【摘要】 超高层建筑核心筒钢板-混凝土组合剪力墙,结构尺寸大、强度等级高、钢板与混凝土线膨胀系数差异等,容易引起墙体表面开裂现象。为控制裂缝,通过优化配合比、监测温度和应变等手段研究裂缝,结果表明:钢板-混凝土组合剪力墙中心最高温度低于理论试验绝热温升最高温度;剪力墙水平方向应变大于竖直方向应变,容易产生纵向裂缝;监测发现168 h内产生最大拉应变为125με,即产生拉应力为4.5 MPa,最大压应变为300με,压应力为10.8 MPa;墙体表面无裂纹,表观质量趋近完美。
【关键词】 钢板剪力墙； 温度裂缝； 应变； 大体积混凝土；
【所属期刊栏目】 实用技术 （2016年11期）
1 引 言
随着建筑高度攀升，自重增加，底部剪力墙承受弯矩、剪力较大。若采用普通混凝土剪力墙，存在延性差、脆性大和抗震性差等缺点，另一方面，承受相同极限载荷，普通混凝土墙体设计尺寸大，建筑使用空间小，对经济效益产生了不利的影响；而钢骨-混凝土组合（SRC）构件充分发挥型钢、钢筋和混凝土的组合作用，提高混凝土极限压缩荷载，赋予混凝土较好延性，结构整体抗震性能大大提高[1-3]。因此常采用钢板-混凝土剪力墙，保证承载前提下可以有效地减小截面尺寸，增加建筑使用空间，得到广大发展。
工程应用发现，国内外大量钢板-混凝土组合剪力墙均有大面积开裂现象，甚至导致结构失效。研究发现钢板-混凝土组合剪力墙裂缝难以控制，主要是由于结构内嵌的钢板与混凝土线膨胀系数不一致所致，在均相体系中局部膨胀或收缩不一致则产生相对位移（滑移），即产生微裂缝。此外，钢板-混凝土组合结构的约束应力、化学收缩以及湿度等因素形成各类裂缝，原因复杂控制技术难[4,5]。
本文借助实际工程，通过混凝土配制技术和监测技术，总结钢板-混凝土组合剪力墙裂缝形成机理与控制措施。
2 工程概况
北京绿地中心项目4#楼，试验段选取4#楼地下三层14轴、25.1m长、高度同B-3层高的钢板-混凝土组合剪力墙为监测对象，其混凝土为C60大体积泵送混凝土，双组份胶凝材料体系，结构尺寸25.1m×4.5m×1.2m，墙体两端同时进行连续浇筑，终凝后墙面包裹薄膜并挂棉布保湿养护；钢板-混凝土组合剪力墙内的钢板材质为Q345C、厚度为36mm，钢板上焊接长为190mm直径Φ19mm的栓钉，水平及竖向间距200mm。
3 试验部分
2.1 原材及配比
北京琉璃河产P.O42.5普通硅酸盐水泥；河北唐山大唐陡河产I级F类粉煤灰；河北三河5~20mm连续级配碎石；河北涿州II区中砂；北京建筑工程研究院有限责任公司生产的聚羧酸高效引气减水剂；市售特殊添加剂AF-2012。
经多次试验，绿地中心4#楼C60大体积混凝土配比如表1所示。
2.3 试验仪器
德国Toni公司的恒温水化量热仪；非接触式激光位移混凝土干缩测试仪器；BGK4200混凝土应变传感器；温度计。
2 结果与讨论
3.1 钢板-混凝土组合剪力墙裂缝形成机理
所谓的裂缝是指材料表面或者内部出现线性缺陷的宏观表现，材料局部受力分布不均形成应变，当应变值大于材料的极限承载能力时，即产生微裂缝。研究表明，钢板-混凝土组合剪力墙裂缝形成主要原因：
（1）线性膨胀系数。钢板与混凝土材料线膨胀系数存在差异，若把钢板与混凝土视为均相材料，钢板-混凝土组合剪力墙可视为混凝土相中固溶钢板相的模型，当两相材料受到相同的温度作用时由于线膨胀系数的差异导致两相材料线性变形，在空间上产生相对位移形成缺陷。我们通常把这种缺陷定义为温差变形，形成条件：一是多相体系，二是存在温度差。
（2）结构超静定约束。结构约束是对设计构件活动与变形的制约，保证组合构件的整体性。实际应用中约束分为：内约束和外约束。内约束主要是混凝土内部配筋对混凝土的约束，局部微变形对整体的约束作用；墙体内暗柱、暗梁对墙板收缩变形的约束；墙端与墙中收缩变形的相互约束。外约束主要是超静定结构的约束，墙体与侧边柱体结构约束以及墙体底端与底板的静定约束，如图1所示钢板两侧静定约束，钢板侧端约束力远大于线性变形应力则形成钢板向侧面形成微翘曲褶皱现象，最终导致混凝土表面形成裂缝。
（3）荷载作用。混凝土浇注后终凝前因混凝土粗集料自重造成沉降；混凝土墙浇注后机械强度未到到承载外加荷载时，顶端施加荷载导致墙体横向裂缝的形成；墙两侧模板未同时拆除，选拆一边，未拆的一边模板支撑给新浇砼墙一个侧向压力，若模板支撑较紧，则砼墙产生裂缝。
（4）温差。混凝土水化为放热反应且混凝土为热导惰性材料，因此混凝土相从内向外存在温度梯度。水化时混凝土中心由于热交换困难则温度高，而墙体表面热量与空气发生快速热交换则温度低，形成温度应力；墙体中心受压应力，外部受拉应力，当拉应力大于墙体混凝土的抗压极限值时则形成裂缝。
3.2 混凝土性能分析
3.2.1 工作性
北京绿地中心项目4#楼地下三层14轴用混凝土和易性良好，坍落度230~250mm，扩展度620~650mm，初凝时间735min，终凝时间940min，经时损失详情见表2所示。
混凝土拌合物和易性良好，坍落度保持4h损失很小，几乎不损失。扩展度在3h之后，相对损失较小，能够较好的保持混凝土和易性。
3.2.2 水化温度
测量混凝土水泥浆体绝热温升与实际工程墙体中心混凝土温度，其目的是进一步研究水泥理论水化热释放与实际工程温度变化的关系，试验具体情况详见图3和图4所示。
理论绝热温升试验发现，C60混凝土水化放热峰出现在18h后，热量48h后达到最高值63.5℃且水化趋于平稳，水化速率降低也几近平稳；实际工程剪力墙体混凝土中心水化速率最大值出现在20h后，且中心温度最高值55.2℃出现在48h左右。理论试验与实际监测发现，水化速率最大值均出现在18h后，水化热量释放最高值均出现在48h左右且水化速率降至最低，但是墙体最高温度低于理论绝热温升温度，ΔT为8.3℃，由于墙体为竖向结构，双面与空气接触热量释放快，除此之外钢板剪力墙与普通墙体相比内嵌钢板有利于热量的进一步散失，因此中心温度低于绝热温升最高温。
3.2.3 收缩变形
为进一步控制裂缝添加AF-2012外加剂，使用效果见图5所示。
无论是自收缩还是混凝土干燥过程中产生的干燥收缩，均起源于混凝土毛细孔中水分凹液面产生的毛细孔负压导致。而毛细孔负压产生的收缩应力的大小，与孔溶液的表面张力、混凝土孔结构、混凝土的水化进程及其内部湿度发展等因素密切相关。从图5看出添加0.5%的AF-2012混凝土，添加剂不影响收缩整体规律，但总体收缩比空白样墙降低23%左右。
这是由于AF-2012基于降低水的表面张力原理，极大降低混凝土孔溶液的表面张力（从纯水的74 N/m降低至<30>
3.3 温度及应变分布
3.3.1 监测位置及频率
北京绿地中心4#楼试验段剪力墙相应位置安装监测元器件，混凝土浇筑后30min进行首次监测，持续168h不等频率测量温度场与应变的变化，监测点布置如图6所示，监测频率如表3所示。
3.3.2 温度分布及应变
核心筒主墙体监测两个点，在监测点1我们布置1-1,1-2,1-3和1-4，它们分布在对称轴钢板的两侧，监测点2元器件分布，钢板内侧分布2-1,2-2,2-3和2-4以及钢板外侧分布2-5,2-6和2-7，具体监测详情见图7和图8所示。
从图7我们得出监测点1处，混凝土快速升温发生在浇筑后12h，并且在浇筑后12~24h内升温速率最快，即水化速率最快；我们还发现在浇筑后48h水化温升达到最高值54.7℃，这与理论绝热温升63.5℃相差8.8℃，这主要是由于剪力墙为竖向多面散热构件，相比底板散热快；大约在120h后墙体中心与表层温度持平。图7中我们发现，在钢板内侧1-2点和钢板外侧的1-3点与中心距离相等，但是1-3点的最高温度高于1-2点，其原因可能是由于1-3点为墙体外侧，受到阳光照射影响，观察混凝土中心与表层温度差（TC-TF）曲线，我们发现浇筑后30min至168h期间监测1点内外温差最大值为15℃，未超过20℃，这表明所设计的配合比能较好控制因温差引起裂缝。
图8我们发现，监测2点除了有监测1点所表现的现象外有一点极其突出，表层2-1,2-2,2-6和2-7的温度与中心点温差较大，尤其发生在浇筑后24h至72h之间，温差达到16℃左右，其原因是监测1点出有垂直于墙体方向的约束钢板，有利于墙体中心温度向外扩散，但是监测2点无此类钢板，仅有水平于墙体的内嵌钢板，所以温度较测试1点高，但是未超出20℃，有效控制温差，避免由此而引起的裂缝。
为了进一步研究钢板-混凝土组合剪力墙的裂缝类型，在各个监测点处布置水平方向与竖直方向的元器件，V代表竖直方向监测点，H代表水平方向监测点，从图9看出监测1点在内嵌钢板的垂直方向有工型钢，在浇筑初期应变几乎为0，因混凝土水化缓慢各监测点未发生收缩（膨胀）现象。随着水化速率加快，伴随着较为剧烈的物理化学变化，因水化引起的化学收缩和水化放热引起的物理膨胀。1-1点为核心筒剪力墙内侧混凝土表层监测点，浇注后24h竖直方向产生膨胀，形成拉应力，最大应变值为125με，C60混凝土弹性模量为3.6×104MPa，表层产生的拉应力为4.5MPa略大于C60的轴心抗拉强度2.8MPa，但是实际监测却未发现可见裂缝；相同位置水平方向先产生微小的膨胀，随着水化发展墙体湿度散失由拉应力向压应力转变，但收缩很小。1-4点为核心筒剪力墙外侧混凝土表层监测点，浇筑后竖直方向先产生膨胀的拉应力之后在72h后为收缩压应力，水平方向始终为收缩压应力，产生压应力约为4.5-5.5MPa。1-2和1-3无论水平方向还是竖直方向168h内应变值远小于墙体两侧1-1和1-4应变值，但是无论墙体外层还是中心竖直方向的应变值远大于水平方向应变值，水平方向应变值甚至趋近于0，分析发现测试1点（垂直于墙体方向有内嵌工型钢）较容易出现横向裂缝。
图10我们发现紧贴内嵌钢板处2-4-H混凝土在水平方向始终为收缩应变，且在浇筑后72h应变值为300με，产生压应力为10.8MPa，表层监测点2-1-H,2-1-V,2-2-H和2-2-V的应变值均在±50με附近波动，产生应力约为1.8MPa小于2.8MPa对结构无破坏，水平方向产生的应变值大于竖直方向产生的应变值，研究发现内嵌钢板-混凝土组合剪力墙体容易产生纵向裂缝。
从图11和图12得出墙体拐角监测点3与监测点4水平方向应变大于竖直方向应变，综合比较不同位置的四个监测点发现，除监测1点外其余均为水平应变大于竖直应变，即试验发现钢板-混凝土剪力墙体易产生纵向裂缝；墙体表层应变比中心应变小，而且在浇筑后12h至168h内均产生较大收缩应变，其中3-4-H应变值-175με，产生压应力为6.3MPa；从图9,图10,图11和图12发现应变最大值均出现在浇筑后24h至48h之间，因此在混凝土浇筑后不宜在此期间拆除模板，建议在72h后拆除模板，同时作好保温保湿养护。
3.3.3 表观质量
北京绿地中心4#楼核心筒B3-14轴墙体浇注后立刻采取塑料薄膜包裹并在外层挂吸水性毛毯子，拆模后墙体表层未发现裂纹，表观质量完美，具体情况如图13所示。
2 结论
对于钢板-混凝土组合剪力墙的裂缝控制有钢板开缝、钢板加热、混凝土内布置冷水管、配比优化等方法，其原理均是减少钢板变形与混凝土变形的差值，降低或者延缓水化放热峰值。我优化配比设计、优选粉煤灰、缓凝型高效减水剂以及添加AF-2012等方法从混凝土方面降低水化热和提高材料抵抗变形的能力，最终实现钢板-混凝土组合剪力墙浇筑后无裂纹，且表观质量优秀。
试验过程中我们发现，添加0.5%的AF-2012混凝土，添加剂不影响收缩整体规律，但总体收缩比空白样墙降低23%左右；水平方向产生的应变值大于竖直方向产生的应变值，内嵌钢板-混凝土组合剪力墙体容易产生纵向裂缝；应变最大值均出现在浇筑后24h至48h之间，混凝土内外温差最高值发生在48h左右。
参考文献
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