鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中溫度應(yīng)力的控制探討

摘要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土作為主要構(gòu)件，其本身施工質(zhì)量對(duì)建筑工程的施工質(zhì)量有著決定性的影響。尤其是當(dāng)前建筑形態(tài)本身變化愈發(fā)明顯的現(xiàn)在，建筑物本身在高度、形態(tài)、重量上不斷提升的情況下其工程結(jié)構(gòu)也愈發(fā)復(fù)雜，由此導(dǎo)致鋼筋混凝土施工質(zhì)量對(duì)建筑工程整體工程質(zhì)量的影響作用也不斷提升。然而當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中其經(jīng)常出現(xiàn)裂縫等質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和使用壽命均造成不利影響?；诖?，本文將從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的層面出發(fā)，針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中溫度應(yīng)力的控制措施進(jìn)行分析總結(jié)，以此有效控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中常見的裂縫質(zhì)量問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);溫度應(yīng)力;裂縫;控制措施

裂縫是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)建造以及使用過(guò)程中最為常見的一種質(zhì)量問(wèn)題，其原因在于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建造和使用過(guò)程中受到內(nèi)外等多重因素的聯(lián)合作用并由此導(dǎo)致其物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力、實(shí)用耐久、防水性能等均造成相應(yīng)的傷害。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際建造和使用效果來(lái)看，無(wú)論何種類型、形態(tài)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其均不可避免的存在不同程度的裂縫問(wèn)題，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用效果造成嚴(yán)重影響。本文將從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的層面出發(fā)，針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中溫度應(yīng)力的控制措施進(jìn)行分析總結(jié)，以此有效控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中常見的裂縫質(zhì)量問(wèn)題。

一、溫度應(yīng)力的相關(guān)理論內(nèi)容

溫度應(yīng)力指的是物體在溫度上升或者下降的過(guò)程中無(wú)法自由伸縮并由此導(dǎo)致物體內(nèi)部各個(gè)位置溫度差異而產(chǎn)生的應(yīng)力。

1.1溫度荷載

結(jié)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用情況來(lái)看，引發(fā)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中溫度應(yīng)力的因素包括季節(jié)變化溫差、內(nèi)外溫差、驟然溫差、日照溫差四種類型。在上四種因素中，由于季節(jié)變化而引發(fā)的溫差是持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的且影響范圍最大的，同時(shí)其對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響具有一定的均勻性特點(diǎn)，常使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的整體性位移變化。也正因此，由于季節(jié)變化引發(fā)的溫差以及由該類溫差所引發(fā)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題是最突出的質(zhì)量問(wèn)題。

1.2約束應(yīng)力

約束應(yīng)力涵蓋內(nèi)約束力、外約束力兩種類型。其中外約束力又涵蓋了無(wú)約束、彈性約束、全約束等不同類型。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于溫差作用而出現(xiàn)變形、裂縫等一系列質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，其內(nèi)部組成內(nèi)容中的不同構(gòu)件、構(gòu)件內(nèi)部的不同質(zhì)點(diǎn)均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的約束應(yīng)力。其中不同構(gòu)件所產(chǎn)生的約束力為外約束力、不同質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的約束應(yīng)力為內(nèi)約束力。

二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度變形情況

2.1 季節(jié)溫差與溫度荷載的系數(shù)取值

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身就具有一定的抗壓能力但同時(shí)也表現(xiàn)出了較差的抗拉能力。因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在由冬至夏的跨季節(jié)施工過(guò)程中，其不可避免的會(huì)發(fā)生膨脹、變形、裂縫等質(zhì)量問(wèn)題。同理，如果鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在由夏至冬的跨季節(jié)施工過(guò)程中，其不可避免的會(huì)發(fā)生收縮、變形、裂縫等質(zhì)量問(wèn)題。也正因此，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的季節(jié)溫差進(jìn)行取值，可以結(jié)合當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中其夏天溫度的最高值、冬天溫度的最低值作為相應(yīng)的系數(shù)。

此外，由于溫度應(yīng)力并不是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等質(zhì)量問(wèn)題的唯一因素。因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在計(jì)算其溫度荷載的過(guò)程中，也要充分考慮到溫度荷載對(duì)于引發(fā)其裂縫質(zhì)量問(wèn)題時(shí)所占的組合比例，也即溫度荷載組合系數(shù)、剛度折減系數(shù)、松弛系數(shù)等不同影響系數(shù)，以此全面考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫質(zhì)量問(wèn)題。正常來(lái)講，剔除掉部分特殊情況以后，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在溫度荷載的系數(shù)取值上均設(shè)置為0.7、分項(xiàng)系數(shù)取值為1.2、準(zhǔn)永久系數(shù)取值為0、梁柱抗彎剛度則乘以折減系數(shù)0.85、松弛系數(shù)取值為0.3。

2.2 溫度變形與溫度應(yīng)力的計(jì)算模型

相關(guān)人員在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與溫度變形進(jìn)行計(jì)算時(shí)可使用SAP模型。SAP模型本身屬于通用有限元計(jì)算軟件，其能夠根據(jù)當(dāng)前材料的屬性與溫度的變化情況來(lái)有效計(jì)算當(dāng)前構(gòu)件的溫度應(yīng)力。

2.3 建筑物相關(guān)內(nèi)容對(duì)溫度效應(yīng)影響

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，其施工內(nèi)容中建筑物的具體長(zhǎng)度、樓板的具體厚度、柱截面的具體剛度等也會(huì)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力產(chǎn)生相應(yīng)的影響。以建筑物的長(zhǎng)度為例，當(dāng)建筑物長(zhǎng)度超過(guò)54m時(shí)其模板的變形量是最高的，由此所引發(fā)的溫度應(yīng)力也會(huì)處于快速增加的狀態(tài)，最終引發(fā)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形裂縫;以樓板的厚度為例，在樓板厚度不斷增加的情況下，樓板本身的厚度將會(huì)導(dǎo)致板底溫度應(yīng)力的增加，且且隨著樓板厚度增加的同時(shí)樓板的剛度也會(huì)有所增加，進(jìn)而導(dǎo)致柱子所承受的變形壓力與內(nèi)約束力處于不斷增加的狀態(tài)中。

三、控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度變形的具體措施

3.1 伸縮縫的設(shè)置

設(shè)計(jì)人員與施工人員在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中可以沿著當(dāng)前建筑物的長(zhǎng)度方向選擇恰當(dāng)?shù)牟课?，每隔一定的距離豎向設(shè)置相應(yīng)的構(gòu)造縫，以此作為伸縮縫來(lái)有效降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中的溫度應(yīng)力，并由此降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建造使用過(guò)程中產(chǎn)生的溫度變形情況。其中可見伸縮縫能夠?qū)⒔ㄖ锏臉前?、屋頂、墻體等不同結(jié)構(gòu)內(nèi)容分成兩項(xiàng)獨(dú)立性的結(jié)構(gòu)，在隔開其中構(gòu)件的情況下使得構(gòu)件不會(huì)受到外來(lái)構(gòu)建的約束力而產(chǎn)生變形等問(wèn)題。同時(shí)施工人員在伸縮縫的施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)依照當(dāng)前建筑工程的實(shí)際情況并結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)伸縮縫的間距進(jìn)行有效控制，伸縮縫的寬度則設(shè)置為2～3cm并在縫內(nèi)填充保溫材料。一般來(lái)講，當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度超過(guò)一定限度的情況下就必須要設(shè)置伸縮縫，例如建筑物長(zhǎng)度在超過(guò)70m時(shí)其溫度應(yīng)力的增加情況會(huì)變得更加嚴(yán)重，此時(shí)必須要設(shè)置伸縮縫以抵抗應(yīng)力、衰減應(yīng)力，緩解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度變形情況。但需要注意的是，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中設(shè)置伸縮縫也存在一定的弊端，例如其整體構(gòu)造較為復(fù)雜而導(dǎo)致施工難度上升，同時(shí)屋頂結(jié)構(gòu)上設(shè)置伸縮縫將會(huì)對(duì)屋頂防水功能的施工及功能發(fā)揮造成一定的不利影響，很容易由此引發(fā)屋頂漏水問(wèn)題。此外，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中設(shè)置伸縮縫還面臨著美觀度下降、材料資源成本上升、工程造價(jià)上升等諸多問(wèn)題。但伸縮縫的設(shè)置能夠?qū)摻罨炷两Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有效分隔，使得構(gòu)件能夠自由伸縮而形成獨(dú)立的溫度區(qū)段，對(duì)降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力變形具有積極作用。因此相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)慎重思考并靈活選擇是否設(shè)置伸縮縫。

3.2 后澆帶的設(shè)置

設(shè)計(jì)人員和施工人員在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，也可以通過(guò)設(shè)置后澆帶來(lái)有效降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力變形問(wèn)題。后澆帶指的是使用臨時(shí)的施工縫將相應(yīng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分成不同的區(qū)域內(nèi)容，在確定當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件已經(jīng)自由完成內(nèi)部收縮后再通過(guò)相應(yīng)的施工抹平臨時(shí)的施工縫，以此將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成整體結(jié)構(gòu)且不影響結(jié)構(gòu)的美觀性?？傮w來(lái)說(shuō)，施工人員通過(guò)設(shè)置后澆帶能有效解決當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中由于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度等諸多因素引發(fā)的沉降問(wèn)題，對(duì)降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度收縮、釋放混凝土收縮應(yīng)力、降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)收縮變形等均有積極作用。后澆帶的使用由其適用于建筑物結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況，但后澆帶的使用必須要注意不能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)不造成影響。在一定條件下，施工人員甚至可以使用后澆帶來(lái)代替伸縮縫。在具體的后澆帶施工過(guò)程中，施工人員同樣應(yīng)當(dāng)依照當(dāng)前建筑工程的實(shí)際情況并結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程來(lái)完成后澆帶施工。

3.3 建筑頂部伸縮縫的設(shè)計(jì)與屋頂設(shè)計(jì)

建筑物頂端結(jié)構(gòu)作為直接承受日光照射和自然環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)，其所承受的溫度應(yīng)力也是較高的。也正因此，建筑物頂部結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)混凝土收縮和溫度變形等一系列質(zhì)量問(wèn)題。由于建筑物頂部軸力相對(duì)較低，因此其框架柱截面尺寸較小，施工人員可以在1個(gè)底柱的施工過(guò)程中豎起2個(gè)柱，在2個(gè)柱間設(shè)置伸縮縫，以此有效分隔建筑物屋頂結(jié)構(gòu)，在降低建筑物頂端長(zhǎng)度的情況下也能有效釋放頂端溫度應(yīng)力，充分緩解建筑物頂端的溫度變形問(wèn)題。

3.4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

施工人員在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，可以使用預(yù)應(yīng)力混凝土來(lái)有效緩解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土由于溫度差異而產(chǎn)生的收縮變形現(xiàn)象，充分達(dá)到擴(kuò)大溫度伸縮縫間距但不需要設(shè)置伸縮縫的施工目的。以無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土為例，其對(duì)于溫度應(yīng)力的削減作用經(jīng)過(guò)建筑行業(yè)的廣泛證明并推廣使用，能有效改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布，對(duì)緩解混凝土變形、裂縫等一系列質(zhì)量問(wèn)題均有積極作用。需要注意的是，預(yù)應(yīng)力混凝土在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，其對(duì)變形的控制緩解效果與布筋形式并無(wú)較大影響，反而與無(wú)粘結(jié)筋的布置總量息息相關(guān)，因此施工人員在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中應(yīng)控制好配筋量，以此有效緩解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前我國(guó)建筑物長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)、高度越來(lái)越高且整體形式結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜的情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中的裂縫問(wèn)題也得到越來(lái)越多的重視。本文從溫度應(yīng)力的角度出發(fā)，以溫度應(yīng)力理論為基礎(chǔ)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、變形、收縮、膨脹等原因進(jìn)行了分析闡述，而伸縮縫、后澆帶、建筑物屋頂設(shè)計(jì)、預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用等措施能有效緩解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，對(duì)緩解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形裂縫等質(zhì)量問(wèn)題具有積極作用。

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作者簡(jiǎn)介：王興斌（1986-），男，甘肅蘭州人，工程師，本科學(xué)歷，畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)，土木工程專業(yè)，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，目前還從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。