、混凝土冷缩指标参数εt以及混凝土极限拉伸指标参数εpa；

20、步骤ⅰ-2：计算中间墙体的混凝土限制膨胀指标参数εe，验证混凝土限制膨胀指标参数εe是否满足0＜εe-εd-εt＜εpa，如满足，则转到步骤ⅰ-3，如不满足，则转到步骤步骤ⅰ-4；

21、步骤ⅰ-3：根据验证得到的εe取值范围，进一步优化膨胀混凝土配合比，降低膨胀混凝土单位重量的成本；

22、步骤ⅰ-4：根据步骤ⅰ-2中验证过的限制膨胀指标参数εe，重新调配出膨胀混凝土配合比，并再次转到步骤ⅰ-1和步骤ⅰ-2。

23、优选的，所述步骤ⅱ中在验证反力墩在梯度组合墙体中的作用及调整并优化梯度组合墙体中的反力墩结构时，包括以下内容：

24、ⅱ-1：采用钢模板+支撑结构的形式作为反力墩，验证反力墩的作用；

25、ⅱ-2：调整反力墩高度，优化梯度组合墙体的结构设计；

26、ⅱ-3：调整反力墩长度，进一步优化梯度组合墙体的结构设计。

27、优选的，所述步骤ⅲ在验证梯度组合墙体的抗裂性特性时，包括通过设计中间墙体中的配筋率及配筋直径，验证在计算混凝土拉伸指标参数εpa时的正确性。

28、优选的，所述步骤ⅲ在验证梯度组合墙体的抗裂性特性时，还包括：通过制作试块并进行试验，测得试块的收缩参数并绘制曲线，验证试块的收缩值在通过抗裂计算方法得到的参数值范围内。

29、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

30、1、本技术中梯度组合墙体的抗裂计算方法及验证方法，是基于梯度组合墙体结构做出的，在梯度组合墙体结构施工中，反力墩为间隔浇筑形成的混凝土墩，先在底板上间隔浇筑反力墩，由于反力墩为普通混凝土结构，其在达到抗压强度2mpa以下时，其产生的收缩量较小，带来的砼内应力可忽略不计，而且反力墩相较于整个墙体的长度而言，尺寸较小，温度变形较小，混凝土墩在初凝前后的抗压强度就能达到1.5mpa以上，抗压强度完全能满足要求，其在后期产生的拉应力小于其自身的抗拉应力，反力墩不会有开裂风险，从而保证作为墙体一部分的反力墩不会开裂；

31、2、本技术中梯度组合墙体的抗裂计算方法及验证方法，是基于梯度组合墙体结构做出的，梯度组合墙体的中间墙体采用膨胀混凝土，膨胀混混凝土在浇筑过程中，刚开始浇筑并初凝时，伴随着释放较大的混凝土水化热，此时墙体混凝土膨胀，会形成向外侧的压应力，此时，膨胀混凝土表层温度低，初凝快，而中心部位膨胀量较大，水化热量高，会形成一个较大的向外侧的胀压应力，导致将表层混凝土拉裂形成诱导裂缝，这些诱导裂缝为成为后期墙体开裂的裂缝源泉，后期的多数裂缝开裂都是沿着诱导裂缝的方向继续开裂，通过设置反力墩作为支撑结构，浇筑的中间墙体膨胀向外扩展时，遇到反力墩后受到挤压，不能对表层混凝土形成持续不断的向外压力，因此能有效避免膨胀混凝土产生诱导裂缝，保证墙体结构安全；膨胀混凝土浇筑完成后逐步冷却、终凝，墙体混凝土又会因温度变形形成向内侧的拉应力，同时墙体混凝土后期自身的形变收缩也会形成向内侧的拉应力，这同样会使墙体混凝土因变形受力产生裂缝，通过设置混凝土反力墩，一方面能阻止诱导裂缝产生，另一方面，由于先浇筑的反力墩已经成形、终凝，具有巨大的抗压能力，中间墙体向外扩展的膨胀混凝土遇到反力墩后受到挤压，预先建立起了较大的预压应力，这一部分的预压应力能抵消中间墙体混凝土在后期收缩和温度变形时产生的一部分拉应力，从而能有效防止结构裂缝的

32、3、通过本技术的梯度组合墙体的抗裂计算方法，分别计算混凝土干缩指标参数εd、混凝土冷缩指标参数εt及混凝土极限拉伸指标参数εpa，从而得到膨胀混凝土的限制膨胀指标参数εe，取值范围，并进行限制膨胀率试验，根据试验结构优选适合经济的膨胀剂掺量，从而得到膨胀混凝土配合比；

33、4、采用本技术的梯度组合墙体的验证方法，根据得到的膨胀混凝土配合比，反向验证该配合比下的膨胀混凝土的干缩指标参数εd、冷缩指标参数εt及极限拉伸指标参数εpa是否满足要求，同时制作砼构件试块进行收缩量测定，确保膨胀混凝土的配合比在用于梯度组合墙体结构中，不会产生裂缝；

34、5、采用梯度组合墙体作为地下室墙体结构的抗裂缝设计形式，最核心的部分在于设置反力墩以及中间墙体采用膨胀混凝土的特性，通过本技术梯度组合墙体的计算方法及验证方法，一方面确保膨胀混凝土形成足够的外胀压应力，并通过反力墩的阻挡避免形成诱导裂缝，而且可以通过反力墩形成较大的预压应力，确保后期膨胀混凝土冷却终凝后形成的拉应力一部分能被预压应力抵消，从而避免产生裂缝，通过本技术的计算方法和验证方法，确保梯度组合墙体在浇筑过程中及后期运营使用中，均具有较好的抗裂性能，并为该技术成果推广做了有效验证；

35、6、通过本技术的梯度组合墙体的抗裂计算方法和验证方法，确保墙体结构不够产生裂缝，并根据验证优化的膨胀混凝土配合比及施工工艺过程，准确计算得到采用梯度组合抗裂墙体的经济性，在提高工程技术质量时，同时能降低施工成本，根据测算，梯度组合墙体在施工成本上具有较大优势，每100m梯度组合墙体结构节省4000元成本，具有较好的经济性。