某超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)下裂縫控制

楊維英

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,福州 350004)

城市建設(shè)突飛猛進(jìn)，超長(zhǎng)的公共建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015版)[1]關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距(室內(nèi)或土中)如下：框架結(jié)構(gòu)為55 m，剪力墻結(jié)構(gòu)為45 m，地下區(qū)域?yàn)?0 m。在實(shí)際工程應(yīng)用中，綜合考慮使用功能、外觀、防水性及耐久性等因素，要求無(wú)斷縫設(shè)計(jì)的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然要考慮裂縫控制，特別是溫度效應(yīng)作用下混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫。

當(dāng)前對(duì)于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)裂縫控制的研究主要集中于應(yīng)用有限元軟件及理論公式計(jì)算對(duì)裂縫產(chǎn)生原因和分布規(guī)律進(jìn)行分析，輔以其他措施控制裂縫的發(fā)展。韓光翔[2]以一個(gè)超長(zhǎng)框架為例進(jìn)行計(jì)算，考慮混凝土收縮和徐變，分析溫度應(yīng)力變化規(guī)律，結(jié)果表明，后澆帶閉合后的降溫及收縮是溫度應(yīng)力的控制因素。范重等[3]對(duì)超長(zhǎng)框架結(jié)構(gòu)溫度作用進(jìn)行研究，給出結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)最大正負(fù)溫差的取值方法，通過(guò)建立多層框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型來(lái)分析溫度內(nèi)力沿結(jié)構(gòu)的豎向變化規(guī)律。王鐵夢(mèng)[4]提出計(jì)算彈性溫度應(yīng)力分跨總和法，根據(jù)溫度變化快慢程度建議應(yīng)力松弛系數(shù)取0.3～0.5。彭英等[5]研究表明，混凝土徐變可以大幅度降低溫度應(yīng)力，溫差效應(yīng)計(jì)算時(shí)應(yīng)合理考慮混凝土徐變引起的卸載效應(yīng)，通過(guò)合理選擇后澆帶澆筑時(shí)溫度來(lái)控制溫差大小可以有效降低溫差效應(yīng)。陳尚志[6]等結(jié)合贛州西站站前廣場(chǎng)項(xiàng)目，提出以緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力為主的裂縫控制措施，取得良好的裂縫控制效果。

該文結(jié)合興泉鐵路永春站站前廣場(chǎng)項(xiàng)目，采用PKPM程序軟件建立溫度應(yīng)力作用下的超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)模型，分析溫度應(yīng)力變化對(duì)結(jié)構(gòu)造成的不利影響，并采取相應(yīng)的抗裂措施，為類似的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

站前廣場(chǎng)位于永春縣，框架結(jié)構(gòu)，地上2層，無(wú)地下室，采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)防地震分組為三組，二類場(chǎng)地，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，抗震等級(jí)為三級(jí)?；撅L(fēng)壓為0.45 kN/m2。建筑面積為8 410 m2，建筑長(zhǎng)度為160.1 m，二層寬度為24.45 m，屋頂層寬度為16.35 m，屬超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。由于建筑使用功能的特殊性，不設(shè)置伸縮縫，長(zhǎng)度遠(yuǎn)超規(guī)范規(guī)定的限值，因此必須考慮溫度效應(yīng)作用，采取相應(yīng)措施減少溫度應(yīng)力造成的不利影響。

2 變形分析

根據(jù)作用原理不同，混凝土收縮主要分為[4]：碳化收縮、化學(xué)收縮、體積收縮和溫度收縮，其中化學(xué)收縮和碳化收縮的量在整體收縮的占比較小，一般不予考慮。文獻(xiàn)[7]將混凝土的體積收縮引起的變形換算成等效溫度作用，與結(jié)構(gòu)的溫度變化相疊加，結(jié)合其他相關(guān)研究成果，混凝土體積收縮當(dāng)量換算成等效溫差溫度取ΔT=-5 ℃。

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在受到高于混凝土入模成型時(shí)的溫度時(shí)產(chǎn)生膨脹變形，反之產(chǎn)生收縮變形。當(dāng)變形受到基礎(chǔ)剛度及整體框架約束的影響時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，在升溫效應(yīng)作用下，混凝土自身體積膨脹內(nèi)部將產(chǎn)生壓應(yīng)力，對(duì)裂縫起有利作用，在降溫效應(yīng)作用下，體積收縮內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，將產(chǎn)生裂縫，結(jié)合國(guó)內(nèi)外超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該文主要分析梁板在降溫情況下對(duì)構(gòu)件內(nèi)力的影響。

3 溫度效應(yīng)確定及模型分析

3.1 溫度效應(yīng)確定

永春地處福建東南部，年平均氣溫20 ℃，極端最低氣溫零下7 ℃，極端最高氣溫38.4 ℃，根據(jù)工程實(shí)際施工情況，預(yù)估后澆帶封閉時(shí)的月平均氣溫為20 ℃。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]，結(jié)構(gòu)最大降溫的工況，均勻溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值按式(1)計(jì)算

ΔTk=Ts,min-T0,max

(1)

站前廣場(chǎng)四周開(kāi)敞，無(wú)室內(nèi)外溫差，最低溫度-7 ℃，后澆帶澆筑溫度為20 ℃，收縮當(dāng)量換算溫差-5 ℃，故最大降溫溫差為-32 ℃?；炷敛牧暇哂袩岫栊再|(zhì)，溫度荷載作用對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的影響是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需考慮混凝土徐變帶來(lái)的影響，由于混凝土徐變導(dǎo)致應(yīng)力松弛，進(jìn)而引起應(yīng)力重分布，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)由于溫差產(chǎn)生的實(shí)際伸縮變形會(huì)明顯小于彈性計(jì)算的結(jié)果?？紤]混凝土徐變的因素，按彈性計(jì)算的溫差效應(yīng)乘以松弛系數(shù)[9]。根據(jù)快慢取松弛0.3～0.5，該工程取0.3，在軟件模型中輸入。

3.2 模型分析

溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形主要可以分為兩部分，即沿構(gòu)件的軸線方向的伸縮變形和繞中性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)變形。構(gòu)件軸向方向的伸縮變形即為構(gòu)件的均勻升溫或降溫引起的變形，繞中性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)變形即構(gòu)件內(nèi)外表面的溫差造成的變形。變形如圖1所示，其中α為材料的線膨脹系數(shù)，H為截面高度，ds為截面寬度，t1、t0、t2分別為截面上表面、截面中性軸、截面下表面溫度。

采用PKPM軟件計(jì)算溫度應(yīng)力，程序采用構(gòu)件截面均勻受溫均勻伸縮的溫度加載方式，即不考慮桿件內(nèi)外表面的溫差影響，只考慮均勻受溫引起的軸向變形，不考慮構(gòu)件溫差引起的彎曲變形。該工程為室外工程，基本符合程序假定。在溫度荷載定義中輸入最低降溫-32 ℃，考慮混凝土徐變因素，砼構(gòu)件溫度效應(yīng)折減系數(shù)取0.3，計(jì)算樓板應(yīng)力時(shí)設(shè)置為彈性板6，梁柱計(jì)算時(shí)樓板設(shè)置彈性膜，采用有限元進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2～圖4，樓板應(yīng)力單位為kN/m2。

梁板采用C35混凝土，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.57 N/mm2，也即1 570 kN/m2。圖2顯示，在降溫工況下，結(jié)構(gòu)首層的變形遠(yuǎn)大于二層。圖3及圖4顯示樓板應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)中部較為均勻，端部應(yīng)力變化較大，最大應(yīng)力分布在框架柱周邊及樓板開(kāi)洞邊緣，這是由于框架柱剛度較大，樓板開(kāi)洞造成應(yīng)力突變引起的，屋面層樓板在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力在0.5 MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，不需要特別采取防裂措施，二層樓面板溫度應(yīng)力較大，局部大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，需要特別采取防裂措施?？梢钥闯觯L(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度效應(yīng)產(chǎn)生的變形主要集中于結(jié)構(gòu)底部，這是由于基礎(chǔ)嵌固約束的影響，首層結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)作用下引起的內(nèi)力和變形最大，二層由于約束減小，溫度效應(yīng)作用迅速減小，柱底嵌固對(duì)溫度效應(yīng)影響顯著。

4 裂縫控制措施

4.1 設(shè)置后澆帶

混凝土凝結(jié)初期由于水化作用，水分蒸發(fā)較大，導(dǎo)致混凝土收縮，為減小混凝土施工初期收縮帶來(lái)的不利影響，該工程結(jié)合平面使用功能設(shè)置5道伸縮后澆帶，后澆帶的封閉時(shí)間兩側(cè)混凝土齡期達(dá)到2個(gè)月以后，待混凝土早期收縮大部分完成后再進(jìn)行。后澆帶的混凝土應(yīng)采用無(wú)收縮混凝土，強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)，且控制混凝土的入模溫度不得高于兩側(cè)混凝土的澆搗溫度，在夜間溫度較低時(shí)澆搗混凝土，設(shè)定后澆帶的澆筑溫度不得高于20 ℃。

4.2 設(shè)置緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線

圖3中二層樓板在X向溫度應(yīng)力局部大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.57 MPa，需要采取抗裂措施，因此在二層樓板范圍內(nèi)長(zhǎng)度方向設(shè)置少量緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，用以抵抗溫度應(yīng)力。同傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)相比，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力不需要灌漿及穿波紋管，待緩粘結(jié)劑固化后，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與周邊混凝土協(xié)同變形工作，達(dá)到有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的力學(xué)效果[10]。

采用1×7φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力鋼筋，fptk=1 860 MPa,σcon=0.70fptk=1 860×0.7=1 302 MPa，扣除錨具回縮變形、摩擦以及應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失后，單絞線有效拉應(yīng)力為1 010.5 MPa。以200 mm樓板為例，若要在X向建立預(yù)壓應(yīng)力為2.0 MPa，則每米板中配置預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)為：n=(200 mm×1 000 mm×2.0 MPa)/(1 010.5 MPa×139 mm2)=2.85根，為在長(zhǎng)度方向建立2 MPa預(yù)壓應(yīng)力，可在單位樓板寬度(1 m)范圍內(nèi)布置3×1×7φs15.2鋼絞線。

4.3 其他措施

混凝土中加入抗裂纖維，提高其早期的抗裂性能，嚴(yán)格控制好配合比，選用活性較低的水泥，普通減水劑，細(xì)度及活性不高的摻和料，適當(dāng)增加骨料含量，將水膠比控制在0.4～0.5之間。施工時(shí)宜在相對(duì)低溫下澆筑，降低混凝土入模溫度，制定合理的澆搗順序和間隔時(shí)間，振搗時(shí)不應(yīng)漏振、欠振和過(guò)振。拆模時(shí)盡可能廣域晚拆模，且拆模時(shí)混凝土溫度不能過(guò)高，以避免接觸空氣時(shí)降溫過(guò)快而開(kāi)裂，更不能在拆模時(shí)澆注涼水養(yǎng)護(hù)。

樓板鋼筋采用細(xì)而密的雙層雙向拉通筋配置，并在支座處附加鋼筋。對(duì)柱子的箍筋進(jìn)行加密處理。對(duì)超長(zhǎng)方向的梁均設(shè)置腰筋，按梁高間隔200 mm設(shè)置一道，并加強(qiáng)梁的上部鋼筋。

加強(qiáng)樓板的保溫隔熱措施，設(shè)置60 mm厚絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板(燃燒性能等級(jí)為B1級(jí))等高效保溫材料，以減小溫度梯度效應(yīng)。

5 結(jié) 論

該文主要分析了超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)考慮混凝土收縮當(dāng)量溫差、徐變情況下，構(gòu)件在降溫工況下的應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明：

a.由于基礎(chǔ)剛度的影響，首層結(jié)構(gòu)在溫度作用下引起的變形和內(nèi)力最大，二層結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)迅速減小，超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的研究應(yīng)主要集中在結(jié)構(gòu)的首層。

b.樓板應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)中部較為均勻，端部應(yīng)力變化較大，最大應(yīng)力分布在框架柱周邊及樓板開(kāi)洞邊緣。

c.采取設(shè)置后澆帶，設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋等措施能有效控制溫度效應(yīng)產(chǎn)生的裂縫。