寒冷地區(qū)超長地下室的結構設計要點

莫欽鈔 張成

【摘要】目前城市現(xiàn)代化的發(fā)展形勢和改善居民的生活狀況，不可避免地建造大量的超長建筑，但在寒冷地區(qū)缺乏實踐經(jīng)驗。故采用了PMSAP軟件對寒冷地區(qū)某220m超長結構進行了溫度應力分析，并采用等效溫度當量法模擬混凝土收縮徐變，通過設置溫度附加鋼筋來抵抗溫度作用及混凝土收縮徐變;并采取了多種有效的施工措施，最終基本解決了超長結構溫度應力過大而導致混凝土開裂問題，工程投入使用后效果良好。本文主要針對超長地下室設計中的不足與常見問題進行了分析，探討了其設計方法和解決措施。

【關鍵詞】溫度應力;超長結構;收縮徐變;溫度鋼筋

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

22.040

1、工程概況

位于西藏自治區(qū)某市河谷地帶的超長地下室停車場，地下一層，采用混凝土框架結構;整個平面造型形為半圓形，南北方向長約220m，東西方向寬約100m?？傆玫孛娣e20738.43平方米，總建筑面積為18674.55平方米，地面廣場面積18935.04平方米，車位地下560個，地上74個。根據(jù)項目所在地，按照現(xiàn)行國家標準《民用建筑熱工設計規(guī)范》GB50176-2016的規(guī)定，項目所在地的氣候區(qū)屬為2A，寒冷A區(qū)。

流域降水集中在5月-9月，季節(jié)分布不均，降水量在182.3～538.2mm之間，占全年降水量的77.9%～95.8%，10月至次年5月降水量為22.6～102.6mm，降水較少。蒸發(fā)量大，相對濕度校的年蒸發(fā)量在1325.3～2617.2毫米之間，蒸發(fā)量最少的時期一般在12月，為50～70毫米。每年的10月至次年的4月相對濕度小，不到50%。3、4月份西南季風自南向北開始影響三江流域時，相對濕度逐月增大，其相對濕度在60%以上。由于干、雨季分明的特點，冬季干冷，夏季溫潤。蒸發(fā)量遠大于降水量，綜合考慮后，項目所在地年平均相對濕度取為50%。

2、非荷載作用

2.1 溫度作用

施工階段在南北、東西方向間距70m左右設置溫度后澆帶;同時在后澆帶內(nèi)部設置一道膨脹加強帶。溫度后澆帶應在較晚一側混凝土澆筑兩個月后再澆筑（當帶外采用補償收縮混凝土時，后澆帶封閉時間不少于28d），沉降后澆帶應在兩側主體施工完成后且兩側建筑沉降差符合相關要求后再澆筑。為減小溫度應力，后澆帶封閉時間限定在春、秋兩季。根據(jù)《荷規(guī)》條文說明9.3.3條，混凝土結構的合攏溫度一般可取后澆帶封閉時的月平均氣溫。故封閉合攏溫度近似取為10℃。

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》9.2.1條的規(guī)定，由于混凝土的熱惰性，對于熱傳導速率較慢且體積較大的混凝土及砌體結構，結構溫度接近當?shù)卦缕骄鶜鉁兀芍苯硬捎冒础逗梢?guī)》附錄E.5規(guī)定的方法確定的50年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫Tmax和月平均最低氣溫Tmin作為基本氣溫。根據(jù)該市月平均最低氣溫Tmin為-15℃，月平均最高氣溫Tmax為27℃。溫度收縮作用使混凝土受拉，但混凝土抗拉強度低，變異性較抗壓強度大，因此，設計時只考慮溫度收縮引起的應力變化，即10℃-（-15℃）=25℃的溫差變化。

在正常使用階段，對于內(nèi)外溫差，考慮它們是短時變化，可以不考慮徐變的效應;而季節(jié)溫差是影響大面積現(xiàn)澆樓板結構的最主要因素，季節(jié)溫差對結構的作用時間長，且作用范圍是整個結構體系，結構中的構件的溫度都隨著季節(jié)溫差的變化而變化。所以溫度應力計算時，采用季節(jié)溫差和混凝土殘余收縮量對應的等效收縮降溫疊加產(chǎn)生的應力。

本工程依據(jù)《荷規(guī)》GB50009的規(guī)定，溫度作用按可變荷載考慮，其組合值系數(shù)取0.6，頻遇值系數(shù)取0.5，準永久值系數(shù)取0.4。

2.2 混凝土的長期收縮的影響

混凝土構件在硬化過程中產(chǎn)生收縮是一個長期的過程，其最終收縮量與其材料構成、構件尺寸、環(huán)境影響及施工養(yǎng)護等多方面因素有關?；炷潦湛s在其內(nèi)部產(chǎn)生拉應力，可把后澆帶封閉后的殘余收縮變形等效為結構的整體降溫，圖混凝土收縮比例隨時間變化曲線，可發(fā)現(xiàn)，推遲后澆帶的封帶時間，能有效減少混凝土的殘余收縮變形，對超長結構的溫度應力控制意義重大。本項目結合地域氣溫條件和工期綜合考慮后，按60天的時間計算殘余收縮量對應的等效收縮降溫。

本項目典型平面尺寸220m×100m;梁采用HRB500鋼筋，板采用HRB400鋼筋，C35混凝土，普通水泥（M1=1.0），水泥細度350m2/kg（M2=1.065），骨料為花崗巖（M3=1.0），水灰比0.45（M4=1.105），水泥漿含量PT=30%（M5=1.45），28d自然狀態(tài)硬化（M6=0.93），使用環(huán)境相對濕度50%（年平均值）（M7=1.0）， 構件水力半徑倒數(shù)r180）=0.111511（M8=0.787627），混凝土采用機械振搗密實（M9=1.0），梁板配筋率為0.3%（M10=0.918182）。

截面水力半徑倒數(shù)為：r180=（18+22000）*2/（18*22000）=0.111511

綜合系數(shù)M=M1*M2*……M10=1.147657

混凝土最終收縮量3.24M（×10-4）=3.718407

60d殘余收縮量對應的收縮（60d殘余收縮量對應的等效收縮降溫）

=3.718407*5.5=20.4℃。

2.3 混凝土的徐變

目前，程序按線彈性理論計算結果的溫度效應，對于鋼筋混凝土，考慮到徐變應力松弛特性的非線性因素，實際溫度應力將小于按彈性計算的結果，計算時徐變應力松弛系數(shù)取用0.3對計算結果進行折減。一般徐變引起彈性應力大幅度降低是有利的，隨時間變化的變形荷載局部位置可能引起異號應力（部分位置開始為壓應力后引起拉應力），因此，在有抗裂要求的受壓區(qū)也應配置適當?shù)臉嬙熹摻睢?/p>

溫度對結構的作用應考慮混凝土構件截面裂縫的影響，根據(jù)規(guī)范混凝土的彈性剛度折減系數(shù)采用0.85。

溫度對結構的影響與混凝土的收縮、徐變及其截面剛度的退化直接相關，故混凝土的徐變和剛度折減系數(shù)直接與計算溫度相對應。即模型中輸入的溫差值=計算溫差乘以0.3*0.85=0.255的折減系數(shù)。

2.4 設計溫差的確定

地下二層及其以下部位常年接近恒溫，可取溫差5℃，地下一層可取地下二層與地上一層結構的平均溫差計算。

后澆帶封帶時間為60天，封帶溫度T0不超過10℃，

一層及其以上季節(jié)溫差Tp= Tmin-T0=-15-10=-25℃

地下二層及其以下季節(jié)溫差Tp= -5℃

一層及其以上計算降溫為-25℃-20.4℃=-45.4℃

地下二層及其以下計算降溫為-5℃-5℃=-10℃

故地下負一層計算降溫為（-45.4℃-（-10℃））*0.5=27.7℃。

2.5 溫度應力的計算模型

在SATWE和PMSAP軟件中，都提供了計算溫度荷載的功能，計算的溫度應力結果也基本一致。計算彈性樓板模型（應取彈性膜或彈性樓板6），因為在剛性樓板假定下，梁的膨脹或收縮受到平面內(nèi)“剛性樓板”的約束，柱內(nèi)不會產(chǎn)生剪力和彎矩，相應地梁內(nèi)也不會產(chǎn)生彎矩和剪力，僅有軸力作用，計算結果偏不安全。如果是用彈性板6屬性，板的面外剛度也會真實的考慮，在整體的結構分析中，彈性板6假定的情況下，一部分豎向樓面荷載將通過樓板的面外剛度直接傳遞給豎向構件，從而導致梁的彎矩減小，相應的配筋也比剛性樓板假定減少。而過去所有關于梁的工程經(jīng)驗都是與剛性樓板假定的前提下配筋安全儲備相對應的，所以本項目采用彈性膜屬性進行計算。

對于溫度荷載均可輸入升溫和降溫兩個工況，在輸入的時候升溫填入正值，降溫填入負值。對于填入的溫差值，SATWE和PMSAP均會把溫差轉為節(jié)點荷載施加在桿件的兩端節(jié)點上，由材料力學及結構力學的知識可得轉換的節(jié)點荷載。事實上，溫度對構件的影響是不均勻的，如對于鋼構件，由于傳熱性能好，截面相對也薄，當溫度變化時，可以認為截面中的溫度是均勻變化的，但是對于混凝土構件，由于截面厚度大，溫度從里到外是逐漸衰減的，呈梯度變化，程序目前對于這種梯度變化的荷載無法精細考慮，所以不管是對于混凝土構件還是鋼構件，SATWE和PMSAP中都認為截面上的溫度是均勻的，這種近似的考慮比較適合用于鋼構件，但將使得實心的混凝土結構的溫度荷載效應計算偏大。內(nèi)力查看中兩個單工況，溫荷1及溫荷2，溫荷1即對應著升溫工況，溫荷2對應著降溫工況。模型中輸入的降溫差值為27.7℃*0.255=7℃。

結構計算分析參數(shù)定義中溫度荷載參數(shù)-混凝土構件溫度效應折減系數(shù)0.3（計算溫度應力時，此系數(shù)無實質作用），溫荷綜合組合系數(shù)（組合值系數(shù)和分項系數(shù)的乘積0.6*1.5=0.9）。用溫度效應模擬預應力和混凝土收縮，每個溫度工況允許為“溫度”、“預應力”和“砼收縮”三個屬性之一。在進行“預應力”和“砼收縮”計算時，需要用戶自己算出等效溫差，在“補充建?！敝羞M行輸入。如果溫度工況的屬性為預應力，程序將自動設定溫度場的類型為“間斷型”;如果溫度工況的屬性為混凝土收縮，程序將自動忽略鋼構件上的等效溫度荷載。

樓板的剪應力則主要為了搭配兩個方向的正應力來進行主應力的計算，主應力S1和S2分別是樓板各個方向斷面上的最大和最小應力Smax、Smin。計算原則可以參考材料力學中平面應力的計算方式得到。需要注意一點結論，主應力所在的截斷面上，一定不存在剪應力。此時我們基本可以按照應力指標去確定樓板在降溫下需要的鋼筋了，因為僅僅按照X或者Y向來設計配筋，并不能包絡樓板各個方向斷面所需要的縱筋，而取平面主應力S1則可以覆蓋各個角度下板厚度斷面的拉應力，所以可以大致按照筋As1來簡化考慮面內(nèi)溫度作用下的受拉縱筋。而板由面外豎向工況下的設計結果，則可以按照傳統(tǒng)設計方式來考慮，比如在板施工圖模塊按照彈性算法，或者進入slab模塊考慮有限元計算得到配筋結果As2。

最終樓板的配筋結果簡化的考慮按照As=As1+As2來得到。

根據(jù)等值線圖平面主應力S1局部有剪力墻位置應力較大，引起的裂縫對整個結構的影響不大，配置溫度鋼筋時可不考慮。

As1= （S1）*b*h/fyk=（平面主應力S1）*樓板寬度*樓板厚度/鋼筋抗拉強度標準值=3.3MPa*180*1000/400=1485mm2，即需要另外附加的樓板溫度鋼筋為雙層14@200（770 mm2）=2*770=1539mm2>As1=1485mm2。

結語：

該項目屬于平面超長結構，經(jīng)過PMSAP軟件計算分析及采用相應的措施，驗證了未設置伸縮縫僅采用溫度后澆帶的設計在技術上是可行的。這既保證了結構的整體性和建筑功能，又提高建筑效果和使用功能及解決伸縮縫防水等問題。地下室長度超過規(guī)范規(guī)定的1.5倍時，該結構進行溫度應力分析并采取溫度應力的綜合措施。最終基本解決了超長結構溫度應力過大而導致混凝土開裂問題，工程投入使用至今效果良好。

寒冷地區(qū)超長地下室的結構設計要點總結如下：

（1）樓板設計既要滿足承載能力極限狀態(tài)要求，又要滿足正常使用極限狀態(tài)（裂縫和抗裂）的要求;溫度作用簡化為單工況考慮;分析過程一般需要考慮4個因素，包括溫度變化、混凝土收縮應變、混凝土徐變（應力松弛）、混凝土剛度折減。分析結果主要看平面主應力S1的大小、方向、分布區(qū)域，并參考平面正應力Sx、Sy。樓板拉應力標準值超過混凝土抗拉強度標準值時須配置溫度鋼筋，溫度鋼筋應承擔全部溫度應力。

（2）溫度計算上，根據(jù)所在地區(qū)的氣候特點，計算溫度采用月平均值，考慮實際施工進程和混凝土收縮徐變等非荷載效應的影響，按最不利環(huán)境條件下的降溫值作為結構計算時的溫度荷載值。

（3）施工措施上，采用延長后澆帶澆筑時間、控制后澆帶澆筑溫度、采用跳倉法、采用保溫隔熱措施、合理選用材料、加強施工養(yǎng)護、留置誘導縫等各種可行的措施，綜合采用“抗”“放”的理念來抵御和減少非荷載作用對結構的不利影響。采用抗的方法，必須有足夠的強度儲備;采用放的方法，必須有充分的變形余地。在學術界剛柔學派之爭，留縫不留縫之爭，抗與放之爭，長期存在著，兩者是辯證地統(tǒng)一，在不同環(huán)境條件下各有優(yōu)缺點，實際工程中具體分析環(huán)境、技術條件、使用要求等綜合抉擇。

注釋：

① M1、M2、……M10相關系數(shù)引用于王鐵夢.工程結構裂縫控制（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社 2017年12月第二版 P29-31

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作者簡介：

莫欽鈔（1987.06—），男，漢族，四川宜賓人，本科，二所副所長，工程師，昌都市建筑勘察設計院，研究方向：寒冷地區(qū)超長地下室的結構設計要點。

張成（1973.09—），男，漢族，四川廣安人，大專，高級工程師，昌都市建筑勘察設計院，研究方向：凍土地區(qū)混凝土的問題。