某超長混凝土結構溫差效應和開裂分析及措施

郝 麗 華

(山西省輕工設計院，山西 太原 030001)

某超長混凝土結構溫差效應和開裂分析及措施

郝 麗 華

(山西省輕工設計院，山西 太原 030001)

以太原某項目地下室為例，根據其具體工程概況，采用有限元方法對結構的溫度收縮進行了分析，得到了溫度應力分布規律，并針對不同部位采取了不同的裂縫控制措施，以有效解決溫差收縮帶來的不利影響。

超長建筑，溫差效應，溫度應力，裂縫控制

1 項目概況

太原某項目位于長治路，總建筑面積約10萬m2。整個項目兩棟高層，21層辦公樓，16層旅店及5層的框架多層商場建筑組成。3個單體共同坐落在一個長方形的整體地下室上。地下室長×寬約為166 m×63 m,位于中部的5層辦公樓長約99.5 m,寬30 m?！俄乓帯返?.1.1條規定結構伸縮縫最大間距55 m。而本工程地上結構因考慮建筑立面效果，未設置溫度伸縮縫，因此在設計時要考慮溫差效應對超長建筑的影響。整棟建筑地下3層，地下3層為人防儲備物資庫，地下2層為車庫，地下1層為試驗用房,地上5層為多層辦公，建筑總高26.8 m，1層層高6 m，其余各層層高均為5.2 m。此辦公樓的結構形式為帶少量剪力墻的框架結構,柱網8.4 m×8.4 m,建筑南側沿軸層層懸挑4.2 m,北側中間部位置設一局部二層17.2 m×17.2 m的宴會廳。底層框架柱截面為1.0 m×1.0 m，混凝土強度等級為C40;辦公樓東西兩端框柱間布置少量剪力墻(此剪力墻只為計算滿足位移用)，底層剪力墻厚度0.3 m，混凝土強度等級同本層框架柱。樓板和屋面板采用現澆樓板結構，混凝土強度等級為C30，典型框架梁截面450×700；地下3層頂板厚度200 mm，地下2層頂板厚150 mm,地下1層頂板厚度180 mm，室外覆土區域為200 mm，其他樓層典型板厚為120 mm；屋面層板厚150 mm。

由于結構的平面長度超長，并且在結構布置上，建筑兩端存在少量剪力墻肢，對樓板有水平約束，水平溫差產生的效應比較大。設計時，一方面考慮樓板在負溫差下強度及裂縫；另一方面，考慮端部的剪力墻及框架柱相應地受到水平剪力。由于建筑超長，溫差效應作用明顯。

2 溫度收縮分析

2.1 季節溫差

太原市最高氣溫40 ℃左右,最低氣溫-20 ℃,施工時合龍溫度為10 ℃。對不考慮空調使用時，非屋面層溫度變動范圍可以取-20 ℃～40 ℃；考慮空調使用時，可以取空調工作溫度18 ℃～26 ℃。結構計算時考慮整體結構升溫40-10=30 ℃，降溫10-(-20)=30 ℃。

2.2 混凝土收縮當量溫差

混凝土收縮應變與混凝土齡期密切相關，如要求180 d以后封閉后澆帶，則混凝土收縮當量溫差為-6 ℃；如要求90 d以后封閉后澆帶，則混凝土收縮當量溫差為-16 ℃。在建筑物中部設置1.5 m寬的膨脹帶等措施，以減少此收縮的影響。

2.3 徐變應力松弛折減系數

由于混凝土徐變的存在，結構中實際應力會遠遠小于彈性分析的結果。

2.4 溫差效應的計算方法

在進行溫差效應的設計過程中，考慮混凝土徐變造成的應力松弛及構件上的微裂縫形成的混凝土剛度折減。

3 溫差效應計算結果分析

結構整體呈收縮狀態;越靠近支座的樓層,樓面應力值越大;首層邊跨的框架梁、柱產生的彎矩、剪力增大；將樓板按彈性模計算，根據每層的計算結果分析比較，越靠近基礎的樓層，受到基礎的約束越強，地下室頂板受到地下室外墻的約束，應力大，第二層樓板由于幾部扶梯開洞，且層高高，應力小，第三層樓板連續，層高小，應力也大，從第四層開始應力顯著下降，溫差效應減弱。

4 針對各因素所采取的控制措施

通過PMSAP，ETABS等軟件在計算溫差時考慮以上各種因素的影響以及在施工中采取控制措施。1)考慮混凝土徐變。由于混凝土的徐變，其應力松弛折減系數k取值范圍大致在0.2～0.33之間。計算溫度收縮效應，文獻[4]的建議值為0.3。2)考慮季節溫差。根據太原地區溫度資料，在施工中合理對終凝溫度進行控制。3)考慮混凝土收縮當量溫差?；炷潦湛s當量溫差的控制因素在于后澆帶的閉合時間。盡可能延長后澆帶閉合時間，使其收縮應變盡可能多地完成。4)考慮混凝土構件的剛度折減系數。此系數一般取0.85，更嚴格一些可取0.9或0.95。

5 裂縫控制措施

超長結構易開裂，主要原因是變形作用引起的，其中溫度變化又是主要因素。空氣中的溫度、太陽的熱輻射使得其結構或構件變形(最普遍的熱脹冷縮現象)，產生約束，引起應力。與此同時，風速又加聚混凝土水分的蒸發，當混凝土的變形超過了極限拉伸，結構混凝土自然開裂。

結構的長度是影響溫度應力的因素。結構設計時采用后澆帶，在施工中先澆筑后澆帶兩側構件，然后再用高一級混凝土澆筑后澆帶，使之成為一體，意在先讓后澆帶兩側混凝土自由伸縮，后澆帶處的混凝土因溫差和收縮應力疊加值小于混凝土抗拉強度，達到控制裂縫的目的，可不設置永久伸縮縫。

針對超長結構，控制裂縫的具體措施如下：

1)多高層建筑結構的筏片基礎，在滿足承載力和防水要求的條件下，盡量選取混凝土強度等級低的，以降低水化熱。2)地下室鋼筋混凝土墻體采取的措施：a.結合地上建筑的位置，每隔40 m左右設置后澆帶。采用摻膨脹劑的補償收縮混凝土澆筑。b.地下室外墻墻體的混凝土澆筑后要特別加強養護，混凝土澆灌后1 d～7 d內加強澆水養護，7 d～14 d仍須濕養護。墻體澆筑完后，應從頂部設水管噴淋，墻體帶模養護不少于7 d，拆模后繼續養護至少14 d。地下室周圍地坑應及時回填。3)樓板、梁、柱等采取措施：a.在梁跨1/3處即剪應力較小處設置后澆帶;b.普通樓板增加分布鋼筋的配筋率。屋面板考慮溫度影響設置雙層雙向通筋或樓板上部附加抗裂筋;c.對端部梁、墻、柱按照計算結果，增配鋼筋。沿外側邊梁的腰筋按受拉錨固和搭接長度考慮。增大邊抗扭能力;d.最外側邊梁不外露。4)剪力墻結構不宜超長。剪力墻的首層及屋頂層水平鋼筋，在加強部位的要求進行增配鋼筋，緩解應力集中。5)通長挑檐板，每隔12 m左右設置伸縮縫，縫寬10 mm,縫內填堵防水嵌縫油膏。當樓板挑出長度不小于1.5 m,應配置平行于上部縱向鋼筋的下部筋和分布筋，其直徑不小于8 mm。這些板的分布筋應適當加強。6)超長結構設置后澆帶，需在兩側混凝土澆筑完畢至少60 d之后方可澆筑，若整棟建筑從基礎至屋頂全部設后澆帶，施工周期必然延長。根據建筑實際情況有些可采用膨脹加強帶的做法，則在加強帶兩側混凝土澆筑完畢終凝前，采用大膨脹混凝土同時澆筑，可節省時間，不影響模板周轉，加快樓面施工進度。膨脹加強帶的做法寬度2 m,帶兩側鋪設密孔鐵絲網，用摻14%～15%UEA且強度等級比兩側高一級混凝土澆筑。此方法可連續澆筑100 m～150 m超長結構。加強帶的間距控制在40 m～60 m。

6 結語

對于這種常見的大面積地下室且兩個方向都很長，地下室外墻是鋼筋混凝土的；上部結構是單向超長的工程的分析，可以看到：

1)結構豎向受溫差效應小，平面上長向的端部剪力墻對樓板約束強，水平溫差產生的效應較大。要注意樓板在負溫差下產生的約束拉應力和端部剪力墻、框架柱受到的水平剪力。設計時應充分考慮并加以復核。2)改善溫度對建筑結構的影響采取的措施：繞開電梯及扶梯洞口布置兩條后澆帶；控制混凝土最大水灰比為0.55；高溫濕養；降低后澆帶終凝溫度，本工程一二層終凝溫度在10 ℃～15 ℃；延長后澆帶閉合時間至180 d。除對建筑物構件不同部位采取相應的措施，可以有效地解決溫差帶來的負效應；同時在施工方面，要求施工單位對一、二層施工提出針對性的施工措施，對各層混凝土材料的選用、配比、生產、運輸、泵送時間控制、現場振搗澆筑、支摸、拆摸、養護等工藝提出合理的施工組織設計，并要求組織專家會議對施工工藝進行論證。要求采取防護措施，如及早盡快將外圍填充墻砌筑完畢，防止風沙、日照引起混凝土表面裂縫。

[1] JGJ 3-2012，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] 徐培福，傅學怡，王翠坤.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3] 馮 麗，顧渭件.高層建筑超長結構無縫技術裂縫控制的建筑和結構技術[J].哈爾濱建筑大學學報，2002,35(2)：40-43.

[4] 王鐵夢.建筑物的裂縫控制[M].上海：上?？茖W技術出版社，1993.

[5] 王 麗.混凝土工程裂縫控制[J].山西建筑，2014，40(9)：111-112.

Temperature variation effect and cracking analysis and measures of the super-length concrete structure

HAO Li-hua

(Shanxi Light Industry Design Institute, Taiyuan 030001, China)

Taking one Taiyuan project basement as an example, according to its specific engineering conditions, the paper analyzes its structural temperature shrinkage by applying finite element method, obtains its temperature stress distribution law, adopts various cracking control measures, with a view to effectively solve temperature shrinkage defects.

super-length building, temperature variation effect, temperature stress, crack control

1009-6825(2014)31-0053-03

2014-08-26

郝麗華(1974- )，女，工程師，一級注冊結構師

TU375

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