混凝土工程裂缝控制探索之路
王铁梦 教授博导
国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心
王铁梦 1931年出生在辽宁省铁岭，满族人。曾先后任冶金工业部建筑研究总院副院长和副总工程师，上海宝山钢铁总厂和宝钢工程建设指挥部副总工程师，上海浦东地基基础工程施工协调专家组组长,国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心专家顾问，教授级高级工程师，博士生导师，中广核电，国核电力设计研究院技术顾问，曾任西安建筑科技大学兼职教授、博导，上海交大、清华大学、同济大学、大连理工大学兼职教授，深圳大学客座教授。
实践的需求改变了我的人生轨迹
时光倒流到上个世纪五十年代，我作为解放后第一批大学生，正赶上了新旧交替的伟大时代，不愿意虚度光阴和随波逐流，为祖国建设做一点贡献，建国初期东北开始了大规模经济建设，在大学学习期间，联系自己的特长和爱好，决心学习建筑艺术专业，梦想做一名建筑师，在东北156项重点工程中在苏联专家指导下，进行毕业前的实习，这也是我最早的接触实践，我同时做为苏联专家的俄文翻译，每走到一个工地，中国的工程技术人员通过我的翻译向苏联专家提出许多建筑实践中的技术难题，其中一项较多的问题，建筑物温度伸缩缝和变形缝问题，如东北铁道部齐齐哈尔机车车辆工厂、沈阳电机厂、沈阳某变压器厂、鞍钢大型轧钢厂工地进行教学实习时。现场工程师们提出了许多类似问题，现场实践直觉告诉我们，建筑物的温度伸缩缝设置与裂缝出现规律无明显直接关系与当时苏
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联规范规定有一定矛盾，苏联专家认为这纯属偶然现象，苏联规范是按苏联经验和弹性理论决定的，应该无条件执行。而当时我感觉这偶然现象背后可能隐藏着必然规律，查阅资料，并没有先驱者对这一不起眼的课题进行研究。不成为学术界研究问题，却是规范性质问题而且是国际性规范问题。年轻的我，理想是热衷于建筑艺术的研究，曾梦想当一名建筑师。因此原来的打算暂时先搁置一下，先抽点时间搞搞伸缩缝问题，然后再从事心爱的建筑艺术专业。没想到我对伸缩缝与裂缝控制问题进行的研究和探索一发而不可收拾，研究和探索中发现其涉及领域之广，问题之多，远远超出了我原先的设想。在茫茫知识海洋中，查不到对口资料，路该怎么走，渺茫无序，只能作为一个拓荒者艰难前行，一路上风风雨雨跌跌撞撞走过了将近60年，遇到数不清的困难，始终不离不弃，跌倒再爬起，实践的需求，改变了我一生的追求和生活轨迹，这一探索之路竟成了我的终生事业和追求，整整跑过了六十年，混凝土工程裂缝的探索必须联系混凝土材料、结构和施工研究温度，收缩，地基变形等效应。控制裂缝的新理念，混凝土裂缝是不可避免的，其有害程度是可控制的，工程师的全部艺术是把裂缝控制在无害范围内，现代化学灌浆技术可以作为终饰工程处理好无害裂缝。解决裂缝问题最好的设计原则是应用“抗与放”的设计原则，辩证统一了设缝与无缝两大流派。概念设计具有良好的现实意义。一切裂缝与质量事故都是作用效应与结构抗力的博弈，作用效应中应当增加新一类隐形荷载即变形效应，包括温度，湿度和地基变形效应。提出最新的混凝土无缝施工法-跳仓法。将结构，材料，施工和地基联合起来进行研究和应用，解决实际工程问题为最终目的。变形效应是一个新的领域。
偶然现象的探索-对苏联规范提出异议-确定伸缩缝研究的切入点
五十年代初期，正当全国学习苏联的高潮，苏联专家认为苏联规范是根据苏联建设经和弹验性理论计算决定的，执行这一规范有东欧的许多国家德国和中国。工业建筑框架结构温度应力的计算是按前苏联“单层工业厂房柱结构计算理论”，该计算理论依据是依据弹性假定，框架结构的温度应力和结构长度成正比即线性关系，柱间剪刀撑大大增加框架侧移刚度，不算则已，一算应力过分偏高（热弹理论计算工程不仅数量级偏高而且有可能产生定性的误差，如某核电站核岛的实际工程裂缝出现在理论计算的受压区，而受拉区反而安全无恙），故当时只好按苏联温度伸缩缝许可间距进行设计，一般认为如果设计院按规范留了伸缩缝，则结构开裂的责任有施工方负责。如果设计没有留伸缩缝，则结构开裂由设计方负责。这样就把是否留伸缩缝作为开裂判断唯一依据。对于中国的工程技术人员来讲，当时国内执行的设计规范也是照搬了这个规定；这些规范是必须执行的金科玉律，保留至今。然而，1954年夏毕业前实习，苏联教授带我们去苏联援华项目铁道部、机械部、冶金部等许多工程现场教学实习时，在厂里发现混凝土框架长度150余米铸造车间并没有设伸缩缝。这个长度超出规范规定3倍的建筑物没有预先留伸缩缝，既没有影响到建筑物的质量，而且又有良好的外观。为什么会出现这种反常的现象？设计人员由于没有按照规范留
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伸缩缝而受到批评，但是工程没有开裂，苏联专家的回答是，对设计者既不要批评，因为工程没裂，但也不要表扬，因为他没有按苏联规范设计。有好几个工地的中国技术人员都提出类似问题，专家们回答，这纯属个别的偶然现象，不具有普遍性，没有研究价值。中科院力学所邀请波兰专家讲学，我有机会去请教国际著名力学家基斯尔教授，没想到教授回答和苏联专家一样，纯属“偶然想象”，没有研究价值，波兰也是应用苏联规范，苏联规范又源自德国，东欧和其它国家都有自己的规范，只是间距数值大小有区别。但是，我下意识地认识到这种建设实践中的偶然现象背后，极有可能隐藏了某种必然的规律，而当时并没有先驱者进行这一课题的研究，普遍认为，这是一个不起眼的小课题，没人感兴趣。我决定先抽一点时间搞搞这个伸缩缝问题。我收集了许多温度应力理论的资料，到建科院、北京图书馆，北大数学系，水科院等许多著名研究院都找不到找不到伸缩缝的研究论文和资料，没人对这个课题感兴趣，也没有哪个科研院所列过这样的研究课题，只找到一些力学理论资料，我对那些弹塑性理论数学力学的推导，看也看不懂。建设现场裂缝问题此起彼伏，我决心深入到工程裂缝最多的工程实践中去，从裂缝现象作为研究伸缩缝的切入点，开始对工程实际变形和裂缝扩展规律进行工程实测，实测资料的累计作为分析问题和简化计算方法的基础，收集到第一手大量裂缝资料，同时做了一点小型粗略实验。开始从混凝土结构扩大变形缝间距，至今发展到取消永久性变形缝的研究与应用。
1955年哈工大本科毕业后，我被分配留在哈工大任助教，开始对建筑裂缝进行全面而深入的研究和探索。最初的研究文章是结合现场反常的裂缝现象与建筑物伸缩缝的关系而开始编写的，当时正处于全国学习苏联的高潮，苏联规范是神圣不可侵犯的，我根据东北156项重点苏联援助项目中的某部分工程收集到的“偶然现象”结合工程实践和实测，发现了苏联规范的局限性和片面性，准备对苏联规范提出质疑，对热弹性理论计算方法学习并进行改进和探索，提出多系数简易计算法（弹塑性，裂缝刚度，俆变，装配式影响）可以算出伸缩缝间距，原文见《哈尔滨工业大学学报》1957 No.3,取消永久性伸缩缝条件（当伸缩缝间距扩大到建筑物长度时即达到取消伸缩缝的目的）。又查到一些其它国家的规范，没有想到，一个不起眼的小课题竟然是对国际性常规的挑战。
第二篇文章是“工业厂房的真实变形”变形实测分析，并指出：观测到的数据和弹性理论存在较大的差异，结构的真实变形远小于理论值，与诸多条件有关，但主要的是装配式影响。我战战兢兢地用俄文完成了这篇质疑，质疑前苏联规范中有关伸缩缝的规定。研究论文《关于工业建筑横向温度缝和纵向温度缝》，虽然遭受到某些批评和讽刺“铁梦在玩数学游戏，对苏联规范不尊重”，我意识到虽然题目不起眼，但有一定风险，当时许多学术问题都和政治家庭出身挂钩。1957年初在哈工大的学术报告厅，做了工业厂房混凝土框架伸缩缝的初步研究报告，听众感到我对苏联规范和苏联专家的不同意见，听众不欢而散，那是对我第一次打击。我给几个杂志写文章均被退回，同学们担心我会出问题，我还是打起勇气，将论文送给给苏联专家库兹明教授审查，他又转送苏联建筑科学院最终审查后建议
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由苏联的《工业建筑》杂志两次发表，苏联“工业建筑”杂志是国际上颇有名望的技术杂志，在国际广泛流传，《 ПромышленноеСтроительство》1958 No.10、1960 No.4
1958年6月我接到杂志主编密尔扎先生的通知：你的论文将于1958年10月号在本刊登出，编辑部总编附加了编辑部“按语”：“本问题在苏联尚未得到成熟的解决，本论文具有现实意义，发表中国工程师王铁梦的文章，是为了向本刊读者征求讨论意见”。文章受到前苏联同行的广泛关注和讨论，其后该杂志两年内发表6篇讨论文章（有赞成有反对）。 控制混凝土结构裂缝问题是一项综合性技术难题，变形缝的设置只是诸多因素之一，是主要的设计措施，并根据苏联经验编制国家规范，我开始探索厂房排架结构和框架结构联系混凝土特性，温度应力和长度成正比的计算方法，补充了常规弹性理论中忽略了材料，施工及环境条件的常规计算方法，长度不能成为判定裂缝与否的唯一因素，否定了当时留缝与否作为裂缝唯一判别依据，我的文章发表在“建筑学报”1959 No.1和“土木工程学报”1961.4.5.6.中国土木工程学会上海裂缝会议论文集（1963），这样的近似计算将弹性温度应力下降了70%--80%比较接近实际。1959年5月我被借调到建研院与一机部第八设计院签署了在沈阳电机厂主厂房168m长混凝土框架结构取消伸缩缝厂房实验工程合同，进行了分析计算和跟踪观测，发现厂房框架中的剪刀撑，显著增加侧移刚度。超长工程质量正常，裂缝控制取得了成功。这时我发现变形引起的作用效应，与结构刚度成比例的特点，作用效应与自身结构刚度成正比，这是与荷载效应有着根本的区别，弹塑性，俆变、微裂缝和装配节点都会软化温度收缩应力，反复温差会引起异号应力，这些因素都与混凝土的龄期有关，苏联规范和弹性理论计算决定伸缩缝间距的规范有被突破的可能。
北京人民大会堂主体结构超长132m临时变形缝工程的实践
1958年，我到北京工作后，被借调到中国建筑科学院工作，随着建科院一批老专家参加了北京国庆十大工程办公室科学技术工作委员会做技术服务工作，十大工程均是超长工程，如何设置伸缩缝问题引起大家的注意，当时中国还没有前人做过系统的研究，由于我做过一点研究并且写出一些论文就被借调到建设部建研院，跟随建研院的专家们为国庆工程科技委做服务工作，于1958年12月28日讨论人民大会堂是否设置伸缩缝的问题做准备工作。国庆工程中最大的工程也是最重要的工程人民大会堂主体结构，从大会堂东门到西门主体结构132米长钢筋混凝土框架结构，超过伸缩缝许可间距三倍多，是否需要设置伸缩缝是迫在眉睫的问题，建筑师无法解决变形缝给建筑艺术和构造带来的困难，伸缩缝对建筑造型极为不利，结构工程师希望遵守规范和留伸缩缝，引起热烈争议。研究院的专家组指定我做一些计算方面的筹备工作。人民大会堂主体结构专门委员会于1958年12月28日正式召开了第十一次会议，会议由北京市建筑设计院总工程师朱兆雪（兼人民大会堂总工程师）主持，主要参加单位有北京市建筑设计院、北京工业建筑设计院、清华大学、建
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筑科学研究院等，会议专门讨论了温度伸缩缝问题。因为按照当时的混凝土规范，人民大会堂132米超长结构在纵向要设两条温度伸缩缝，将主体结构分成3块。建筑师在设计上很难处理，势必会对建筑的美观、抗震、防水和保温产生不良影响，提出了可否取消？但是结构工程师感到对规范的冲击较大，因为这个长度超过了规范允许的3倍，是典型的超长混凝土工程，又是国家重点工程。出了问题谁负责？
我根据建研院专家组的要求，并根据过去的初步研究成果，对人民大会堂132米主体框架作了温度收缩应力近似计算，考虑到大会堂施工阶段最不利的温差，如不设伸缩缝，框架端部最大位移为1.7～2.0厘米，最大弯矩为750kN·m；我认为对结构不会产出有害影响，取消温度伸缩缝是很有可能的，从另一方面看，如果根据大会堂施工期间的最大降温差远远超过使用阶段的年温差，可以采用临时性伸缩缝解决施工阶段的最大温差，投入使用以后，永远不会再遇到施工阶段的温差，可以在施工后期约两个月时间封闭临时性伸缩缝，这样可以给结构留有更多的安全度，给建筑师创造很大的方便，既不影响建筑艺术，又不影响结构安全，结构永远不会承受施工期间-20余度的降温，与会专家对我的建议热烈论证后，希望建议方案能使结构的内力和位移再小一点。我经过近似的计算，认为在132米范围内设置两条临时性伸缩缝，可将最大位移减少到0.6厘米，最大弯矩减少到250 kN·m。与会专家工业建筑设计研究院陶逸钟总工程师介绍了北京车站的温度伸缩缝处理情况，北京车站大厅部分，月台及地下道的温度伸缩缝处理经验。会上清华大学汪坦教授认为人民大会堂工程是非常重要的，只许成功，不许失败。应当采用更多的实际调查资料。北京市设计研究院研究室顾鹏程教授提出了结构避免和减少干缩的施工方法。建筑科学院薛绳祖总工程师认为关于伸缩的建议方案是合理的，如结合天安门看台、红十字医院和其它超长工程等。会上胡璘工程师补充说明了施工条件对工程质量的影响，最后经过设计施工论证，由朱兆雪总工程师确定采用两条“临时性1.0米宽变形缝”后来被称为“后浇带”的技术措施，最终达到了取消永久性伸缩缝的目的。施工过程中我跟踪施工，在现场目睹留临时伸缩缝，缝中钢筋连续不断（论证会上有少数同志主张切断钢筋更能释放应力）。其
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