超長混凝土結構溫度應力的計算與分析

劉成樂

(山西建苑建筑設計研究院，山西 太原 030006)

1 工程概況

本工程為地下2層，地上5層商業建筑，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，設計地震分組為第一組，抗震設防分類為乙類。上部結構采用框架—剪力墻結構，地基基礎采用筏板基礎。建筑物長約160 m，寬約70 m，高約25 m。由于建筑使用功能的要求，中部1/3區段設置為開敞的中庭，中庭兩側結合建筑樓電梯空間設置部分剪力墻。混凝土強度等級為C30，2層混凝土施工合模溫度為18℃，澆筑半年后到冬季。結構平面布置圖見圖1。

由于建筑物的長度和寬度已遠遠大于規范對框架—剪力墻結構伸縮縫最大間距的要求，方案初期，為減小溫度應力，盡量接近規范的要求，沿建筑物南北方向中庭兩側設置了兩道伸縮縫，導致了結構布置上的一些不合理因素:中部區段由于使用功能的要求無法設置剪力墻，且開洞較大，屬于樓板不連續超限建筑，且結構計算難以滿足規范對框架結構的位移限值要求;兩側結構由于剪力墻布置的不均勻性，結構扭轉偏大，抗震不利;對業主方面，使具有很大商業價值的部分空間由于結構雙柱的設置受到影響;其他方面，對防火分區的劃分、設備管線的穿越等造成不便。為此，在最終的施工圖設計過程中取消了伸縮縫的設置，按整體結構進行設計，結構計算參數很好地滿足了規范規定，只需對超長結構中的溫度應力控制進行專項探討。

2 超長樓蓋結構中的溫度應力計算

根據裂縫專家王鐵夢教授的研究，框架可能承受均勻的普遍的溫度收縮作用和局部溫差以及收縮作用，其中起主要作用的是普遍的均勻的溫差及收縮。整個框架的所有桿件在溫差及收縮作用下都將產生變形，豎向構件的垂直變形是自由的，不會引起內力，而水平構件的橫向變形受到豎向構件的約束，將在全框架內引起內應力。框架約束的程度與柱高的三次方成反比，因此，多層框架在均勻溫差、均勻收縮作用下，只考慮地面以上兩側框架，2層以上各層框架假定為自由變形，不受約束;頂層受太陽輻射熱作用引起的框架內力，計算時只考慮頂部2層框架，即假定基礎和地下室不變形，多層框架在溫度應力作用下可以按2層框架計算。

圖1 結構平面布置圖

根據山西省氣象資料提供的數據，太原市位于省境中央，東、西、北三面環山，中南部為河谷平原，整個地形北高南低呈簸箕形。屬北暖溫帶重半干旱氣候，氣候數據及建筑節能設計要求數據見表1。

表1 氣候數據及建筑節能設計要求

本工程樓蓋混凝土施工控制參數及溫度應力計算見表2。

表2 樓蓋混凝土施工控制參數及溫度應力

根據表1，表2分析，由于目前對節能設計的強制性要求及施工過程中合模溫度的控制，建筑物投入使用后，實際承受的溫度應力遠小于施工階段的溫度應力;施工過程中的冬季降溫對混凝土的收縮影響更大，大于混凝土材料的抗拉強度，框架結構的裂縫多數是由降溫及收縮引起的。采用減小混凝土早期收縮裂縫的措施對控制裂縫更為有效。一定程度上，需通過增加板厚、設置抵抗溫度應力的鋼筋等措施，減小或避免有害裂縫的產生。

3 溫度應力的控制措施

1)設置溫度后澆帶。釋放早期混凝土收縮應力，減小以收縮為主的變形。每隔40 m～50 m設置800 mm混凝土后澆帶，待兩側混凝土澆筑兩個月后采用高一個強度等級的微膨脹混凝土澆筑后澆帶。2)局部加強配筋。根據混凝土收縮的特征，溫度應力最大部位出現于結構中部，且由于中庭部分樓板開洞對樓板斷面的削減造成應力集中的現象在中庭周邊較大，故對中庭周邊樓板進行加強，加大板厚，并采用雙層雙向配筋進行處理。3)采用纖維混凝土。新的資料表明，混凝土結構中摻少量纖維，可以較好地改善混凝土早期收縮裂縫，以及增強混凝土的韌性和耐久性。4)加強施工控制。

4 結語

本工程主體結構現已施工完畢，已經歷從冬至夏最大的溫差作用。根據現有施工記錄和觀察，超長結構采取未設縫處理取得了預期的效果。另外，隨著科學技術的不斷發展，新材料、新工藝的不斷出現，將會對超長混凝土結構不設縫的應用產生更大的推動作用。