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1、超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法是我国土木建筑行业一项重大专利技术成果，这 一技术是对国家规范混凝土结构设计规范的重大突破，先后获得国家发明专利、部级科技 进步二等奖，并列入北京市重大科技成果推广计划。在包括首都机场新航站楼等在内的全国 300多项重大结构工程中成功实施，创专利实施费超过1000万元。2006年王栋民专著高性能膨胀混凝土由中国水利电力出版社和知识产权出版社联合出版，书中对这一专利技术从理论 到实践进行了全面介绍。 下面对其中HPEC的无缝抗裂设计与工程应用进行刊登，愿与建筑工程设计、施工、监理和业主等各相关部门通例合作，以进一步推动这一技术成果的转化。 附：相关获奖证书 1、
2、专利证书 2、部级科技进步奖证书 3、北京市重大科技成果推广证书 4、专著扉页 第一节 HPEC的无缝抗裂设计 一 混凝土结构设计和施工中的缝在钢筋混凝土结构设计和施工中，常涉及到许多缝的概念(也称之为带)，如伸缩缝、后浇缝、沉降缝、施工缝、加强带等等 。这些缝内涵与外延各不相同，彼此相互联系又相互交叉，在工程应用中时有混淆。现将在钢筋混凝土结构设计和施工中常用到的缝分类如下并阐述其含义。 伸缩缝(expansion joint)是结构设计在构造上的-种考虑，是基于混凝土干燥收缩和热胀冷缩而设置的，其中永久性伸缩缝(通常称之为伸缩缝)是基于长期热胀冷缩的考虑。而临时性伸缩缝(通常称之为后浇带)
3、则主要是基于干缩和施工期间水泥水化热温升的考虑，-般在主体结构混凝土浇注40-60天后用填充性膨胀混凝土回填。沉降缝是基于地基的不均匀沉降，如主楼与裙房间因高差而产生不均匀沉降等而采用的构造措施，有些沉降缝永久保留，更多的则是在主体结构封顶后用填充性膨胀混凝土回填。后浇带既是设计手段，又是施工措施。它是在设计施工期间保留的一个缝，在收缩或沉降基本完成后，用填充性混凝土二次回填，故称之为后浇带。后浇带从后浇的严格意义上来说包括临时性伸缩缝和部分沉降缝，但为防止混淆起见，工程习惯上-般将后浇带与临时性伸缩缝混同，而不包括沉降缝。本文遵从这-习惯，所讲到的后浇带即指临时性伸缩缝。施工缝是在混凝土施工
4、间隙所形成的一种施工冷缝，包括水平施工缝，垂直施工缝和斜施工缝。施工缝在施工中应尽量避免出现，-旦出现则应进行处理。如水平缝可以做企口或阶梯形等，地下工程也可使用钢板止水带或橡胶止水带的办法处理，然后用1：2膨胀砂浆与新浇混凝土连结。垂直缝、斜缝也应凿毛、清理，然后用1：2膨胀砂浆与新混凝土连结。 膨胀加强带(简称加强带或膨胀带)是我们在超长钢筋混凝土结构设计和施工方法专利技术中提出的-个新概念，是为取消后浇带，实现超长结构连续施工，而人为采取的措施，是一 个假缝，具有特定的含义。 二、无缝抗裂设计的提出 在上世纪七十年代以前，对于-些超长钢筋混凝土结构，通常采用永久性伸缩缝来解决收缩开裂的问
5、题。七十年代以来，后浇缝技术的出现特别是填充性膨胀混凝土在后浇带施工中的成功应用(以1977年毛主席纪念堂工程为典型代表)，成为-种扩大伸缩间距和取消结构中永久伸缩缝的有效措施。后浇缝-般在两侧混凝土浇灌40-60天收缩基本完成后回填，使结构成为-种连续整体的无伸缩缝混凝土结构。这是-种抗放兼施，以放为主的设计原则，是针对普通水泥混凝土存在的收缩开裂问题，以设置后浇带的办法释放大部分收缩应力，然后以膨胀混凝土填缝，抗衡残余收缩应力。这种设计已列入规范而广泛采用。然而，后浇带的凿毛与清理及填缝等给混凝土整体施工带来很多麻烦，填缝不好，还常常成为开裂和渗漏隐患，并且延长工期，有时还影响总体结构的设
6、计。能否取消后浇缝，这是工程界向我们提出的新课题。中国建材院于八十年后期研究成功U型膨胀剂(UEA) 、复合膨胀剂(CEA) 和铝酸钙膨胀剂(AEA) ，九十年代以来又发展了多功能复合高效膨胀剂UEA-H、CEA-B、UEA-M等，在混凝土结构自防水方面取得重大突破，1992年补偿收缩混凝土防水工法列为国家级工法(YJGF22-92)，已在全国实施。 在此基础上，根据膨胀混凝土补偿收缩原理，我们在1990年探索取消后浇带的科研工作，首先在理论上搞清楚，后在工程上从小到大实践。经过几年的探索与实践，该技术在一些典型工程中应用取得成功，并受到建筑工程界的广泛关注。我们于1993年正式向国家专利局申
7、报了发明专利申请超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法，期间技术成果不断完善，1999年5月12日国家知识产权局正式授予该技术国家发明专利权，同年获部级科技进步二等奖。至今，北京大部分民用与工业设计院和主要施工单位均采用了这一无缝抗裂施工方法，中南、华东、华南、西北、西南、东北地区的大型设计和施工单位也采用了这一新技术。到目前为止，该专利技术已在北京当代商城、西客站工程、青岛中银大厦、武汉百盛国际配售中心、长沙平和堂大厦、深圳贤成大厦、珠海口岸广场、中科院高能所板式楼等全国一百项以上重大工程中进行成功实施，取得良好的技术经济和社会效益。其应用范围不但在地下、水工结构，而且在上部楼面、墙体和屋面。
8、近年来混凝土膨胀剂向低掺量、高性能、高膨胀率方向发展，开发成功低掺量高效UEA、无水硫铝酸钙膨胀剂CSA等，为HPEC的配制提供了技术手段。随着膨胀混凝土向高性能混凝土的发展，混凝土呈现流态化、高强化的趋势，在HPEC中复合使用膨胀剂和高性能矿物质掺合料以改善混凝土的多种性能，这对无缝抗裂设计与施工也提出了新的要求。 三、无缝抗裂设计的应力分析 无缝设计是相对的，根据工程结构具体情况，可无缝或少缝。这里的缝指的是释放收缩应力的后浇带或永久伸缩缝，不包括沉降缝。其设计思路是抗放兼施，以抗为主。即用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土作为结构材料，其在水化硬化过程中产生膨胀作用，该膨胀由于受到钢筋和邻位的约束
9、，能在结构中建立一定的预压应力c，由此来抵抗收缩变形时产生的拉应力，防止混凝土开裂。膨胀混凝土用于超长结构无缝抗裂施工，其限制膨胀率(2)的设定至为重要。2偏小，则补偿收缩能力不足，无缝施工难以实现；2过大，对混凝土强度有明显影响。经大量研究与工程实践，高效UEA或CSA替代水泥8，对强度无影响，对中强混凝土限制膨胀率一般设计在21-310-4，对高强混凝土限制膨胀率一般设计在20.5-1.510-4，在配筋率0.2%-0.8下，可在结构中建立0.2-0.7MPa预压应力，这一预压应力大致可以抵消混凝土在硬化过程中因温度和干缩产生的拉应力，从而防止混凝土收缩开裂，或把裂缝控制在无害裂缝范围内(
10、小于0.1mm)。基于这一抗的原理，采用补偿收缩混凝土，后浇缝的间距延长至60m是安全的，比规范20-40m增加l倍左右。这是无缝设计概念中的少缝含义，已成功应用于结构设 计中。 随着我国建筑长大化和多功能的发展，钢筋混凝土结构超长100m以上，水平面积超1万m2以上者越来越多。楼层数十层，设置后浇缝以防止结构收缩开裂成为必要措施。然而，它给结构设计和施工带来很多麻烦，工期延长，模板周转、降水和施工管理费都增加，能否取消后浇缝这具有技术经济意义。 工民建的整体式基础、箱形基础的底板、车间混凝土地面、地下隧道、涵管等结构的底板和墙体的特点是，其厚度(高度)H远小于长、宽方向尺寸L，当HL0.2时
11、，板在温度收缩变形作用下，离开端部区域，全截面受拉应力较均匀。在地基约束下，将出现水平法向力x；从工程实践可知，x是设计主要控制应力，是引起垂直裂缝的主要应力，其max出现在截面的中点x0处(图8-1)。 当法向应力max超过混凝土抗拉强度R，在中部出现第一垂直裂缝，将板一分为二，每块板 的水平应力重新分布x，如xRt，则形成第二批裂缝，这种裂缝有序性常可在工程中 见到。为防止这种有序裂缝的出现，工业与民用建筑中以设置后浇缝作为释放收缩应力和控制 裂缝的主要措施之一。从以下法向应力公式可见： 后浇缝只在较短的间距(L)范围对削减温度收缩应力(ET)起显著作用，超过一定长度，即 使设后浇缝也没有
12、意义。按理论计算，削减有效间距为20-60m。下面谈到的膨胀加强带间距应 设置在此范围内。 研究表明，膨胀混凝土在硬化过程中产生膨胀作用，在钢筋和邻位约束下，钢筋受拉，而混 凝土受压，当钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时，则 AccAssAsEs2 设 A sAc 则 cjEs2 (1) 式中：c-混凝土预压应力，MPa； As-钢筋截面积； -配筋率，； Ac-混凝土截面积； Es-钢筋弹性模量。MPa； 2-混凝土的限制膨胀率(也即钢筋伸长率)。 由(1)式可见，c与2成正比关系，而限制膨胀率2随UEA(CSA)掺量增加而增加，所 以，我们通过调整UEA(CSA)掺量，可使混凝土获得不同的预压
13、应力。根据水平法向力x分布 曲线，我们设想在max地方给与较大的膨胀应力c，而在两侧给与较小的膨胀应力(图8- 2)，全面地补偿结构的收缩应力，控制有序裂缝的出现。 图8-2 膨胀应力c补偿收缩应力x示意图 四、无缝抗裂设计的应变分析 根据我国著名的水泥混凝土专家、中国工程院资深院士吴中伟教授关于膨胀混凝土的基本理 论和观点，防止混凝土开裂，有如下判据 ： 2-(St+Sd-CT)Sk 式中，2-限制膨胀率 St-干缩率 Sd-干缩率 CT-受拉徐变率，徐变CT对补偿收缩防止开裂是有利因素。 S k-极限延伸率 满足上述判据，就不必设伸缩缝，否则应设伸缩缝。当不掺膨胀剂时，规范规定约30m设一
14、 道伸缩缝，以避免收缩应变从自由端沿长向积累，引起中段开裂。 我国著名的裂缝专家王铁梦教授通过对结构物应力-应变分析与计算，求得了平均伸缩缝间距 (或裂缝间距)计算公式 如下： 这样(2)式就变为St+Sd-2Sk ，L 比较可见，王铁梦的裂缝间距计算公式在极限状态下其本质同吴中伟的防止混凝土开裂的 判据公式完全一致，当TS k即2-St-Sd0，且2-St-Sdsk时，混凝土开裂 ，裂缝间距可由王铁梦公式求得；当TS k即2-St-SdSk时混凝土不开裂。 五、无缝抗裂设计的实用化计算 在吴中伟院士和王铁梦教授学术思想指导下，通过对各种条件下混凝土膨胀和收缩的研究 ，用数理统计回归分析方法，
15、建立了膨胀混凝土膨胀与收缩的拟合数学解析式，使用膨胀混凝 土的抗裂性能够针对构件的结构尺寸和具体的施工条件进行计算，为设计和使用膨胀混凝土提 供科学依据。 1、膨胀混凝土补偿收缩模式 水泥基材料抗拉强度低、韧性差，当干燥失水或环境温度变化使混凝土产生收缩时，很容 易出现裂缝。经多年研究和实践，膨胀混凝土被认为是一种解决混凝土开裂的理想材料。膨胀 混凝土在钢筋和邻位限制下，膨胀能做功产生预压应力，可抵消部分或全部限制收缩所产生的 拉应力，并推迟了收缩的产生过程，抗拉强度在此期间能获得增长，当混凝土开始收缩时，其 抗拉强度已增长到足以抵抗收缩引起的拉应力，从而防止或减少收缩裂缝的出现。膨胀混凝土
16、补偿收缩模式图如图8-3。 从上图看出，要想对膨胀混凝土进行补偿收缩能力的设计，最重要的是计算混凝土的限制 膨胀率2和收缩率S。如果2大于S，混凝土中将有压应力存在；2小于S，若其差值的绝对 值小于混凝土的极限伸缩率Sk，混凝土中虽有拉应力尚不致使混凝土出现裂缝，若其差值的绝 对值大于S k时，内部拉应力超过其抗拉强度，混凝土出现裂缝。因此，研究限制膨胀率2、 收缩率S和极限延伸率S k的大小，以及各种外部因素对这些参数的影响规律，是对膨胀混凝土 的补偿收缩能力进行计算的关键。 2、限制收缩率S 限制收缩率S包括干缩率Sd和冷缩率St、，即S Sd十St 根据大量研究，并经回归分析，得出膨胀混凝土干缩率Sd的拟合方式和冷缩率St计算
