云南某跨線綜合樓超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度分析

劉金波

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

1 工程概況

云南墨江服務(wù)區(qū)跨線綜合樓位于云南省墨江市，總建筑面積約3 800 m2，地上3層，局部塔樓部分為4層，房屋總高度22.5 m。本工程平面形狀總體呈“L”型，東西向長(zhǎng)82.8 m，南北向長(zhǎng)73.5 m。建筑橫跨南北向敷設(shè)的高速公路，建筑功能包括餐飲、商場(chǎng)、辦公等功能用房及服務(wù)設(shè)施。

本工程平面形狀不規(guī)則，總體呈“L”型，兩個(gè)方向總長(zhǎng)度分別為83.1 m和73.5 m，通過(guò)設(shè)縫將結(jié)構(gòu)分成兩個(gè)“一”字型獨(dú)立單體，結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)：7度抗震，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。

2 結(jié)構(gòu)選型

本工程建筑布置復(fù)雜，通過(guò)設(shè)縫分為南北兩個(gè)單體(南樓和北樓)，南樓結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單(長(zhǎng)48 m，寬21 m)，北樓(跨線部分)結(jié)構(gòu)形式相對(duì)復(fù)雜(長(zhǎng)82.8 m，寬25.5 m)，南樓采用混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，北樓跨線部分采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，其它部分采用混凝土框架結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)規(guī)則性判別

本工程北樓部分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，存在結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)、大跨度、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等情況，對(duì)該部分結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性控制成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)[1-2]。

圖2為北樓平面布置，并按表1對(duì)北樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)則性判別。

表1 北樓結(jié)構(gòu)規(guī)則性判別

圖2 北樓平面布置圖

經(jīng)上述計(jì)算分析可知本工程屬于一般不規(guī)則建筑。工程設(shè)計(jì)中采取了以下措施：(1)加大下部薄弱層的柱截面以減小相鄰層的剛度突變，同時(shí)加大薄弱層的板厚及配筋；(2)針對(duì)北樓中間跨線部分存在連續(xù)兩跨22.5 m大跨結(jié)構(gòu)，對(duì)其補(bǔ)充豎向地震計(jì)算并對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；(3)對(duì)結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)以提高結(jié)構(gòu)安全性。

4 結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算

結(jié)構(gòu)溫度荷載主要包括季節(jié)溫差、晝夜溫差和混凝土收縮當(dāng)量溫差三部分組成[3]。

4.1 季節(jié)溫差

本工程位于云南省玉溪市，其月平均最高氣溫為30 ℃，月平均最底氣溫為-1 ℃。本工程在2015年9月份主體合攏，因此地上結(jié)構(gòu)的合攏溫度近似取為19 ℃，進(jìn)入冬季前沒(méi)有投入使用，整個(gè)結(jié)構(gòu)裸露在室外，因此結(jié)構(gòu)的降溫溫差為-20 ℃，升溫溫差為11 ℃。

4.2 晝夜溫差

由于本工程屬于公共建筑，使用階段考慮空調(diào)的作用建筑物內(nèi)部基本恒溫。故晝夜溫差主要對(duì)結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生影響，且混凝土具有熱惰性，短時(shí)間內(nèi)的溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響很小，因此晝夜溫差作用可忽略[4]。

4.3 混凝土收縮當(dāng)量溫差

在計(jì)算混凝土收縮量時(shí)，參考了王鐵夢(mèng)的《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[5]一書(shū)中的相關(guān)計(jì)算方法[1]。先確定某種標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的最大收縮，任何其他狀態(tài)下的最大收縮應(yīng)用各種不同系數(shù)加以修正。

ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…Mn

對(duì)本工程，按分段施工考慮，完成后3個(gè)月澆筑溫度后澆帶。經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)整體收縮溫差與混凝土膨脹補(bǔ)償溫差相當(dāng)。因此混凝土收縮效應(yīng)當(dāng)量溫差取0 ℃。

4.4 溫度工況組合

考慮溫度荷載作用共進(jìn)行了如下4種荷載工況組合計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果與考慮地震作用的工況對(duì)比進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2。

表2 考慮溫度荷載作用的工況組合

4.5 溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

本工程采用MIDAS軟件進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，為真實(shí)計(jì)算溫度作用樓板單元按彈性樓板考慮，分析中框架柱基礎(chǔ)按完全約束考慮，忽略基底與地基土間相對(duì)位移的有利因素。

由以上計(jì)算可得出如下結(jié)論：(1)溫度作用下5軸和7軸型鋼混凝土柱的剪力和彎矩最大，除此以外框架柱的剪力和彎矩從里向外逐漸增加；(2)框架梁在溫度荷載組合工況下底部樓層軸力最大，向上逐層減小，同一樓層框架梁軸力最大值出現(xiàn)在沿結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)方向型鋼混凝土柱旁第一跨處；(3)樓板在降溫工況下與框架梁共同受拉，且受力趨勢(shì)與梁相同。

溫度工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特征是由該樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所致：結(jié)構(gòu)底部?jī)蓪?軸、6軸和7軸處為型鋼混凝土柱(截面尺寸為1 m×1 m)，其他部分為0.6 m×0.8 m的鋼筋混凝土柱，3層處通過(guò)型鋼混凝土梁與5軸、6軸和7軸的型鋼混凝土柱連接，并在型鋼混凝土梁上起柱，以實(shí)現(xiàn)跨線部分的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。其中6軸位于北樓中間，受溫度效應(yīng)影響較小，5軸和7軸處的型鋼混凝土柱是抑制中間22.5 m大跨結(jié)構(gòu)變形的“第一道防線”，且其剛度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)溫度變化時(shí)的變形約束較強(qiáng)，因此5軸和7軸型鋼混凝土柱的剪力和彎矩最大?？蚣芰汉桶宓臏囟葢?yīng)力特點(diǎn)比較好理解，溫差應(yīng)力本身是當(dāng)變形受到約束時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)力效應(yīng)。從豎向各樓層來(lái)看，越靠近基礎(chǔ)的樓層變形受到的約束越嚴(yán)重，其溫度效應(yīng)越明顯，并且溫度效應(yīng)隨樓層上升衰減迅速。

通過(guò)溫度工況與地震工況的計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較得出以下結(jié)論：(1)5軸和7軸處型鋼混凝土柱在溫度工況下的剪力較地震作用下略大，彎矩較地震作用下型鋼混凝土柱內(nèi)型鋼受剪已滿足要求；(2)底層部分框架梁溫度工況下軸力較地震作用下大，需增大腰筋和梁頂縱筋配筋量來(lái)抵抗溫度作用；(3)結(jié)構(gòu)底部?jī)蓪訕前宀贿B續(xù)，在3層處樓板變形受到約束較小，總體而言樓板除部分角部以外溫度應(yīng)力較小，相應(yīng)的措施為在3層樓板處沿超長(zhǎng)方向通常配筋以抵抗溫度應(yīng)力。另外在施工方面還采取了以下措施：采用低水化熱水泥，控制結(jié)構(gòu)合攏溫度，加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)，基礎(chǔ)施工完成后及時(shí)回填以避免長(zhǎng)期暴露。

5 結(jié) 語(yǔ)

本工程雖然建筑規(guī)模不大，但結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，存在結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)、大跨度、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等多種結(jié)構(gòu)不規(guī)則性。通過(guò)計(jì)算表明溫度效應(yīng)對(duì)框架柱，尤其是不規(guī)則建筑的特殊部位，豎向構(gòu)件產(chǎn)生的影響不能忽略。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)包含溫差荷載的工況進(jìn)行計(jì)算，仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)不同部位的溫度效應(yīng)，并針對(duì)不同部位采取不同措施以有效地解決溫差效應(yīng)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的安全隱患，從而提高項(xiàng)目的合理性和經(jīng)濟(jì)性。