杭州某超長(zhǎng)高層結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析

任海洋 楊 將 陳曉燕

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州310014)

1 引言

隨著人們對(duì)房屋功能、環(huán)境需求的日益提高，建筑物的形狀越來(lái)越復(fù)雜、體型越來(lái)越大，如一些大型的公共建筑、大底盤的商場(chǎng)等建筑，其平面尺寸已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中需要留置溫度縫的建筑物長(zhǎng)度限值。如果按照規(guī)范留縫，勢(shì)必會(huì)給建筑、設(shè)備及其他專業(yè)帶來(lái)一系列問(wèn)題，影響建筑表現(xiàn)效果和設(shè)備布置。同時(shí)，伸縮縫處的防水處理也是困擾建筑界人士的一大問(wèn)題。所以，不僅是業(yè)主，就是設(shè)計(jì)人員自身，也都希望能做到盡量少留縫或不留縫。

由于混凝土這種材料具有抗拉強(qiáng)度低、韌性差以及在強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中易發(fā)生收縮，從而致使建筑物產(chǎn)生各種裂縫。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起滲漏，降低結(jié)構(gòu)的持久強(qiáng)度，影響建筑物外觀。盡管有些裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力沒(méi)有什么大的影響，但業(yè)主會(huì)對(duì)建筑質(zhì)量提出質(zhì)疑，引起不必要的麻煩。

建筑物裂縫的主要原因，可歸結(jié)為兩大類［1］:一類是由于外荷載引起的裂縫，即結(jié)構(gòu)性裂縫、受力裂縫，其裂縫與荷載有關(guān)，預(yù)示結(jié)構(gòu)承載力可能不足或存在嚴(yán)重問(wèn)題;另一類是由變形引起的裂縫，也稱非結(jié)構(gòu)裂縫，如溫度變化、混凝土收縮、地基不均勻沉降等因素引起的變形，當(dāng)此變形得不到滿足，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力，當(dāng)此自應(yīng)力超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力時(shí)。根據(jù)調(diào)查資料表明:兩類裂縫中，變形引起的裂縫占主導(dǎo)，約占結(jié)構(gòu)物總裂縫的80%［2］。

對(duì)于超長(zhǎng)建筑物，溫度和混凝土收縮應(yīng)力的影響十分突出，而這種應(yīng)力是由于結(jié)構(gòu)變形受到約束而產(chǎn)生的，建筑物越長(zhǎng)，應(yīng)力越大。其中混凝土的收縮應(yīng)力常采用后澆帶、摻纖維或微膨脹劑等方法予以補(bǔ)償;但使用過(guò)程中，溫度變化引起的應(yīng)力、應(yīng)變多通過(guò)簡(jiǎn)化的溫度應(yīng)力計(jì)算方法得出較為粗糙的結(jié)論，甚至在設(shè)計(jì)過(guò)程中不考慮溫度作用，僅做構(gòu)造處理。因此，環(huán)境溫度影響下的應(yīng)力分析是超長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究課題。

2 工程概況

華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的閑林辦公樓位于杭州市余杭區(qū)閑林鎮(zhèn)，地下一層，地上十四層，總建筑高度為54．800 m，總建筑面積50 436 m2現(xiàn)澆框架－剪力墻結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為35．2 m×132 m，平面布置見(jiàn)圖1。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為:地下室C35，1—5層C35，6—14層為C30，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度為6度，II類場(chǎng)地設(shè)計(jì)，框架抗震等級(jí)為四級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)［3］，本工程應(yīng)在主樓范圍設(shè)置兩道伸縮縫。受建筑平面布局的限制，分縫后剪力墻的布置非常困難，并對(duì)建筑的功能要求產(chǎn)生很大影響，故不設(shè)縫。

圖1 閑林辦公樓平面布置圖(單位:mm)Fig．1 The floor plan of office building in Xianlin(Unit:mm)

3 溫度應(yīng)力對(duì)混凝土構(gòu)件的影響

對(duì)于超長(zhǎng)的高層框剪結(jié)構(gòu)主樓，上部屋蓋在溫度變化的影響下會(huì)發(fā)生變形，由于受到墻柱的約束，樓板不能自由地膨脹或收縮，會(huì)在樓板中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致樓板開(kāi)裂。墻、柱抗側(cè)剛度越大，溫度應(yīng)力越大。按概念分析，隨著樓層的遞增，墻、柱的抗側(cè)剛度呈三次方的關(guān)系遞減［3］，相對(duì)作為不動(dòng)點(diǎn)的地下室而言，溫度應(yīng)力明顯應(yīng)逐層減小。所以本文采用MIDAS程序建立了有限元模型，按升溫25℃計(jì)算，對(duì)板、梁、墻柱的受力情形與無(wú)溫度應(yīng)力時(shí)進(jìn)行比較，結(jié)果如下。

3．1 板內(nèi)應(yīng)力的變化

很多文獻(xiàn)關(guān)于板內(nèi)拉應(yīng)力的取值已做過(guò)較為詳細(xì)的分析，如嵇蔚冰等［5］采用ANSYS程序分析得出板拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在二層，應(yīng)力一般為幾個(gè)兆帕，最大為十幾個(gè)兆帕，并隨樓層增高而逐漸降低;趙娟等［6］則提出了除底層應(yīng)力較大外，由于頂部屋面板上作用的溫差值較內(nèi)部構(gòu)件大，內(nèi)外之間的變形制約作用引起了該處的附加溫度應(yīng)力，由此造成頂部樓板的溫度應(yīng)力也較為突出，此外，在建筑中平面布置發(fā)生突變的部位，如尖端、洞口等位置，以及樓板與剪力墻、簡(jiǎn)體交接處都出現(xiàn)了應(yīng)力突增現(xiàn)象;江建英等［7］分析得出在降溫工況下，低層次樓蓋受拉效應(yīng)顯著，溫度應(yīng)力由下向上遞減，且由于結(jié)構(gòu)兩端的剪力墻產(chǎn)生向內(nèi)的變形和相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，較高樓層的樓蓋產(chǎn)生了一定程度的壓應(yīng)力。

由于板內(nèi)應(yīng)力的變化對(duì)板內(nèi)配筋的影響并不大，所以本文并不作為重點(diǎn)來(lái)研究。

3．2 梁內(nèi)應(yīng)力的變化

由于本工程的地上一層具有較大洞口，所以以平面圖中建筑物長(zhǎng)度方向上三個(gè)不同位置的梁為例，L1位于最左側(cè)，L2位于中間跨，L3位于最右側(cè)，受力均為連續(xù)框架梁，截面為400 mm×800 mm，其中L1的右側(cè)、L3的左側(cè)與剪力墻相連，從1層到14層由溫度升高25℃引起的彎矩值的變化詳見(jiàn)圖2—圖7。

圖2 L1左端彎矩隨樓層變化圖Fig．2 Bending moment in the left side of L1 at each floor

圖3 L1右端彎矩隨樓層變化圖Fig．3 Bending moment in the right side of L1 at each floor

圖4 L2左端彎矩隨樓層變化圖Fig．4 Bending moment in the left sideof L2 at each floor

圖5 L2右端彎矩隨樓層變化圖Fig．5 Bending moment in the right side of L2 at each floor

由圖2－圖7可知，隨著樓層的增加，同一位置的彎矩逐漸減小，而同一樓層內(nèi)平面兩端由溫度變化引起的彎矩比樓層中間處要大得多，這是由于端部存在的剪力墻側(cè)向剛度很大，因而受的約束也大，房屋越長(zhǎng)，約束越大，變形約束率越大，所以由溫度引起的應(yīng)力就越大。此外，同一樓層，與剪力墻肢連接的位置彎矩比與柱子連接的兩端彎矩要小一些，這也是因?yàn)榧袅Φ膭偠认拗屏藴囟葢?yīng)力的發(fā)展。

圖6 L3左端彎矩隨樓層變化圖Fig．6 Bending moment in the left side of L3 at each floor

圖7 L3右端彎矩隨樓層變化圖Fig．7 Bending moment in the right side of L3 at each floor

表1、表2列出了第3層及第10層有無(wú)溫度應(yīng)力影響的彎矩包絡(luò)圖，可以看出樓層平面兩側(cè)的彎矩變化很大，幅度平均為1．5～2．5，并隨樓層增高而逐漸減小;而樓層中間處彎矩變化較小，僅提高10%左右;同一根梁在跨中位置彎矩也小于梁端負(fù)彎矩的變化。

3．3 墻柱內(nèi)應(yīng)力的變化

柱子是框架結(jié)構(gòu)中主要的豎向承力構(gòu)件，由于建筑豎向不受約束，柱子可以自由熱脹冷縮，因此在溫度作用下10層以下柱子軸力相對(duì)變化較小(圖7)，超過(guò)10層后柱子軸力逐漸減小。由圖8可知，柱子的溫度內(nèi)力主要體現(xiàn)在底部四層的邊柱端彎矩，5層以上，溫度產(chǎn)生的彎矩急劇減小。

4 防裂措施

溫度變形的影響是在建筑物使用中長(zhǎng)期存在的，如上文提到的，在樓板中存在不可忽視的溫度應(yīng)力，雖然微膨脹劑能產(chǎn)生0．2～0．7 MPa的預(yù)壓應(yīng)力，但遠(yuǎn)不能解決板中大面積的拉應(yīng)力，同時(shí)梁配筋在溫度應(yīng)力的影響下要增大150%以上，從經(jīng)濟(jì)角度也很難滿足業(yè)主的要求。而溫度應(yīng)力對(duì)柱子的影響主要體現(xiàn)在底部若干層，所以需要加大底部區(qū)域的柱子配筋。隨著施工新技術(shù)的發(fā)展，在應(yīng)力集中的位置，可通過(guò)設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶［8］(圖8)來(lái)提高超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的抗裂能力:帶寬2 m，帶兩側(cè)設(shè)置密孔鋼絲網(wǎng)以防止混凝土流入加強(qiáng)帶;施工時(shí)，帶外兩側(cè)用摻10% ～12%UEA的小膨脹混凝土澆筑到加強(qiáng)帶，在加強(qiáng)帶位置采用強(qiáng)度等級(jí)比兩側(cè)高5 MPa的摻14% ～15%UEA的小膨脹混凝土進(jìn)行澆筑［1］。

表1 第三層不同位置梁的彎矩包絡(luò)值Table 1 Bending envelope values of different beams in the third layer

表2 第十層不同位置梁的彎矩包絡(luò)值Table 2 Bending envelope values of different beams in the tenth layer

圖8 膨脹加強(qiáng)帶Fig．8 Expansive strengthening band

有些工程也采取板內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力的方法，并提高板內(nèi)非預(yù)應(yīng)力筋的配筋率，以減小裂縫寬度。此外，還可以采取相應(yīng)的保溫隔熱措施來(lái)減小溫度應(yīng)力，如外墻采用保溫砂漿粉刷、屋面設(shè)置厚達(dá)5 cm的擠塑保溫板等。

5 結(jié)語(yǔ)

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的裂縫控制設(shè)計(jì)，留縫與不留縫，“抗”與“放”是兩種不同的解決方法，它們并非是完全對(duì)立，有時(shí)也是相輔相成的，不同條件下各有其優(yōu)缺點(diǎn)。由于使用功能和建筑立面的要求以及抗震設(shè)防區(qū)抗側(cè)力構(gòu)件的布置要求，大型的鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)有時(shí)很難留縫，必須采取“抗”的方案。本工程根據(jù)計(jì)算結(jié)果，自下而上設(shè)置兩道加強(qiáng)帶，可以有效釋放掉相當(dāng)一部分混凝土的收縮應(yīng)力;同時(shí)增加水平構(gòu)件的受拉鋼筋以及底部柱子的豎向鋼筋，平均提高達(dá)20% ～30%。截至本文完成，該建筑物僅處于幕墻施工階段，上部活荷載尚未到位，目前防裂措施效果很好，未見(jiàn)明顯裂縫及變形。后續(xù)的研究工作將對(duì)圖1中三根梁、建筑物長(zhǎng)度方向的變形做長(zhǎng)期觀測(cè)，并以一年為周期，按月份溫度變化情況，記錄變形數(shù)值，該部分成果將另成文發(fā)表。

總之，裂縫控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要從材料、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等幾個(gè)方面預(yù)以綜合考慮方可解決。

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