超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計控溫效應(yīng)的措施研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司,山西 太原 030012)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性差,裂縫問題是其普遍性問題。裂縫的出現(xiàn),不但影響美觀,還嚴(yán)重影響壽命。目前,隨著我國建筑技術(shù)水平的提高,我國現(xiàn)已建成多座超長的混凝土結(jié)構(gòu)。

1 溫度應(yīng)力理論

1.1 溫度荷載的分類及特點(diǎn)

一般來看,引起混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的溫度變化有季節(jié)溫差、內(nèi)外溫差、驟然溫差、日照溫差四種,其影響因素分別為氣候變化、冷熱空氣、太陽輻射和空氣溫度。其中,與其它三種溫差相比,季節(jié)溫差的影響時間具有長期性,影響范圍具有整體性,影響程度具有均勻性,可使結(jié)構(gòu)整體位移發(fā)生大的變化。而且,季節(jié)溫差的溫差應(yīng)力具有不符合虎克定律,非線性分布,不斷瞬時變等特點(diǎn)。因此,季節(jié)溫差對超長結(jié)構(gòu)裂縫的影響最為突出,為本文研究重點(diǎn)。

1.2 約束應(yīng)力的產(chǎn)生

約束大致可分為內(nèi)約束和外約束兩類,其中,外約束可分為無約束、彈性約束和全約束。當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在受到溫差作用發(fā)生變形時,不同的構(gòu)件之間(外約束)、構(gòu)件內(nèi)部不同的質(zhì)點(diǎn)之間(內(nèi)約束)便會相互制約,產(chǎn)生約束應(yīng)力。

2 超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度變形和溫度應(yīng)力分析

2.1 季節(jié)溫差、溫度荷載組合各系數(shù)的取值

混凝土是一種抗壓能力較好而抗拉能力較差的材料。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)從冬季施工到夏季正式投入使用的過程中,整體上發(fā)生膨脹變形,總體受壓為主。反之,則整體上發(fā)生縮小變形,總體受拉為主。因此,一般而言,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)季節(jié)溫差一般可取結(jié)構(gòu)使用中夏天的最高氣溫與冬天的最低氣溫之差。

由于溫度對混凝土結(jié)構(gòu)影響的不唯一性,混凝土結(jié)構(gòu)在考慮溫度荷載時,通常還需要考慮溫度荷載組合系數(shù)、剛度折減系數(shù)和松弛系數(shù)等。其中,一般情況下,除有特殊要求(取值0.9),溫度荷載組合系數(shù)φT建議取值0.7,分項(xiàng)系數(shù)γT建議取值1.2,準(zhǔn)永久系數(shù)φ建議取值0；梁、拄的抗彎剛度應(yīng)乘以折減系數(shù)0.85；松弛系數(shù)取值為0.3[1]。

2.2 基本模型的溫度變形和溫度應(yīng)力的計算分析

目前,SAP在計算季節(jié)溫度作用下結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力方面被廣泛應(yīng)用。SAP是一款結(jié)構(gòu)分析通用有限元軟件,其是根據(jù)材料的屬性和溫度的變化計算構(gòu)件溫度應(yīng)力的。SAP溫度荷載是指溫變產(chǎn)生的熱應(yīng)變等于材料的熱膨脹系數(shù)(來源于分析屬性數(shù)據(jù),由材料本身性質(zhì)決定)和單元溫度變化(由參考溫度到荷載溫度的改變)的乘積[2]。

2.3 建筑物長度變化、樓板厚度變化以及柱截面剛度變化對結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的影響

建立長度變化的一些模型可以分析建筑物長度變化對結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著建筑物長度的增大,各結(jié)構(gòu)溫度變形和內(nèi)力將發(fā)生如下變化：①樓板變形和內(nèi)力。樓板位移量以及拉應(yīng)力最大值隨著建筑物長度的增大而線性增加。且不同長度模型中,各層樓板以底層樓板的收縮變形最?。唤ㄖ镩L度大于54m時,樓板變形最大,且溫度應(yīng)力增加最快；②梁溫度效應(yīng)分析。隨著建筑物長度的增加,梁的軸力和彎矩極值逐漸增加。且長度大于54m時,溫度效應(yīng)增加最快,大于72m后,對梁軸力和彎矩的影響逐漸減??；③柱溫度效應(yīng)分析。建筑物長度的增加對柱子軸力增加值影響很小,可以不作重點(diǎn)考慮。因此,一般而言,現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物長度超過55m時,宜設(shè)置伸縮縫。

建立樓板厚度變化的一些模型可以分析樓板厚度變化對結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著樓板厚度的增加,各結(jié)構(gòu)溫度變形和內(nèi)力將發(fā)生如下變化：①樓板溫度變形和內(nèi)力。增加板厚可以減少板底應(yīng)力,卻會增加板面應(yīng)力；②梁溫度效應(yīng)分析。隨著樓板厚度的增大,使板承擔(dān)了更多的溫度內(nèi)力,梁的軸力降低了,彎矩增大了；③柱溫度效應(yīng)分析。隨著樓板厚度的增大,板的剛度也增大,溫度收縮內(nèi)力增大,柱子的變形和內(nèi)力也都有所增加。

建立柱剛度變化的一些模型可以分析柱截面剛度變化對結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著柱截面的增加,各結(jié)構(gòu)溫度變形和內(nèi)力將發(fā)生如下變化：①樓板溫度變形和內(nèi)力。隨著柱截面的增大,樓板溫度變形不斷減小,而樓板拉應(yīng)力急劇增大；②梁溫度效應(yīng)分析。隨著柱截面的增大,梁的軸力和彎矩都有所增加；③柱溫度效應(yīng)分析。隨著柱截面的增大,柱的軸力和彎矩也都有所增加。因此,結(jié)構(gòu)的約束剛度,對溫度應(yīng)力的影響較大,應(yīng)控制邊柱截面的大小。

3 超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計采取控溫效應(yīng)的措施

3.1 設(shè)置伸縮縫或者后澆帶

一般情況下,混凝土結(jié)構(gòu)需采取能減小混凝土溫度變化或收縮的措施,設(shè)置伸縮縫便是最常用的措施。設(shè)置伸縮縫可以將結(jié)構(gòu)分成獨(dú)立的溫度區(qū)段,以使其自由伸縮。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》也對現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境中,設(shè)置伸縮縫的結(jié)構(gòu)長度現(xiàn)值與伸縮縫的間距等做了明確的規(guī)定,現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于露天環(huán)境和非露天環(huán)境下長度分別超過35m和55m時,宜設(shè)置伸縮縫；如有充分依據(jù)和可靠措施,伸縮縫間距可適當(dāng)增大。綜合考慮實(shí)際需要、各項(xiàng)成本和各建筑物特點(diǎn),框架結(jié)構(gòu)與屋頂設(shè)縫不宜設(shè)置伸縮縫。

現(xiàn)行規(guī)范的伸縮縫僅根據(jù)結(jié)構(gòu)長度控制,而結(jié)構(gòu)長度只是影響溫度收縮應(yīng)力的因素之一。根據(jù)資料和現(xiàn)場實(shí)際情況的調(diào)查,當(dāng)建筑物過長時,在條件合適的時候可用后澆帶方法來代替伸縮縫,以釋放早期混凝土收縮應(yīng)力,減小以收縮為主的變形。后澆帶一般為700～1000mm寬,宜用微膨脹、比原結(jié)構(gòu)提高一級強(qiáng)度的混凝土,在小跨梁中間或梁受力較小的部位每隔30～40m設(shè)置一道,在兩側(cè)混凝土齡期達(dá)到60天且溫度較低時封閉。值得注意的是后澆帶不等同于伸縮縫,不能解決溫度應(yīng)力。

3.2 采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)構(gòu)造配筋

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(如無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋)可抵消溫度應(yīng)力和收縮內(nèi)力,使混凝土延遲開裂。從功能上講,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋能夠減小溫度應(yīng)力的不利影響；從效果上來看,控制的效果主要取決于所布置無粘結(jié)筋的總量,在板上配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋比在主梁上配置好[3],在柱上板帶集中布筋的效果稍好。值得注意的是,采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的地方,應(yīng)提高該處普通鋼筋的配筋量。

溫度配筋對結(jié)構(gòu)抗裂影響很大,因此應(yīng)加強(qiáng)溫度構(gòu)造配筋以控制溫度裂縫的開展。如在縱向邊柱交接處樓板宜配上下兩層鋼筋；在基礎(chǔ)截面突然變化、轉(zhuǎn)折部位等,增加斜向構(gòu)造筋；對混凝土梁的腰部增配直徑為8～14mm的構(gòu)造鋼筋等,使其能更好地滿足變形和內(nèi)力的要求。

3.3 降低約束剛度

約束內(nèi)力與荷載內(nèi)力的重要區(qū)別是,在變形作用條件下,結(jié)構(gòu)的約束內(nèi)力還與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。一般情況下,底層樓蓋受到的約束作用大,溫度應(yīng)力也最大,而降低約束剛度是減小溫度應(yīng)力的有效措施。如可以在約束體與被約束體的接觸面上設(shè)置隔離層,在超長結(jié)構(gòu)采用較密柱網(wǎng)等降低約束剛度,減少溫度應(yīng)力。

3.4 其他

采用建筑物頂部局部伸縮縫方法也可以降低超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的發(fā)展。由于日照溫差的影響,屋面出現(xiàn)裂縫的可能性大。利用一個底柱上起兩個柱,將屋蓋分成兩部分,以減少頂層的長度,可以有效地防止頂層墻體及結(jié)構(gòu)的溫度裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

此外,加強(qiáng)建筑物屋面的保溫隔熱性能,在屋面板內(nèi)配置抗溫度收縮鋼筋,采取預(yù)留豎向插筋等方式加強(qiáng)磚砌女兒墻和混凝土構(gòu)件直接的連接,加強(qiáng)屋頂層結(jié)構(gòu)與頂層圍護(hù)墻體之接的連接等,也是降低超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)發(fā)展的有效措施。

4 結(jié)語

在建筑物形式越來越復(fù)雜、體形越來越大、長度越來越長的今天,采取一定的措施來減少或控制超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和溫度變形,增加其抗裂性、防水性、抗凍性等耐久性能,保證建筑物的使用壽命,對我國城鎮(zhèn)現(xiàn)代化發(fā)展具有十分重要的意義,值得進(jìn)一步思考與研究。

[1]華旦,吳杰,干鋼.超長混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析與設(shè)計實(shí)踐[J].建筑結(jié)構(gòu),2012(07)：56-59．

[2]羅華,吳金國.HEA用于超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工[J].江西建材,2004(02)：11,15．

[3]彭全敏.超長混凝土結(jié)構(gòu)收縮裂縫控制研究[D].天津大學(xué),2012．