預(yù)應(yīng)力技術(shù)在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

丁 淑 芳

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用

丁 淑 芳

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)已建復(fù)雜的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算,研究探討了溫度作用取值問(wèn)題，采取了專(zhuān)門(mén)的預(yù)加應(yīng)力或增配構(gòu)造鋼筋的措施，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證其有效性。

溫差，超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力，補(bǔ)償收縮混凝土

1 工程概況

該工程位于江蘇南方某城市為五星級(jí)酒店項(xiàng)目，由1幢39層主樓及4層的商業(yè)裙房組成，主樓及裙房間設(shè)縫斷開(kāi),主樓建筑屋面高度158.2 m，地下3層;裙房屋面高度22.2 m，總長(zhǎng)為135.7 m，地下1層,地上4層，裙房建筑功能要求不設(shè)縫，其頂層設(shè)大跨度宴會(huì)廳，屋面設(shè)游泳池,結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)。因建筑總長(zhǎng)遠(yuǎn)超規(guī)范要求，屬超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。該裙房抗震設(shè)防烈度6度，安全等級(jí)為二級(jí)，框架抗震等級(jí)為四級(jí)，裙房結(jié)構(gòu)封頂時(shí)間為7月份，因此第一年冬天降溫因素對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)影響較大，需重點(diǎn)分析。

2 理論依據(jù)

根據(jù)《鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》要求一般框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為55 m,同時(shí)規(guī)范也規(guī)定對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可采取包括施加預(yù)加應(yīng)力等措施用來(lái)抵消混凝土溫差產(chǎn)生的應(yīng)力作用，混凝土具有熱脹冷縮特性,因其抗拉能力差,而溫度降低使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力,因此應(yīng)重點(diǎn)考慮溫度降低對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,在梁板內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力與因溫差產(chǎn)生拉應(yīng)力疊加后小于混凝土抗拉強(qiáng)度,確?；炷帘砻娌划a(chǎn)生裂縫。本工程中沿建筑物長(zhǎng)向布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)加應(yīng)力有效抵抗溫度拉應(yīng)力作用，從而避免混凝土表面的破壞。

3 計(jì)算

對(duì)結(jié)構(gòu)影響最大的溫差計(jì)算主要包含兩部分內(nèi)容,分別為季節(jié)溫差和混凝土收縮當(dāng)量溫差。

建筑整體計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

3.1 收縮應(yīng)力與溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.1.1 混凝土收縮當(dāng)量溫差計(jì)算

根據(jù)王鐵夢(mèng)《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》計(jì)算時(shí)選取混凝土澆筑后的15 d，30 d，60 d，90 d，180 d作為時(shí)間計(jì)算參數(shù)。

1)混凝土收縮引起的應(yīng)變。

應(yīng)變?chǔ)舮(t)=3.24×10-4×(1-e-0.01×t)·M1·M2·…·Mn。

其中，M1，M2，…，Mn均為條件系數(shù)。在本次計(jì)算中，混凝土等級(jí)為C35，普通525水泥，水泥細(xì)度3 000，花崗巖骨料，水灰比0.4，水泥漿量25%，初期自然養(yǎng)護(hù)4 d，環(huán)境相對(duì)濕度25%，水力半徑倒數(shù)0.05，采用機(jī)械振搗，配筋率0.20%。

查《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》p22～p23表2-1～表2-4可得:

M1=1.00；M2=1.00；M3=1.00；M4=1.00；M5=1.20；

M6=1.07；M7=1.25；M8=0.65；M9=1.00；M10=0.68。

計(jì)算出t=15 d,30 d,60 d,90 d,180 d,應(yīng)變分別為0.32×10-4，0.596×10-4，0.037×10-4，1.364×10-4,1.919×10-4。

2)混凝土的彈性模量。

取混凝土成齡的彈性模量E0=3.0×104N/mm2。

混凝土彈性模量公式，E(t)=E0(1-e-0.09×t)。

a.t=15 d，E(15)=3.0×104·(1-e-0.09×15)=2.222×104N/mm2;b.t=30 d,E(30)=3.0×104·(1-e-0.09×30)=2.799×104N/mm2;c.t=60 d,E(60)=3.0×104·(1-e-0.09×60)=2.986×104N/mm2;d.t=90 d,E(90)=3.0×104·(1-e-0.09×90)=3.0×104N/mm2;e.t=180 d,E(180)=3.0×104·(1-e-0.09×180)=3.0×104N/mm2。

3)收縮引起的等效當(dāng)量溫差。根據(jù)王鐵夢(mèng)的當(dāng)量溫差理論，考慮到混凝土的徐變引起的應(yīng)力損失，因此需考慮到應(yīng)力松弛系數(shù)H(t)，可取0.3～0.5，本工程取0.5。

σΔ(t)=E(t)·Δε(t)·H(t)。

σΔ(15)=2.222×104×(0.32-0)×10-4×0.5=0.356 MPa。

σΔ(30)=2.799×104×(0.596-0.32)×10-4×0.5=0.386 MPa。

σΔ(60)=2.986×104×(1.037-0.596)×10-4×0.5=0.658 MPa。

σΔ(90)=3.0×104×(1.364-1.037)×10-4×0.5=0.491 MPa。

σΔ(180)=3.0×104×(1.919-1.364)×10-4×0.5=0.833 MPa。

∑σ=2.724MPa。

在有限元程序計(jì)算中，作為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次計(jì)算對(duì)混凝土材料做彈性計(jì)算，故把混凝土彈性模量看作一個(gè)常量，并未考慮時(shí)間對(duì)混凝土彈性模量的影響。因此，混凝土收縮引起的應(yīng)變等效成的溫差也按定值考慮。

上述計(jì)算結(jié)果表明，混凝土收縮引起的應(yīng)變并考慮到徐變的影響以及時(shí)間因素后等效得到的當(dāng)量溫差可認(rèn)為在9 ℃左右。

本工程地上框架混凝土收縮應(yīng)力的當(dāng)量溫差取9 ℃。

3.1.2 地上部分最不利溫差

據(jù)當(dāng)?shù)刭Y料和該城市年氣象變化，夏季(最熱)月平均氣溫26.4 ℃，冬季(最冷)月平均氣溫4.9 ℃。因此，本工程2層～4層樓面降溫取 20 ℃[(26.4-4.9)×0.5+9=19.75 ℃]，屋面降溫取25 ℃(20×1.25=25 ℃)。

采用有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)結(jié)構(gòu)模型中二級(jí)次梁作了簡(jiǎn)化處理，消除其對(duì)分析的不利影響，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。梁、柱采用Frame單元；樓板采用Shell單元，膜及彎曲厚度按樓板厚度輸入；不考慮自重影響。

3.2 荷載工況

降溫情況一般按3個(gè)工況考慮：Temp(樓板降溫)、Pres1(樓板鋪放直線(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋)、Pres2(框架梁及次梁鋪放直線(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋)。

3.3 分析工況

分別對(duì)降溫Temp工況、施加預(yù)應(yīng)力工況Pres1，Pres2及三者之間疊加工況Add=Temp+Pres1+Pres2進(jìn)行分析。

3.4 結(jié)果說(shuō)明

3.4.1Temp工況

2層sx應(yīng)力洞口左右大部分在2.6MPa～2.7MPa之間，近洞口上下部分約有3.8MPa，另外半圓區(qū)域則有3.4MPa，因?yàn)镾AP2000網(wǎng)格劃分對(duì)結(jié)果影響很大，尤其是不規(guī)則形狀，樓面左邊緣約2.1MPa；3層sx應(yīng)力與2層分布類(lèi)似，只是值相對(duì)小些。洞口左右大部分在2.1MPa～2.2MPa，近洞口上下部分約有2.6MPa，另外半圓區(qū)域則有3.0MPa，樓面左邊緣約2.0MPa；4層sx應(yīng)力基本在2.1MPa～2.3MPa范圍內(nèi)，半圓區(qū)域亦有應(yīng)力集中現(xiàn)象；屋面sx應(yīng)力則大部分在3.0MPa～3.5MPa之間，左邊緣應(yīng)力在2.5MPa左右，見(jiàn)圖2，圖3。

注：此次模型僅考慮了屋面降溫25 ℃的最不利情形，平面中水池、洞口及型鋼梁上翻等基本符合實(shí)際情形，網(wǎng)格剖分盡可能不產(chǎn)生奇異點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力損失按《無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)范取值，考慮了張拉端錨具變形和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮σl1、無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的摩擦σl2、無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛σl4、混凝土的收縮和徐變?chǔ)襩5、張拉后批無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋所產(chǎn)生的混凝土彈性壓縮損失取50 MPa(采用分批張拉時(shí))。

3.4.2 Pres1工況

單根無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力0.75fptk=0.75×1 860=1 395 MPa。2層配置1UΦs15@600，3層、4層均配置1UΦs15@800；屋面配置1UΦs15@400，在屋面板上產(chǎn)生sx應(yīng)力約為-1.3 MPa～-1.5 MPa，見(jiàn)圖4。

3.4.3 Pres2工況

2層與屋面主次梁配置4UΦs15,3層、4層主梁均配4UΦs15、次梁均配2UΦs15。在屋面板上產(chǎn)生sx應(yīng)力約-0.7 MPa～-0.8 MPa,見(jiàn)圖5。

3.4.4 Add工況

2層sx應(yīng)力在0.2 MPa～0.6 MPa之間,3層sx應(yīng)力在0.15 MPa～0.6 MPa之間；4層sx應(yīng)力在0.15 MPa～0.5 MPa之間；屋面sx應(yīng)力左半部分在0.75 MPa～1.25 MPa之間，右半部分在1.70 MPa～2.15 MPa之間,見(jiàn)圖6。

C35混凝土抗拉應(yīng)力值為ftk=2.20 MPa，因此配置的預(yù)應(yīng)力筋量基本可以滿(mǎn)足抗裂要求。

4 溫度應(yīng)力對(duì)豎向構(gòu)件影響

降溫對(duì)端跨柱變形影響較大，對(duì)中間跨柱影響較小，對(duì)頂層柱影響較大，對(duì)底層柱影響較小，對(duì)1層柱底部幾乎沒(méi)有影響。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)豎向構(gòu)件尤其是頂層柱配筋應(yīng)予以加強(qiáng)。

5 控制溫度應(yīng)力的其他切實(shí)有效措施

可對(duì)混凝土外表面增加保溫措施，減少環(huán)境溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響(減小Δt)；因?yàn)榛炷两禍厥湛s的破壞影響大于膨脹，且加上混凝土自身收縮的影響，應(yīng)盡量降低合龍時(shí)溫度，例如可選擇溫度較低的季節(jié)(減小Δt)。

另外本工程還采取控制混凝土材料如降低水灰比、采用低水化熱水泥品種，改善混凝土和易性、增加其密實(shí)度、保證澆筑和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制，同時(shí)設(shè)置兩道后澆帶并控制后澆帶澆筑時(shí)間盡量在較低溫度下，減少溫差帶來(lái)的變形。

6 實(shí)配預(yù)應(yīng)力鋼筋及施工要求

預(yù)應(yīng)力筋采用1860級(jí)(國(guó)標(biāo)GB/T 5224—2003)高強(qiáng)低松弛鋼絞線(xiàn)，鋼絞線(xiàn)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1 860 MPa,彈性模量Es=1.95×105MPa,直徑d=15.20 mm，預(yù)應(yīng)力筋分兩批張拉，第1批張拉未跨越后澆帶的預(yù)應(yīng)力筋，第2批張拉跨越后澆帶的預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力σ=0.75fptk。板中預(yù)應(yīng)力筋居板中直線(xiàn)布置，梁中預(yù)應(yīng)力筋居梁中直線(xiàn)布置，因張拉需要彎曲預(yù)應(yīng)力筋,該預(yù)應(yīng)力筋各向偏移的曲率半徑均不得小于6.5 m。遇洞口的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可分兩側(cè)繞過(guò)開(kāi)洞處鋪放;且距洞口不得小于150 mm。預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)結(jié)合后澆帶分段張拉,一端張拉時(shí)筋長(zhǎng)不得超過(guò)36 m,兩端張拉時(shí)筋長(zhǎng)不得超過(guò)60 m，起始預(yù)應(yīng)力筋距布置范圍邊緣的尺寸不得大于1/2@值。

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為控制由于溫差和混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫，在裙房2層～4層樓面及屋面沿縱向梁板內(nèi)采用加預(yù)應(yīng)力鋼筋措施對(duì)控制沿長(zhǎng)度方向裂縫是非常有效的。屋面加屋面隔熱保溫層，加強(qiáng)屋面板配筋，雙層雙向拉通配置；采用計(jì)算軟件進(jìn)行溫度應(yīng)力分析計(jì)算，對(duì)溫度應(yīng)力影響較大的部位加強(qiáng)配筋是行之有效的措施。本項(xiàng)目已投入使用3年，對(duì)建筑物季節(jié)性變形檢測(cè)，溫差引起變形小于計(jì)算值，構(gòu)件表面未出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，說(shuō)明科學(xué)綜合運(yùn)用預(yù)應(yīng)力及后澆帶技術(shù)并合理選用材料及優(yōu)化施工確能阻止超長(zhǎng)大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生。

[1] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JGJ/T 92—2004，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

Application of prestress technology in super-long structure

Ding Shufang

(ChinaShipingBuildingNDRIEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200063,China)

According to relevant design norms, the paper analyzes and calculates existing complicated super-long structure, explores the valuing matters under temperature action, adopts special prestressed or adding structural steel and other measures, and testifies its effectiveness through engineering examples.

temperature difference, super-long structure, prestress, shrinkage-compensating concrete

2015-06-23

丁淑芳(1963- )，女，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)25-0040-03

TU311

A