剪力墻結(jié)構(gòu)超長溫度應(yīng)力分析

孫強

摘要：結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于超過混凝土結(jié)構(gòu)最大適用長度時，一般采取設(shè)置抗震縫的方式將結(jié)構(gòu)劃分為幾個結(jié)構(gòu)單元，但對使用功能造成較大影響。本文通過溫度作用間接效應(yīng)分析，計算超長結(jié)構(gòu)在溫度影響下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，并根據(jù)溫度應(yīng)力計算配筋，與結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)組合，解決由于超長混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響，供結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考。

Abstract： In structure design， when the maximum applicable length of the concrete structure is exceeded， the structure is usually divided into several structural units by setting the anti-seismic joints， but the function is greatly affected. In this paper， through analysis of the indirect effect of temperature， the temperature stress produced by the super long structure under the influence of temperature is calculated， and the reinforcement is calculated according to the temperature stress. By combining with the structural load effect， the influence of temperature stress on the long concrete shear wall structure is solved， which provides reference for structure design personnel.

關(guān)鍵詞：超長混凝土結(jié)構(gòu)；溫度應(yīng)力；剪力墻

Key words： super-long concrete structure；temperature stress；shear wall

中圖分類號：TU398+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0152-03

0 引言

隨著結(jié)構(gòu)分析方法的日益完善，建造水平的逐步調(diào)高，超長結(jié)構(gòu)在現(xiàn)如今的工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如何采取合理的構(gòu)造措施及計算分析方法，確保超長結(jié)構(gòu)的安全，成為現(xiàn)如今結(jié)構(gòu)設(shè)計的一大熱點，縱觀目前超長結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，各地存在較大差異，自2009年開始，遼寧省建筑設(shè)計研究院積極探索考慮混凝土收縮及溫度作用對超長混凝土結(jié)構(gòu)的影響，形成了可供工程實際應(yīng)用的計算方法，并將其應(yīng)用在實際工程中，已建成多個成功案例，應(yīng)用效果良好，未出現(xiàn)由于裂縫所導(dǎo)致的工程問題。

1 超長混凝土結(jié)構(gòu)

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]（GB50010-2010）8.1.1條，現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為45m。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）第8.1.3條規(guī)定，當(dāng)有充分依據(jù)并采取可靠措施時，混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距可適當(dāng)增大，增大幅度不超過20%：

①采用減小混凝土收縮或溫度變化的措施；低收縮混凝土材料，施工階段加強養(yǎng)護(hù)；②采用專門的預(yù)加應(yīng)力或增配構(gòu)造鋼筋的措施；③采用低收縮混凝土材料，采取跳倉澆筑、后澆帶、控制縫等施工方法，并加強施工養(yǎng)護(hù)。

沈陽市地方標(biāo)準(zhǔn)《超長混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)規(guī)范》[3] （DB2101/TJ013-2013）第5.1.2條規(guī)定，不設(shè)永久變形縫的地上混凝土結(jié)構(gòu)最大長度應(yīng)符合表1的規(guī)定。

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綜合上述三種情況，對于超長混凝土結(jié)構(gòu)，可得到如下定義，超出規(guī)范或規(guī)程規(guī)定的最大適用長度的，為超長混凝土結(jié)構(gòu)，在最大長度允許范圍之內(nèi)，可按規(guī)范的要求采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，解決結(jié)構(gòu)超長帶來的不利影響。超過規(guī)范所允許的最大適用長度的超長混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮溫差效應(yīng)、混凝土的收縮和徐變等因素，進(jìn)行結(jié)構(gòu)間接作用效應(yīng)分析。

2 工程概況

本工程為位于遼寧省營口市鲅魚圈區(qū)，為昌宇星河灣21#住宅，地下2層，地上22層，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用長螺旋鉆孔壓灌樁筏型基礎(chǔ)，建筑高度為建筑長寬為63.5m×21.1m超長，根據(jù)規(guī)范要求需進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，并采取相應(yīng)的防裂措施。標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1所示。

3 結(jié)構(gòu)分析模型

計算軟件：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Gen（2014）中文版。

計算假定：結(jié)構(gòu)地下層數(shù)為2層，結(jié)構(gòu)地上層數(shù)為22層，采用線彈性分析。梁、柱采用梁單元，墻、板采用板單元。單元邊長為1.0m，樓板均為彈性板，模型底部設(shè)為彈簧支座模擬地基土剛度。根據(jù)地質(zhì)報告地下車庫基礎(chǔ)持力層為粉質(zhì)黏土，地基承載力為170kPa，輸入基礎(chǔ)剛度，考慮地基對基礎(chǔ)底板的彈性支承作用，地基豎向基床系數(shù)取為30000kN/m3，地基水平基床系數(shù)取為21000kN/m3，樁的水平剛度為10000kN/m，則傳至底板上的水平剛度為2500kN/m3樁底土為粉質(zhì)粘土，可塑～硬塑，基床反力系數(shù)取值為30000KN/m3，水平剛度為21000kN/m3，加上樁的水平剛度，則基礎(chǔ)對底板的水平剛度取值為25000kN/m3。計算模型如圖2所示。

4 氣候條件

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）月平均氣溫最低值為-20℃，月平均氣溫最高值為+33℃。

5 溫差取值及溫度工況

5.1 施工階段預(yù)測分析 根據(jù)建設(shè)單位工期計劃及工程實際，2016年7月開始基礎(chǔ)及地下室底板施工，2016年9月完成地下室側(cè)墻及地下室頂板施工，2016年10月末完成±0.00板，2017年4月開始地上部分施工，預(yù)計每8天一層，2017年8月完成地上主體施工，2017年5月封閉地下室溫度后澆帶，2017年10月逐層封閉主樓溫度后澆帶封閉時，環(huán)境溫度為10℃，封閉全部施工后澆帶，后進(jìn)行外墻封閉、安裝門窗，2018年5月工程竣工。

5.2 溫度作用工況分析 溫度工況（一）：施工階段最不利工況，完全按照施工階段預(yù)測分析的要求，組織施工安排，此工況溫度工況分析如下，2017年5月，地下室溫度后澆帶封閉時，環(huán)境溫度為10℃，入冬前地下室回填完畢，冬季不采暖，地下室底板、側(cè)墻部分最低氣溫取-5℃。地下室頂板及地上部分最低氣溫取-20℃，故降溫溫差取值如下：地下室底板、側(cè)墻：-15℃；地下室頂板、地上部分：-30℃。最高月平均氣溫為33℃，升溫溫差最大為+23℃。

溫度工況（二）正常使用階段，由于采取了保溫隔熱措施且冬季采暖，故此時室內(nèi)溫度不低于5℃，故此種工況，最大降溫溫差為-5℃，最大升溫溫差為+23℃。此時混凝土收縮不計算在內(nèi)。

5.3 混凝土收縮當(dāng)量溫差 在計算混凝土收縮量時，先確定某種標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的最大收縮，任何其它狀態(tài)下的最大收縮應(yīng)用各種不同系數(shù)加以修正。計算公式如下：

ε（∞）=ε0（∞）·M1·M2·M3·…Mn

式中：ε（∞）為某狀態(tài)混凝土的最大（最終）收縮應(yīng)變；

ε0（∞）為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)混凝土的最大（最終）收縮應(yīng)變，對于任何標(biāo)號的混凝土均為一固定值：ε0（∞）=3.24×10-4；

Mi為各種修正系數(shù)。結(jié)合本工程，各修正系數(shù)的乘積M1·M2·M3·…Mn<1.0，取為1.0

而任意時間的混凝土收縮量可按下面公式計算。

ε（t）=ε（∞）·（1-e-0.01t）

式中：ε（t）為任意時間的收縮應(yīng)變；t為時間，以天為單位。

后澆帶封閉時，地下室及側(cè)墻已完成9個月，地下室頂板8個月，地上一層～三層6個月，地上四層～地上八層5個月，地上八～屋面不小于2個月。

當(dāng)采用限制膨脹率為2.5×10-4、限制干縮率為1.0×10-4的補償收縮混凝土澆筑樓板，取膨脹率為1×10-4，保守取值0.5×10-4。即使用補償收縮混凝土可抵消6個月的混凝土收縮當(dāng)量溫差。

5.4 溫差作用取值 綜上所述：荷載作用溫差匯集如表2。

混凝土徐變會造成徐變變形或應(yīng)力松弛，為簡化計算，采用應(yīng)力松弛系數(shù)的形式予以考慮，一般取為0.3～0.4，本工程取為0.3。由于降溫會引起構(gòu)件產(chǎn)生拉應(yīng)力，升溫產(chǎn)生壓應(yīng)力，故在溫度效應(yīng)組合時僅考慮降溫溫差帶來的不利影響；溫差應(yīng)力為壓應(yīng)力且大于4.0MPa時，框架梁、板按壓彎構(gòu)件核算承載力，溫差壓應(yīng)力不大于4.0MPa時，壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強度，無需進(jìn)行承載力驗算。

計算時為簡化計算，地下室底板及側(cè)墻按-17℃輸入溫度荷載，其他部分按-36℃輸入溫度荷載。

本工程根據(jù)最不利施工工況進(jìn)行應(yīng)力分析。在溫度作用下，溫度應(yīng)力呈線性分布，可以很簡便的推算出任意其他溫度下構(gòu)件的溫度應(yīng)力。計算時為簡化計算，地下室底板及側(cè)墻按降溫-17℃輸入溫度荷載，其他部分按降溫-36℃輸入溫度荷載。

6 溫度應(yīng)力分析結(jié)果

6.1 基礎(chǔ)底板應(yīng)力分析結(jié)果 由于主樓部分剪力墻較多且筏板較厚，主樓下筏板X方向底板中部的應(yīng)力分布在0.5～1.0MPa間，兩端應(yīng)力分布在0.2～0.6MPa間，主樓外與構(gòu)造底板連接處的底板應(yīng)力在1.0～1.5。Y方向底板中部的應(yīng)力應(yīng)力分布在0.4～0.8MPa間，兩端應(yīng)力分布在0.2～0.4MPa間。主樓外與構(gòu)造底板連接處的底板應(yīng)力在1.0～1.7。

故溫度應(yīng)力作用下：底板的應(yīng)力按1.0MPa配置溫度筋，筏板配筋率為0.28%，單面0.14%，小于筏板構(gòu)造配筋，取在荷載作用下的配筋作為筏板配筋。

構(gòu)造底板按1.7MPa配置溫度筋。防水板配筋率為0.48%，單面0.24%，300厚防水板配筋為Φ12@150，配筋率為0.25%。

6.2 各層樓板溫度應(yīng)力分析結(jié)果 樓板中應(yīng)力自地下室頂板～屋面應(yīng)力由大至小，其中地下室頂板應(yīng)力最大，X方向應(yīng)力自1.0～2.2MPa，Y方向自0.6～1.2MPa；一層樓板應(yīng)力自0.7～1.4MPa，Y方向自0.3～0.5MPa；地上二層X方向應(yīng)力自0.3～0.8MPa，Y方向自0.2～0.3MPa；地上三層以上溫度應(yīng)力均小于0.4MPa。

根據(jù)樓板溫度應(yīng)力結(jié)果，需將溫度鋼筋增設(shè)在板中，按增加的配筋率，此應(yīng)力與荷載作用組合后進(jìn)行樓板配筋。樓板應(yīng)力較?。ㄐ∮?.4MPa）的樓層，在無筋區(qū)域增設(shè)溫度0.1%的溫度鋼筋。

6.3 梁 根據(jù)梁溫度應(yīng)力結(jié)果，地下室頂板應(yīng)力較大，自地下室頂板～屋面應(yīng)力由大至小，其中地下室頂梁應(yīng)力最大，應(yīng)力范圍為1.5～2.0MPa；一層梁應(yīng)力為0.8～1.8MPa；地上二層梁應(yīng)力為0.2～1.0MPa；地上三層以上溫度應(yīng)力均小于0.4MPa。按照計算結(jié)果設(shè)置溫度筋。地上部分梁應(yīng)力逐層遞減，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果配置在梁腰筋中，小于0.4MPa不設(shè)置溫度筋。

6.4 剪力墻 根據(jù)墻溫度應(yīng)力結(jié)果，地下室墻體應(yīng)力較大，自地下室頂板～屋面應(yīng)力由大至小，地下室應(yīng)力范圍為1.4～1.7MPa；一層墻應(yīng)力為1.0～1.6MPa；地上二層墻應(yīng)力為0.4～1.0MPa；地上三層以上溫度應(yīng)力均小于0.4MPa。根據(jù)墻體溫度應(yīng)力結(jié)果，對墻體應(yīng)力較大的樓層，按照溫度筋和墻水平筋抗震計算值取較大值配置。

7 結(jié)論

通過上述分析，得出以下結(jié)論：①超長混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)實際工程進(jìn)展選取合適的溫度作用工況，以滿足施工階段及使用階段的受力要求?；炷两Y(jié)構(gòu)超長要求設(shè)計、施工及建設(shè)單位密切配合，確保將溫度作用的不利影響降至最低。②混凝土結(jié)構(gòu)超長不設(shè)縫一定程度上會增加工程造價，但通過選取合理的計算參數(shù)及作用工況，可在滿足結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上將工程造價降至最低。

筆者通過很多工程包括超長地下室、地上超長的混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計，而且大多數(shù)已通過專項審查論證并已投入使用，工程工作狀態(tài)良好，并未出現(xiàn)因溫度作用影響產(chǎn)生的裂縫。

參考文獻(xiàn)：

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[3]DB2101/T013-2013，超長混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)規(guī)范[S].沈陽：沈陽市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，2013.