超長(zhǎng)混凝土空心板結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)分析及設(shè)計(jì)實(shí)踐

肖勇+毛建國(guó)+李斌+李時(shí)海+張喜濱

【摘 要】本文分析了超長(zhǎng)混凝土空心板結(jié)構(gòu)混凝土收縮、徐變及溫差效應(yīng)，以滬昆高鐵安順西站站前廣場(chǎng)為實(shí)例，提出了用預(yù)應(yīng)力技術(shù)控制裂縫。給出了超長(zhǎng)混凝土空心板結(jié)構(gòu)收縮、徐變及溫差效應(yīng)及預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)類似工程間接效應(yīng)應(yīng)力計(jì)算及裂縫控制設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)；收縮；徐變；溫差效應(yīng)；裂縫；緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力

【Abstract】This paper analysed the shrinkage of concrete ，the creep of concrete and the temperature difference effect of the super-long concrete hollow slab structure with the station square of shanghai-kunming high-speed Anshun station as an example， the prestressed technology of control of cracks was provided. Therefore， This paper put forward a calculation method of the shrinkage of concrete， the creep of concrete and the temperature difference effect of the super-long concrete hollow slab structure， which has some reference value of similar projects and crack control design.

【Key words】Super-long concrete hollow slab；Temperature stress；Shrinkage；Creep；Retard-bonded prestressing steel strand

1. 引言

（1）由于建筑使用功能的要求，許多超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)不設(shè)或少設(shè)伸縮縫。伸縮縫的間距也超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010（以下簡(jiǎn)稱“混凝土規(guī)范”）的限定值。這類結(jié)構(gòu)如不采取有效的裂縫控制措施，將會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件開裂，嚴(yán)重影響建筑正常使用功能。因此，裂縫控制設(shè)計(jì)，是超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方面。

（2）在正常使用條件下，混凝土裂縫主要是由混凝土自身收縮、徐變和環(huán)境溫度變化引起的收縮兩部分導(dǎo)致的。在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，最有效的方法是在混凝土構(gòu)件上施工加預(yù)應(yīng)力來抵消幾部分產(chǎn)生的拉應(yīng)力，確保構(gòu)件不出現(xiàn)有害裂縫。

（3）《混凝土規(guī)范》第5.7.1、5.7.2條條文說明指出：“大體積混凝土結(jié)構(gòu)、超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)等約束積累較大的超靜定結(jié)構(gòu)，在間接作用下的裂縫問題比較突出，宜對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行間接作用效應(yīng)分析。間接作用效應(yīng)分析可采用彈塑性分析方法，也可采用簡(jiǎn)化的彈性分析方法”?！痘炷烈?guī)范》8.1.3條指出：“當(dāng)伸縮縫間距增大較多時(shí)，尚應(yīng)考慮溫度變化和混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響”?！痘炷烈?guī)范》只給出了對(duì)溫度變化和混凝土收縮間接作用效應(yīng)的有限元分析基本原則，但未給出定量的計(jì)算方法。因此，可參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D62-2004、《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ369-2016進(jìn)行混凝土收縮、徐變及溫差效應(yīng)的定量計(jì)算。

2. 工程概況

安順西站是滬昆高鐵線上重要一站，安順西站站前廣場(chǎng)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)222.6米，寬209.5米，建筑層數(shù)1層，屬于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。該建筑結(jié)構(gòu)因荷載較大，結(jié)構(gòu)頂板采用現(xiàn)澆混凝土空心板結(jié)構(gòu)，板厚500mm，每隔50m～60m設(shè)置后澆帶。考慮到結(jié)構(gòu)頂板處于露天環(huán)境，同時(shí)后澆帶的設(shè)置只對(duì)混凝土前期收縮徐變較有利，對(duì)后期混凝土收縮徐變，尤其是對(duì)溫度效應(yīng)的抵抗貢獻(xiàn)不大，故對(duì)該超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，采取必要的收縮應(yīng)力控制措施是本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容（安順西站站前廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置圖見圖1）。

3. 溫度應(yīng)力計(jì)算

3.1 溫差效應(yīng)分析。

從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)查詢得貴州安順1984-2014年30年間月平均最高氣溫為34.9℃，月平均最低氣溫為2.5℃。年均濕度為74%。按正常施工工藝及條件估計(jì)，后澆帶閉合期間日平均溫度為26℃。在升溫時(shí)期混凝土自身膨脹，對(duì)構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生影響，但不會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫，因此在分析時(shí)僅考慮降溫條件下的溫差。本設(shè)計(jì)只考慮正常使用期間的溫降效應(yīng)。考慮溫降效應(yīng)的溫差ΔT=T（0，max）-Tmin=26-2.5=23.5℃?！綣GJT279-2012】

3.2 混凝土收縮分析。

混凝土收縮采用收縮當(dāng)量溫差ΔT'來表示?；炷敛捎肅40。板厚500mm，板跨8.4m，空心模殼尺寸為600mm×600mm×300mm，一個(gè)板跨內(nèi)有9個(gè)模殼，則一個(gè)板跨板截面面積為A=（500×8400-600×300×9）mm2 ；構(gòu)件與大氣接觸的周邊長(zhǎng)度 μ=8400×2mm。2A/ μ=307mm。收縮開始時(shí)的混凝土齡期假定為3d。60d后澆帶合攏。

參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D62-2004。

3.3 混凝土徐變分析。

混凝土的徐變對(duì)溫度收縮應(yīng)力起到應(yīng)力松馳效應(yīng)，在很大程度上降低彈性溫度應(yīng)力。由于結(jié)構(gòu)遭受的年溫差及溫度收縮都是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)段中進(jìn)行，須考慮徐變引起的應(yīng)力松馳對(duì)收縮應(yīng)力的影響。

4. 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

4.1 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力優(yōu)勢(shì)。

（1）緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力是繼有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力后的第三代預(yù)應(yīng)力新技術(shù)，它結(jié)合了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力力學(xué)性能良好、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了二者的缺點(diǎn)。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工工藝復(fù)雜，灌漿不易密實(shí)，經(jīng)常存在空洞、富水、孔道塌陷的問題，鋼絞線后期容易受到腐蝕，會(huì)造成斷面虧損、應(yīng)力降低，施工質(zhì)量難以保證。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間沒有粘結(jié)，應(yīng)力全部靠錨具承擔(dān)，如錨具失效，應(yīng)力全部喪失。同時(shí)，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力對(duì)于結(jié)構(gòu)后期改造不利，在筋長(zhǎng)范圍內(nèi)，一旦某處受到破壞，預(yù)應(yīng)力將全部喪失。緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力規(guī)避了以上有粘預(yù)應(yīng)力與無粘預(yù)應(yīng)力的缺點(diǎn)，以其明顯的優(yōu)勢(shì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

（2）本工程考慮采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力來控制結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)使用性能。

4.2 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。

（1）上文計(jì)算所得板收縮應(yīng)力為3.09MPa（板截面圖見圖2）。

（2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置在肋內(nèi)，選取800mm寬作為板單元配置預(yù)應(yīng)力。本工程采用21.8mm規(guī)格緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單根截面積為313mm，極限抗拉強(qiáng)度為1860MPa。張拉控制應(yīng)力按0.75 考慮，預(yù)應(yīng)力損失按0.2 考慮。則單根鋼絞線有效應(yīng)力為：

800mm寬板單元截面面積為： 。單個(gè)肋內(nèi)的配預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)為： 根，取2根。

即，每個(gè)200X600mm的肋內(nèi)配置2根21.8 mm規(guī)格的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線（肋中緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力配筋簡(jiǎn)圖見圖3，21.8mm規(guī)格緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面圖見圖4）。

（3）肋高是保證緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線后期粘結(jié)錨固性能的重要指標(biāo)，本工程所采用21.8mm規(guī)格緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線肋高不低于1.8mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，其與混凝土咬合粘結(jié)良好，肋槽清晰、明顯，高度大于1.8mm。緩凝粘合劑固化后，其與周圍混凝土將具有良好的錨結(jié)錨固性能（緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線與周圍混凝粘結(jié)錨固狀態(tài)圖見圖5）。

5. 結(jié)語

大體積、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)計(jì)算是超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的重要內(nèi)容。本文將收縮、徐變效應(yīng)等效為溫差來計(jì)算收縮應(yīng)力。通過定量計(jì)算得出本工程板溫差、收縮、徐變效應(yīng)所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。通過配置緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力來抵抗收縮應(yīng)力，控制裂縫。

參考文獻(xiàn)

[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] 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ369-2016.

[3] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 人民交通出版社，2004.

[4] 彭英，柯葉君，陳威文，等.超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)分析及工程實(shí)踐[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（ 10） ： 86-90.

[5] 華旦，吳杰.《超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)實(shí)踐》[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2012，42（ 7） ：56-59.

[6] 李佩勛.緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力綜合技術(shù)的研究和發(fā)展.工業(yè)建筑，2008，38（11）：1-5.

[7] 袁永軍，杜權(quán)，李俊安，張懷果. 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力在西安萬達(dá)廣場(chǎng)酒店的應(yīng)用[J]. 建筑科學(xué)，2011.

[8] 吳轉(zhuǎn)琴，曾昭波，尚仁杰，劉景亮.緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線摩擦系數(shù)試驗(yàn)研究.工業(yè)建筑.2008.38（422）：20-23.

[9] 范蘊(yùn)蘊(yùn)，吳轉(zhuǎn)琴，周建鋒. 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋用膠粘劑材料研究[J]. 工業(yè)建筑，2008，38（11）： 6-8.

[10] 倪浩，張大煦，李欣. 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 施工技術(shù)，2006，35（9）：71～73.