超長混凝土結(jié)構(gòu)住宅溫度效應(yīng)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

王初秋　崔森

摘 要：根據(jù)地方規(guī)范《超長混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)規(guī)范》的要求，對沈陽市沈北新區(qū)某小區(qū)超長混凝土結(jié)構(gòu)住宅的梁、板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度作用下的應(yīng)力進行有限元分析，設(shè)計上考慮應(yīng)對溫度變化的加強措施，以保證滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：超長結(jié)構(gòu)；溫度應(yīng)力；加強措施

1工程概況

本項目位于沈陽市沈北新區(qū)，占地為34880 m²的住宅小區(qū)，采用異形柱框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，地上6層，無地下室，層高均為2.9 m，其中3#、5#、8#、9#樓長度均超規(guī)范規(guī)定的50 m限值，以3#為例分析超長帶來的溫度應(yīng)力影響。

1.1場地概況

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，氣溫多年平均為7.9℃，最高為35.7℃，最低為-30.5℃，同時《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄E給出了沈陽最低氣溫-24℃，最高氣溫33℃。

項目場地的土層情況從上到下分布為：①雜填土；②粉質(zhì)粘土；③粉質(zhì)粘土；④粉質(zhì)粘土；⑤粉質(zhì)粘土；⑥粉質(zhì)粘土；⑦粉質(zhì)粘土；⑧粉質(zhì)粘土；⑨圓礫。凍土深度市區(qū)一般為1.0米，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.2米。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

建筑功能：多層住宅，結(jié)構(gòu)形式為異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類型為預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，樓板厚度130 mm，使用年限為50年，多層住宅不設(shè)永久變形縫的混凝土結(jié)構(gòu)長度超過《超長混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的60米（框剪）。本工程在后續(xù)施工時，考慮溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)規(guī)范要求長方向設(shè)置后澆帶。

2結(jié)構(gòu)計算溫差的取值

2.1主體結(jié)構(gòu)環(huán)境溫差的確定

2.2混凝土收縮當(dāng)量溫差的確定

2.3結(jié)構(gòu)計算溫差的取值

3考慮徐變與應(yīng)力松弛的松弛系數(shù)的確定

降低彈性應(yīng)力的辦法中能大幅度降低的為徐變和應(yīng)力松弛，考慮徐變效應(yīng)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力能夠較精確分析，材料的強度能夠充分利用，工程量能夠減小以及對工程造價的降低有幫助。應(yīng)力松弛對結(jié)構(gòu)設(shè)計的有利作用，在工程應(yīng)用上，主要通過“松弛系數(shù)”的確定來實現(xiàn)。

目前階段國內(nèi)超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時對于溫度應(yīng)力的計算有通常做法，即將溫度變化等效混凝土的收縮，同時一起計算的還有實際溫度變化，在溫度及收縮作用下的彈性解是首先需要計算的，然后乘以考慮徐變的應(yīng)力（松弛）折減系數(shù)。王鐵夢的《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》中近似將應(yīng)力折減系數(shù)取值為0.3～0.5，國外將應(yīng)力折減系數(shù)取值為0.3。本工程的計算過程中，0.3是松弛系數(shù)的取值。

4溫度作用階段的選取及組合系數(shù)的確定

首先，混凝土結(jié)構(gòu)的溫度作用應(yīng)考慮以下階段過程：

第一，結(jié)構(gòu)后澆帶封閉前的施工階段：混凝土的澆筑溫度應(yīng)考慮，同時膠凝材料水化熱、收縮變形以及環(huán)境溫度也應(yīng)考慮。

第二，結(jié)構(gòu)后澆帶進行封閉開始到工程使用前的施工階段：應(yīng)考慮混凝土的收縮變形以及環(huán)境溫度作用。

第三，結(jié)構(gòu)使用階段：應(yīng)考慮混凝土的收縮變形和環(huán)境溫度作用。

其次，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施、后澆帶設(shè)置、所用材料、混凝土生產(chǎn)與施工符合規(guī)范要求時，結(jié)構(gòu)后澆帶封閉前的施工階段的溫度作用效應(yīng)分析可不進行計算。結(jié)構(gòu)使用階段因環(huán)境溫差太小不起控制作用，所以本次設(shè)計時只考慮第二階段結(jié)構(gòu)后澆帶進行封閉開始到工程使用前的施工階段。

最后，各階段混凝土結(jié)構(gòu)的溫度作用宜與其他可能同時出現(xiàn)的荷載作用效應(yīng)進行組合，并應(yīng)符合下列要求：

第一，施工階段，結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)進行設(shè)計。荷載組合中不考慮風(fēng)荷載、地震作用。

第二，使用階段，結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行設(shè)計，荷載組合中可不考慮地震作用。

第三，各類作用（荷載）的取值、分項系數(shù)、組合系數(shù)與準(zhǔn)永久系數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的第9.1.3條以及規(guī)范后面條文說明的規(guī)定，溫度作用效應(yīng)的組合值系數(shù)應(yīng)為0.6，可變荷載的分項系數(shù)應(yīng)為1.5。

5結(jié)構(gòu)計算模型的確定

本工程采用有限元分析軟件YJK盈建科軟件1.9.0進行溫度效應(yīng)的分析計算。

YJK中溫度荷載的施加：為方便對后期結(jié)果的處理，直接將“應(yīng)力松弛系數(shù)”0.3乘以溫度作用于結(jié)構(gòu)。通過大量超長結(jié)構(gòu)分析結(jié)果及實際經(jīng)驗可知，降溫對結(jié)構(gòu)起控制作用，所以本次分析計算中，只考慮降溫工況。

6溫度作用效應(yīng)的計算分析與驗算

6.1混凝土板的溫度應(yīng)力分析與驗算

6.1.1混凝土板的溫度應(yīng)力分析

僅在降溫工況作用下，板底與板頂?shù)臏囟葢?yīng)力在數(shù)值與分布規(guī)律上都基本相同。尺寸較大的洞口處以及比較狹窄的連接板處，均出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且通過模擬看出板超長方向（X方向）溫度應(yīng)力絕大部分不大于0.7 MPa。

6.1.2混凝土板的配筋設(shè)計

鑒于結(jié)構(gòu)中溫度效應(yīng)的分布規(guī)律，為使頂板的配筋經(jīng)濟合理，絕大部分進行鋼筋統(tǒng)配，個別應(yīng)力集中的部位另行配置附加鋼筋。

6.2混凝土板的溫度應(yīng)力驗算

7結(jié)構(gòu)防裂措施

7.1材料要求

首先，采用中低熱硅酸鹽水泥；其次，粗骨料：粒徑不得超過兩個數(shù)值，一個為構(gòu)件截面最小尺寸的1/4，另一個為鋼筋最小凈間距的3/4，同時不宜大于31.5 mm；對混凝土實心板，粒徑不宜超過板厚的1/3；含泥量不應(yīng)大于1%，泥塊含量不應(yīng)大于0.5%；最后，細骨料：宜采用水洗中砂，細度模數(shù)不宜小于2.6。

7.2配筋及構(gòu)造要求

通過對在溫度作用下的計算分析，結(jié)合規(guī)范《超長混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，在設(shè)計中采取了以下構(gòu)造措施來減小因溫度變化而引起混凝土開裂。

7.2.1設(shè)置溫度后澆帶[2]

本工程設(shè)置貫通的溫度后澆帶，并在帶外采用補償收縮混凝土[3]。

7.2.2框架柱配筋要求

超長方向兩端各兩跨的框架柱的主筋與箍筋應(yīng)適當(dāng)加強。在結(jié)構(gòu)超長方向上，外梁兩側(cè)腰筋的間距宜定為150 mm，每側(cè)腰筋的截面面積不應(yīng)小于一個數(shù)值，即梁寬和梁腹板高度乘積的0.15%。

7.2.3板配筋要求

第一，板底和板頂支座單側(cè)配筋率均應(yīng)滿足：計算配筋率與0.25%（0.15%）較大值。

第二，板頂通長配筋率＞0.15%。

第三，大洞口影響范圍的板，板頂和板底單側(cè)配筋率均應(yīng)滿足：計算配筋率+0.25%。

7.2.4車庫擋土墻配筋要求

墻體單面水平通長鋼筋的配筋率有一定要求，即數(shù)值不小于0.2%。

7.3對混凝土施工及養(yǎng)護的要求

7.3.1混凝土的施工

（1）混凝土在工地或攪拌站進行配制時，要保證足量的膨脹劑的加入，即按混凝土配合比進行摻入。

（2）現(xiàn)場拌制混凝土的拌制時間要比普通混凝土長，具體增加時間可為30秒，以保證將膨脹劑、水泥、減水劑（泵送劑）拌和均勻。

（3）控制混凝土出罐溫度和澆灌溫度：

①現(xiàn)場搗拌時，在白天室外氣溫＞28℃時，砂、石堆場應(yīng)采取一定的遮陽措施，如遮陽棚。

②混凝土出罐溫度≤15℃，混凝土澆灌溫度≤15℃，宜早晚澆注混凝土。

③為減少混凝土泵送過程吸收太陽的輻射熱，在泵車水平輸送管上可以采取一定措施，如覆蓋一層草袋和經(jīng)常噴灑冷水，并且實施范圍為整個輸送管的長度。

④采用多臺泵車同時輸送，縮短混凝土澆灌時間。

（4）嚴(yán)格控制混凝土塌落度，塌落度控制在（180±20）mm。

（5）板模板在澆灌混凝土前要充分濕潤。

（6）板混凝土澆灌完畢后，要排除混凝土表面的泌水。

（7）為了防止混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生，板、側(cè)墻均可使用抗裂防水劑無收縮混凝土，樓板限制膨脹率2.0x10^-4，膨脹加強帶等填充部分限制膨脹率取2.5x10^-4。

7.3.2混凝土的拆模與養(yǎng)護

（1）混凝土拆模時間需進行控制，規(guī)定澆筑后16小時松開模板螺栓，24小時后拆模，吊起模板宜在一天中溫度較高的時候進行，以此防止剛拆模，混凝土受到溫度過大變化而產(chǎn)生過冷刺激。

（2）混凝土的澆水養(yǎng)護需加強，可采用長流水養(yǎng)護，方法為在墻體頂部中間設(shè)置帶細小孔洞的PVC塑料管。

（3）在混凝土澆灌結(jié)束后，頂板表面用木蟹抹平，后鋪上一層草袋，充分澆水養(yǎng)護。后澆帶合攏以后，施工單位應(yīng)做好保溫、遮蓋以及四周圍護措施。

8結(jié)論

超長混凝土的工程在建筑行業(yè)較常見，一旦設(shè)計和施工有問題，后期開裂將對工程的安全有著重大隱患，因此對設(shè)計人員以及施工工程師都提出了較高的要求。本文對結(jié)構(gòu)計算溫差取值進行確定，并對沈陽某小區(qū)進行工程分析模擬，針對超長混凝土開裂提出材料要求、配筋及構(gòu)造要求、施工及養(yǎng)護等建議要求。

參考文獻

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