某復(fù)雜商業(yè)綜合體超長結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

張東聲

（成都惟尚建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610000）

0 引言

隨著近年來復(fù)雜商業(yè)綜合體的建筑功能要求不斷提高，越來越多的項(xiàng)目建筑師提出建筑不設(shè)縫的要求，由此引出如何進(jìn)行超長結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析和設(shè)計(jì)越來越受到結(jié)構(gòu)工程師的關(guān)注。目前對(duì)于溫度效應(yīng)的計(jì)算和作用形式現(xiàn)行規(guī)范中尚未給出明確的規(guī)定，本文以某復(fù)雜商業(yè)綜合體項(xiàng)目超長結(jié)構(gòu)為例采用允許應(yīng)力法進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)措施，為同類型的超長結(jié)構(gòu)項(xiàng)目關(guān)于如何進(jìn)行溫度應(yīng)力分析和設(shè)計(jì)提供一定的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

本項(xiàng)目案例建筑地下1 層，地上6 層，建筑總高度38.95m，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面尺寸東西向最長260m，南北向最長110m，平面內(nèi)有多個(gè)不規(guī)則中庭開洞，結(jié)構(gòu)整體平面不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，平面尺寸遠(yuǎn)超出了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定的伸縮縫最大間距的要求。標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)8.4m×8.4m，一層層高6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高5.5m，因中庭、溜冰場、影院等部位建筑功能需要，形成部分不規(guī)則大跨柱網(wǎng)（跨度9~25m）。不同階段的溫度作用對(duì)該結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力影響較大，必須通過溫度作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和計(jì)算作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

2 溫度作用

2.1 溫差計(jì)算

由于引起溫度變化的各種影響因素類型較多，比較復(fù)雜，不易對(duì)溫度作用進(jìn)行準(zhǔn)確定量的模擬。而對(duì)于超長混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的成因絕大部分是混凝土材料自身收縮變形以及外環(huán)境溫度作用造成的?；炷潦湛s變形等效為當(dāng)量溫差作用，結(jié)合外環(huán)境變化引起季節(jié)溫差作用，兩者對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響是超長結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析的重點(diǎn)。

2.1.1 季節(jié)溫差

季節(jié)溫差指結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體澆筑完成形成約束期間的溫度區(qū)間和建筑物后期施工和使用階段溫度區(qū)間的變化差值，主要由建筑物所在地氣候環(huán)境的變化導(dǎo)致。季節(jié)溫差計(jì)算公式如式（1）：

式中：TP，max，TP，min-建筑物使用周期中可能遇到的最高溫度和最低溫度；T0-主體結(jié)構(gòu)整體澆筑完成形成約束時(shí)的溫度。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]規(guī)定“對(duì)于熱傳導(dǎo)速率較慢且體積較大的混凝土及砌體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)溫度接近當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁?，可直接采用月平均最高氣溫和月平均最低氣溫作為基本氣溫”，本工程按照《荷載規(guī)范》規(guī)定取所在地的月平均最低氣溫Tmin=0℃，月平均最高氣溫Tmax=38℃。

本工程在施工時(shí)期采取設(shè)置溫度后澆帶的方法將結(jié)構(gòu)分成幾個(gè)部分，在后澆帶封閉之前不屬于超長結(jié)構(gòu)，因此在后澆帶封閉之前不考慮施工階段的溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。后澆帶封閉之后至工程投入使用過程中的各個(gè)階段，主體結(jié)構(gòu)形成整體約束的溫度一般可取后澆帶整體封閉的月平均氣溫，本工程選取的后澆帶封閉時(shí)的平均氣溫為20℃?？紤]到建筑后期使用期間主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在室內(nèi)環(huán)境下，同時(shí)建筑外墻的保溫裝飾材料可以起到一定的保護(hù)作用，并且本項(xiàng)目作為大型商業(yè)建筑均安裝了中央空調(diào)，也能起到一定的溫度調(diào)節(jié)作用。因此選取后期使用階段的溫度變化范圍為15~26℃。

綜合上述各項(xiàng)因素取最不利季節(jié)溫差為升溫23℃，降溫20℃。

2.1.2 混凝土收縮當(dāng)量溫差

混凝土材料的收縮主要是澆筑后混凝土中的水分蒸發(fā)引起體積收縮造成的，混凝土的收縮變形在構(gòu)件約束下使內(nèi)部產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度則會(huì)形成收縮裂縫，因此必須考慮混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。工程設(shè)計(jì)時(shí)一般對(duì)混凝土收縮的影響進(jìn)行等效溫度作用考慮，用等效溫度作用荷載來模擬混凝土收縮引起的變形，等效溫度荷載的變化幅值稱為混凝土收縮的當(dāng)量溫差。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究成果，混凝土任意時(shí)間收縮計(jì)算公式如式（2）：

式中：εy（t）-任意時(shí)間的收縮；t-時(shí)間，以天為單位；M1M2…Mn-考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，其與工程平面尺寸和混凝土強(qiáng)度等級(jí)及樓板厚度相關(guān)，需根據(jù)混凝土材料組成成分、初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間、使用環(huán)境濕度、混凝土振搗養(yǎng)護(hù)方式、不同模量比和配筋率比值等因素綜合取值，本工程取值為1.16。

混凝土材料收縮當(dāng)量溫差計(jì)算公式如式（3）所示，α 線膨脹系數(shù)=1×10-5/℃（混凝土）：

本工程注意考查混凝土構(gòu)件澆筑到結(jié)構(gòu)后澆帶整體封閉完成階段的溫度作用不利影響，將此階段作為溫度作用影響最不利階段進(jìn)行分析，此階段施工時(shí)間按90d 考慮，則換算的收縮當(dāng)量溫差為15.1℃。

2.2 徐變對(duì)溫度作用的影響

混凝土結(jié)構(gòu)在內(nèi)應(yīng)力作用下，除瞬時(shí)彈性變形外，其變形值隨時(shí)間的延長而增加的現(xiàn)象稱為徐變變形。由于徐變變形的存在，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束內(nèi)力會(huì)隨著時(shí)間的增長而逐步減少，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。在進(jìn)行超長結(jié)構(gòu)溫度作用分析時(shí)，必須考慮建筑物施工和使用周期中混凝土徐變引起的應(yīng)力松弛。為便于計(jì)算，程序中仍按各項(xiàng)同性彈性體假定考慮材料，同時(shí)根據(jù)徐變的緩慢程度通過引入松弛系數(shù)對(duì)溫度作用分析應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行修正。松弛系數(shù)[3]可取為0.3~0.5，本工程取0.3。

3 溫度影響分析

本文采用有限元軟件對(duì)該工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，分析程序中采用各向同性的線彈性材料假定。分析結(jié)果顯示，溫度作用下整體結(jié)構(gòu)變形明顯，結(jié)構(gòu)水平變形量二層最大，往上逐層減小，四層以上水平變形幾乎為零。主要原因是隨著樓層高度增加，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度減小，構(gòu)件受到的約束也越小，溫度作用的影響明顯降低。從應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，水平構(gòu)件拉應(yīng)力數(shù)值呈現(xiàn)出平面中間大，往兩端逐漸減少的規(guī)律，同時(shí)在約束條件較好的柱頂出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。樓板應(yīng)力在二、三層較大（二層樓板應(yīng)力圖如圖1 所示），隨著約束作用減小，四層及以上樓層樓板應(yīng)力逐漸降低。下部應(yīng)力較大樓層部分區(qū)域應(yīng)力值達(dá)到了2.8MPa，超過了混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，如不采取有效措施，將影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

圖1 二層樓面溫度應(yīng)力分布

4 應(yīng)對(duì)措施

（1）每隔30~50m 設(shè)置溫度后澆帶，全部后澆帶封閉時(shí)間應(yīng)控制在主體結(jié)構(gòu)混凝土澆筑完成90d 以后進(jìn)行；采用微膨脹混凝土進(jìn)行后澆帶封閉，其強(qiáng)度等級(jí)比兩側(cè)提高一級(jí)；嚴(yán)格控制后澆帶封閉時(shí)的氣溫不得超過20℃，同時(shí)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制主體結(jié)構(gòu)混凝土的入模溫度；后澆帶范圍內(nèi)的梁構(gòu)件縱向鋼筋貫通，板構(gòu)件縱筋斷開采用搭接連接。

（2）根據(jù)溫度應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)構(gòu)件相應(yīng)位置增設(shè)溫度鋼筋，應(yīng)力結(jié)果不滿足要求的樓層樓板頂部鋼筋50%拉通布置，通長鋼筋的間距在200mm 以內(nèi)；加強(qiáng)框架梁兩側(cè)構(gòu)造配筋，要求其腰筋面積不小于腹板截面積的0.2%，鋼筋錨固措施按受拉鋼筋采用。

（3）盡量選用低水化熱的水泥品種，采用低坍落度的干硬混凝土，控制骨料含泥量；使用粉煤灰摻合料與外加劑，嚴(yán)格控制水灰比在0.55 以內(nèi)；控制級(jí)配骨料中的中、粗砂的細(xì)度模數(shù)在2.7~2.9；控制混凝土含砂率在38%以內(nèi)。

（4）嚴(yán)格要求混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)施工措施，采取有效措施控制混凝土構(gòu)件內(nèi)外溫度差和混凝土澆筑的入模溫度；加強(qiáng)混凝土的各項(xiàng)養(yǎng)護(hù)措施，如要求淋水養(yǎng)護(hù)不少于10d，及時(shí)覆蓋物進(jìn)行保溫保濕等。

5 結(jié)論

本文通過總結(jié)在實(shí)際項(xiàng)目案例中進(jìn)行的超長復(fù)雜結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力數(shù)值分析結(jié)果和采取的有效措施，在滿足超長結(jié)構(gòu)建筑功能要求不設(shè)縫的同時(shí)，保證了結(jié)構(gòu)的安全，為同類型項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。