某超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫差效應(yīng)和開裂分析及措施

郝 麗 華

(山西省輕工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001)

某超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫差效應(yīng)和開裂分析及措施

郝 麗 華

(山西省輕工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001)

以太原某項(xiàng)目地下室為例，根據(jù)其具體工程概況，采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度收縮進(jìn)行了分析，得到了溫度應(yīng)力分布規(guī)律，并針對(duì)不同部位采取了不同的裂縫控制措施，以有效解決溫差收縮帶來的不利影響。

超長(zhǎng)建筑，溫差效應(yīng)，溫度應(yīng)力，裂縫控制

1 項(xiàng)目概況

太原某項(xiàng)目位于長(zhǎng)治路，總建筑面積約10萬m2。整個(gè)項(xiàng)目?jī)蓷澑邔樱?1層辦公樓，16層旅店及5層的框架多層商場(chǎng)建筑組成。3個(gè)單體共同坐落在一個(gè)長(zhǎng)方形的整體地下室上。地下室長(zhǎng)×寬約為166 m×63 m,位于中部的5層辦公樓長(zhǎng)約99.5 m,寬30 m?！俄乓?guī)》第8.1.1條規(guī)定結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距55 m。而本工程地上結(jié)構(gòu)因考慮建筑立面效果，未設(shè)置溫度伸縮縫，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮溫差效應(yīng)對(duì)超長(zhǎng)建筑的影響。整棟建筑地下3層，地下3層為人防儲(chǔ)備物資庫，地下2層為車庫，地下1層為試驗(yàn)用房,地上5層為多層辦公，建筑總高26.8 m，1層層高6 m，其余各層層高均為5.2 m。此辦公樓的結(jié)構(gòu)形式為帶少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu),柱網(wǎng)8.4 m×8.4 m,建筑南側(cè)沿軸層層懸挑4.2 m,北側(cè)中間部位置設(shè)一局部二層17.2 m×17.2 m的宴會(huì)廳。底層框架柱截面為1.0 m×1.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40;辦公樓東西兩端框柱間布置少量剪力墻(此剪力墻只為計(jì)算滿足位移用)，底層剪力墻厚度0.3 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)同本層框架柱。樓板和屋面板采用現(xiàn)澆樓板結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，典型框架梁截面450×700；地下3層頂板厚度200 mm，地下2層頂板厚150 mm,地下1層頂板厚度180 mm，室外覆土區(qū)域?yàn)?00 mm，其他樓層典型板厚為120 mm；屋面層板厚150 mm。

由于結(jié)構(gòu)的平面長(zhǎng)度超長(zhǎng)，并且在結(jié)構(gòu)布置上，建筑兩端存在少量剪力墻肢，對(duì)樓板有水平約束，水平溫差產(chǎn)生的效應(yīng)比較大。設(shè)計(jì)時(shí)，一方面考慮樓板在負(fù)溫差下強(qiáng)度及裂縫；另一方面，考慮端部的剪力墻及框架柱相應(yīng)地受到水平剪力。由于建筑超長(zhǎng)，溫差效應(yīng)作用明顯。

2 溫度收縮分析

2.1 季節(jié)溫差

太原市最高氣溫40 ℃左右,最低氣溫-20 ℃,施工時(shí)合龍溫度為10 ℃。對(duì)不考慮空調(diào)使用時(shí)，非屋面層溫度變動(dòng)范圍可以取-20 ℃～40 ℃；考慮空調(diào)使用時(shí)，可以取空調(diào)工作溫度18 ℃～26 ℃。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮整體結(jié)構(gòu)升溫40-10=30 ℃，降溫10-(-20)=30 ℃。

2.2 混凝土收縮當(dāng)量溫差

混凝土收縮應(yīng)變與混凝土齡期密切相關(guān)，如要求180 d以后封閉后澆帶，則混凝土收縮當(dāng)量溫差為-6 ℃；如要求90 d以后封閉后澆帶，則混凝土收縮當(dāng)量溫差為-16 ℃。在建筑物中部設(shè)置1.5 m寬的膨脹帶等措施，以減少此收縮的影響。

2.3 徐變應(yīng)力松弛折減系數(shù)

由于混凝土徐變的存在，結(jié)構(gòu)中實(shí)際應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈性分析的結(jié)果。

2.4 溫差效應(yīng)的計(jì)算方法

在進(jìn)行溫差效應(yīng)的設(shè)計(jì)過程中，考慮混凝土徐變?cè)斐傻膽?yīng)力松弛及構(gòu)件上的微裂縫形成的混凝土剛度折減。

3 溫差效應(yīng)計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)整體呈收縮狀態(tài);越靠近支座的樓層,樓面應(yīng)力值越大;首層邊跨的框架梁、柱產(chǎn)生的彎矩、剪力增大；將樓板按彈性模計(jì)算，根據(jù)每層的計(jì)算結(jié)果分析比較，越靠近基礎(chǔ)的樓層，受到基礎(chǔ)的約束越強(qiáng)，地下室頂板受到地下室外墻的約束，應(yīng)力大，第二層樓板由于幾部扶梯開洞，且層高高，應(yīng)力小，第三層樓板連續(xù)，層高小，應(yīng)力也大，從第四層開始應(yīng)力顯著下降，溫差效應(yīng)減弱。

4 針對(duì)各因素所采取的控制措施

通過PMSAP，ETABS等軟件在計(jì)算溫差時(shí)考慮以上各種因素的影響以及在施工中采取控制措施。1)考慮混凝土徐變。由于混凝土的徐變，其應(yīng)力松弛折減系數(shù)k取值范圍大致在0.2～0.33之間。計(jì)算溫度收縮效應(yīng)，文獻(xiàn)[4]的建議值為0.3。2)考慮季節(jié)溫差。根據(jù)太原地區(qū)溫度資料，在施工中合理對(duì)終凝溫度進(jìn)行控制。3)考慮混凝土收縮當(dāng)量溫差?；炷潦湛s當(dāng)量溫差的控制因素在于后澆帶的閉合時(shí)間。盡可能延長(zhǎng)后澆帶閉合時(shí)間，使其收縮應(yīng)變盡可能多地完成。4)考慮混凝土構(gòu)件的剛度折減系數(shù)。此系數(shù)一般取0.85，更嚴(yán)格一些可取0.9或0.95。

5 裂縫控制措施

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)易開裂，主要原因是變形作用引起的，其中溫度變化又是主要因素。空氣中的溫度、太陽的熱輻射使得其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形(最普遍的熱脹冷縮現(xiàn)象)，產(chǎn)生約束，引起應(yīng)力。與此同時(shí)，風(fēng)速又加聚混凝土水分的蒸發(fā)，當(dāng)混凝土的變形超過了極限拉伸，結(jié)構(gòu)混凝土自然開裂。

結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度是影響溫度應(yīng)力的因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用后澆帶，在施工中先澆筑后澆帶兩側(cè)構(gòu)件，然后再用高一級(jí)混凝土澆筑后澆帶，使之成為一體，意在先讓后澆帶兩側(cè)混凝土自由伸縮，后澆帶處的混凝土因溫差和收縮應(yīng)力疊加值小于混凝土抗拉強(qiáng)度，達(dá)到控制裂縫的目的，可不設(shè)置永久伸縮縫。

針對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，控制裂縫的具體措施如下：

1)多高層建筑結(jié)構(gòu)的筏片基礎(chǔ)，在滿足承載力和防水要求的條件下，盡量選取混凝土強(qiáng)度等級(jí)低的，以降低水化熱。2)地下室鋼筋混凝土墻體采取的措施：a.結(jié)合地上建筑的位置，每隔40 m左右設(shè)置后澆帶。采用摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土澆筑。b.地下室外墻墻體的混凝土澆筑后要特別加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，混凝土澆灌后1 d～7 d內(nèi)加強(qiáng)澆水養(yǎng)護(hù)，7 d～14 d仍須濕養(yǎng)護(hù)。墻體澆筑完后，應(yīng)從頂部設(shè)水管噴淋，墻體帶模養(yǎng)護(hù)不少于7 d，拆模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至少14 d。地下室周圍地坑應(yīng)及時(shí)回填。3)樓板、梁、柱等采取措施：a.在梁跨1/3處即剪應(yīng)力較小處設(shè)置后澆帶;b.普通樓板增加分布鋼筋的配筋率。屋面板考慮溫度影響設(shè)置雙層雙向通筋或樓板上部附加抗裂筋;c.對(duì)端部梁、墻、柱按照計(jì)算結(jié)果，增配鋼筋。沿外側(cè)邊梁的腰筋按受拉錨固和搭接長(zhǎng)度考慮。增大邊抗扭能力;d.最外側(cè)邊梁不外露。4)剪力墻結(jié)構(gòu)不宜超長(zhǎng)。剪力墻的首層及屋頂層水平鋼筋，在加強(qiáng)部位的要求進(jìn)行增配鋼筋，緩解應(yīng)力集中。5)通長(zhǎng)挑檐板，每隔12 m左右設(shè)置伸縮縫，縫寬10 mm,縫內(nèi)填堵防水嵌縫油膏。當(dāng)樓板挑出長(zhǎng)度不小于1.5 m,應(yīng)配置平行于上部縱向鋼筋的下部筋和分布筋，其直徑不小于8 mm。這些板的分布筋應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。6)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)置后澆帶，需在兩側(cè)混凝土澆筑完畢至少60 d之后方可澆筑，若整棟建筑從基礎(chǔ)至屋頂全部設(shè)后澆帶，施工周期必然延長(zhǎng)。根據(jù)建筑實(shí)際情況有些可采用膨脹加強(qiáng)帶的做法，則在加強(qiáng)帶兩側(cè)混凝土澆筑完畢終凝前，采用大膨脹混凝土同時(shí)澆筑，可節(jié)省時(shí)間，不影響模板周轉(zhuǎn)，加快樓面施工進(jìn)度。膨脹加強(qiáng)帶的做法寬度2 m,帶兩側(cè)鋪設(shè)密孔鐵絲網(wǎng)，用摻14%～15%UEA且強(qiáng)度等級(jí)比兩側(cè)高一級(jí)混凝土澆筑。此方法可連續(xù)澆筑100 m～150 m超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)帶的間距控制在40 m～60 m。

6 結(jié)語

對(duì)于這種常見的大面積地下室且兩個(gè)方向都很長(zhǎng)，地下室外墻是鋼筋混凝土的；上部結(jié)構(gòu)是單向超長(zhǎng)的工程的分析，可以看到：

1)結(jié)構(gòu)豎向受溫差效應(yīng)小，平面上長(zhǎng)向的端部剪力墻對(duì)樓板約束強(qiáng)，水平溫差產(chǎn)生的效應(yīng)較大。要注意樓板在負(fù)溫差下產(chǎn)生的約束拉應(yīng)力和端部剪力墻、框架柱受到的水平剪力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮并加以復(fù)核。2)改善溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響采取的措施：繞開電梯及扶梯洞口布置兩條后澆帶；控制混凝土最大水灰比為0.55；高溫濕養(yǎng)；降低后澆帶終凝溫度，本工程一二層終凝溫度在10 ℃～15 ℃；延長(zhǎng)后澆帶閉合時(shí)間至180 d。除對(duì)建筑物構(gòu)件不同部位采取相應(yīng)的措施，可以有效地解決溫差帶來的負(fù)效應(yīng)；同時(shí)在施工方面，要求施工單位對(duì)一、二層施工提出針對(duì)性的施工措施，對(duì)各層混凝土材料的選用、配比、生產(chǎn)、運(yùn)輸、泵送時(shí)間控制、現(xiàn)場(chǎng)振搗澆筑、支摸、拆摸、養(yǎng)護(hù)等工藝提出合理的施工組織設(shè)計(jì)，并要求組織專家會(huì)議對(duì)施工工藝進(jìn)行論證。要求采取防護(hù)措施，如及早盡快將外圍填充墻砌筑完畢，防止風(fēng)沙、日照引起混凝土表面裂縫。

[1] JGJ 3-2012，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[3] 馮 麗，顧渭件.高層建筑超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無縫技術(shù)裂縫控制的建筑和結(jié)構(gòu)技術(shù)[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,35(2)：40-43.

[4] 王鐵夢(mèng).建筑物的裂縫控制[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1993.

[5] 王 麗.混凝土工程裂縫控制[J].山西建筑，2014，40(9)：111-112.

Temperature variation effect and cracking analysis and measures of the super-length concrete structure

HAO Li-hua

(Shanxi Light Industry Design Institute, Taiyuan 030001, China)

Taking one Taiyuan project basement as an example, according to its specific engineering conditions, the paper analyzes its structural temperature shrinkage by applying finite element method, obtains its temperature stress distribution law, adopts various cracking control measures, with a view to effectively solve temperature shrinkage defects.

super-length building, temperature variation effect, temperature stress, crack control

1009-6825(2014)31-0053-03

2014-08-26

郝麗華(1974- )，女，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師

TU375

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