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超长混凝土结构是指伸缩缝间距大于规范限值的钢筋混凝土结构。一项调查显示：目前已建工程中出现的裂缝有80%左右是由化学收缩、干缩、温度以及不均匀沉降等变形因素引起的非荷载裂缝，仅有20%的裂缝是直接由外荷载引起的，而在超长混凝土结构中，由温度应力导致的裂缝尤为普遍。
一、何为温度应力
混凝土的温度应力按成因可分为两类：（1）自身应力，主要是混凝土水化热散发时内外层变形不一致导致；（2）约束应力，是指混凝土的热胀冷缩受到外界约束，不能自由变形而引起的应力，本文主要讨论后者。
超长混凝土结构底板和墙体的特点是厚度或高度H远小于长、宽方向的尺寸L，当L/H＞0.2时，板在温度、干缩变形时，离开端部区域，全截面受拉应力较均匀。在地基约束作用下，将出现水平法向应力，是设计控制应力，是引起垂直裂缝的主要应力，出现在图1所示的截面中点x=0处。
图1 构件的主要应力图
法向最大应力的计算公式为：
其中：E——混凝土弹性模量，MPa；
H——板厚，mm；
L——结构物的长度，mm；
Cx——地基阻力系数，N/mm³；
cosh——双曲线余弦函数；
α——混凝土线膨胀系数，为1.0e-5/℃；
T——综合温差，T=T1+T2-T3
T1——混凝土因水泥水化导致的升温值；
T2——混凝土干缩当量温差；
T3——混凝土膨胀当量温差。
观察式（1）可以发现法向最大应力的大小与构造和材料两大因素有关，我们把他们记做构造系数S和材料因子M，。
由式（2）可得：法向最大应力与材料因子M呈线性关系，即与水化温差T1、收缩T2、膨胀T3所构成的综合温差、混凝土弹性模量、线膨胀系数成正比例关系，这些因素都属于混凝土的材料性质。
由式（3）知道：构造系数S是[0,1]之间的数，与结构物的长度L、长高比L/H、地基阻力系数Cx等构造因素有关。
二、“放”的技术措施
图2展示了当混凝土的弹性模量（E=30000MPa）和结构物的长高比一定（L/H=20）时，地基阻力系数、结构物长度对构造系数S的影响。
图2 地基阻力系数、结构长度与构造系数的关系
图3展示了弹性模量和地基阻力系数一定时，结构物的长高比、长度对构造系数S的影响。
图3 长高比、结构长度与构造系数的关系
从图2看出，在长高比相同的情况下，构造系数S随着地基阻力系减小而显著减小，故可以通过减小地基约束的方法来释放温度应力，工程上常见的做法是在底板防水层上满铺一层10~20mm厚的细砂作为滑动层；对于局部嵌入地基部位，如下翻梁或集水坑，做法为在防水层和防水保护层间加设30~50mm厚沥青木丝板或聚苯乙烯泡沫塑料，以消除嵌固作用，释放约束应力，如图4所示。
图4 缓冲层示意图
从图3看出，在相同地基阻力系数条件下，随着长高比L/H增加，构造系数S显著增加。因此释放约束应力的另一思路是通过合理分缝设计，降低结构物的长高比，伸缩缝的应用正是基于这一原理，规范（GB50010-2010）规定的钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距如表1所示。
表1 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距（m）
留设伸缩缝虽然能有效释放温度应力，但也存在许多弊端：（1）由表1间距限值可知，对于建筑规模在数百米乃至上千米尺度的超长混凝土结构，仅伸缩缝就达数十条，会给设计和施工带来不便；（2）伸缩缝破坏了结构的整体性，削弱了抗震性能，地震时伸缩缝部位易发生碰撞破坏；（3）伸缩缝嵌填材料易老化失效，防火性能不好，增加了工程维护成本；（4）对于地下室结构，伸缩缝部位的渗漏水现象是顽疾（图5）。
图5 伸缩缝渗漏水
为了避免上述问题，又要释放温度应力，目前工程上常采取以下几种措施：
l 跳仓法
“跳仓法”就是把超长、超宽的混凝土结构划分成若干区段，采用间隔浇筑的一种施工方法。如图6所示，按照“分块规划、隔块施工、分层浇筑、整体成型”的原则，如同跳棋一样，隔一段浇一段，相邻两段间隔时间一般不少于7天，以有效释放混凝土在硬化初期剧烈的温度和干燥收缩应力。
图6 跳仓法“品”状顺序施工
跳仓法的施工组织形式多种多样，最为常见的是采用“品”状跳仓浇筑，间隔7天后，再按倒“品”状进行填仓，除此之外，还有紧凑型跳仓以及组合型跳仓等。
图7 国内部分跳仓法成功应用案例
II 诱导缝
诱导缝是为了控制混凝土开裂的位置，人为地造成薄弱连接面，或人为削弱某一块的构件截面，工艺构造如图8所示。通过留置诱导缝，当构件的收缩应力大于其抗拉强度时，构件在设定位置有序开裂，开裂后构件的长高比L/H减小，释放了收缩应力，从而防止在其他部位继续发生无序的开裂。
诱导缝通常有以下几种实现方法：（1）减少钢筋约束，通常在诱导部位可减少30~50%的纵向配筋；（2）埋设裂缝诱导物，如图8所示，在表面做出沟槽并用防水材料嵌填密封，以达到削弱截面的目的；（3）当在施工缝位置做诱导缝时，新老混凝土面不需要进行凿毛处理，以造成薄弱连接面。从防水施工角度分析，诱导缝处的混凝土可以连续浇筑，而伸缩缝处则必须支设模板，中止浇筑，待混凝土硬化后，拆除模板，方可继续施工。
图8 诱导缝工艺构造
III 后浇带
（伸缩）后浇带是指为适应环境温度变化、混凝土收缩等因素影响，在梁、板（包括基础底板）、墙等结构中预留的具有一定宽度且经过一定时间后再浇筑的贯通混凝土带，如图9所示。与传统伸缩缝不同，后浇带是只存在于施工阶段的临时性伸缩缝，避免了永久留缝所导致的渗漏水等问题。后浇带的留设间距可取与伸缩缝相同，封闭时间一般需根据两侧混凝土的收缩完成情况结合施工作业要求确定（一般不少于14d），大体积混凝土需待两侧混凝土中心温度降至环境温度时再浇筑。
图9后浇带及其防水构造
以上几种措施的本质都是通过合理的构造形式，降低构造系数S的数值，可以有效释放结构承受的约束应力，可以说构造系数S表征的“放”的技术路线。
三、“抗”的技术措施
回到公式（2），在混凝土强度等级确定的情况下，弹性模量E和线膨胀系数α很难发生本质变化，因此降低材料因子的主要手段便是降低综合温差，即降低水泥水化升温值T1、干缩当量温差T2以及引入膨胀当量温差T3。通过合理地调配胶凝材料体系可以有效降低水泥水化升温以及混凝土干燥收缩，这里不做详述，有兴趣的读者可以阅读文献[7-9]，本篇主要介绍膨胀混凝土的概念和原理。
大量工程实践表明，超长混凝土结构的墙、板类构件的裂缝发展是有规律的，当降温和收缩时，基础与地基的接触面上出现剪应力，基础底板中产生水平拉应力，如图10 a）所示；当最大拉应力（混凝土极限抗拉强度）时，出现第一次开裂并引起应力重分布，其图形与开裂前相似，但应力峰值由于构件长度减少了一半而减小，如图10 b）所示；若此时仍有，则继续开裂，出现第二批裂缝并导致应力重分布，如图10 c）所示，若此时小于，则开裂稳定下来，否则继续以上述规律发展。
图10 结构开裂的有序性
如果可以在裂缝位置施加一定的压应力使，即可控制这种有序开裂。膨胀混凝土可以实现这一功能，膨胀剂可使混凝土在硬化过程中产生膨胀作用，在钢筋的邻位约束下，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：
由式（5）可见，预压应力与限制膨胀率呈正相关，而随膨胀剂掺量的增加而增加，因此在实践中可以通过调整膨胀剂的掺量来使混凝土获得不同程度的预压应力。根据水平法向力力的分布，在峰值位置给予较大的而在两侧给予较小的，如图11所示，全面地补偿混凝土的收缩应力，实现有序裂缝的控制。
图11膨胀应力补偿收缩应力示意图
由此从理论上引入“膨胀加强带”的概念：膨胀加强带是为了控制超长混凝土结构收缩开裂而设置的混凝土带，其作用是以较大的膨胀（预压）应力补偿混凝土构件因温差、干缩导致的应力集中部位，在2~3m宽度范围内采用大膨胀混凝土浇筑，并设置附加钢筋以增强对混凝土的约束能力。膨胀加强带的作用是补偿混凝土的自身收缩，因此膨胀混凝土又被称为补偿收缩混凝土
通过使用补偿收缩混凝土，引入膨胀当量温差，降低材料因子S，表征了“抗”的技术路线。
四、抗放兼备，以抗为主
由式（5）可知，通过设定0.02%~0.05%的混凝土限制膨胀率，在配筋率0.2%~0.8%条件下，可在结构中建立0.2~0.7MPa的预压应力，可以大致抵消混凝土因温度和干缩产生的拉应力。结合后浇带的使用，“防、抗结合，以抗为主”，如图12所示，先采用小膨胀混凝土浇筑后浇带两侧，待温度和干缩变形得到有效释放后，改用强度等级提高一级的大膨胀混凝土浇筑后浇带部分，如此可实现500m结构不留设永久性伸缩缝。
图12补偿收缩混凝土结合后浇带使用
结尾
实际工程中关于超长混凝土结构控制温度和收缩应力的方法很多，但往往各自存在局限性，如诱导缝处的后期渗漏难以处理、后浇带的施工质量难以保证等，目前来看“放”的措施中跳仓法的效率最高。此外利用材料化学技术，实现降低温差、补偿收缩、提高混凝土延伸性能等，抗、放结合，具有较好的工程应用前景。本期关于超长混凝土结构温度和干缩应力及其控制对策的介绍到这里就结束了，感谢阅读。
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