超長混凝土空心板結構溫差收縮效應分析及設計實踐

肖勇+毛建國+李斌+李時海+張喜濱

【摘 要】本文分析了超長混凝土空心板結構混凝土收縮、徐變及溫差效應，以滬昆高鐵安順西站站前廣場為實例，提出了用預應力技術控制裂縫。給出了超長混凝土空心板結構收縮、徐變及溫差效應及預應力設計計算方法，對類似工程間接效應應力計算及裂縫控制設計具有一定參考價值。

【關鍵詞】超長結構；收縮；徐變；溫差效應；裂縫；緩粘結預應力

【Abstract】This paper analysed the shrinkage of concrete ，the creep of concrete and the temperature difference effect of the super-long concrete hollow slab structure with the station square of shanghai-kunming high-speed Anshun station as an example， the prestressed technology of control of cracks was provided. Therefore， This paper put forward a calculation method of the shrinkage of concrete， the creep of concrete and the temperature difference effect of the super-long concrete hollow slab structure， which has some reference value of similar projects and crack control design.

【Key words】Super-long concrete hollow slab；Temperature stress；Shrinkage；Creep；Retard-bonded prestressing steel strand

1. 引言

（1）由于建筑使用功能的要求，許多超長結構在設計時不設或少設伸縮縫。伸縮縫的間距也超過了《混凝土結構設計規范》GB50010-2010（以下簡稱“混凝土規范”）的限定值。這類結構如不采取有效的裂縫控制措施，將會導致構件開裂，嚴重影響建筑正常使用功能。因此，裂縫控制設計，是超長混凝土結構設計的重要方面。

（2）在正常使用條件下，混凝土裂縫主要是由混凝土自身收縮、徐變和環境溫度變化引起的收縮兩部分導致的。在超長混凝土結構設計時，最有效的方法是在混凝土構件上施工加預應力來抵消幾部分產生的拉應力，確保構件不出現有害裂縫。

（3）《混凝土規范》第5.7.1、5.7.2條條文說明指出：“大體積混凝土結構、超長混凝土結構等約束積累較大的超靜定結構，在間接作用下的裂縫問題比較突出，宜對結構進行間接作用效應分析。間接作用效應分析可采用彈塑性分析方法，也可采用簡化的彈性分析方法”。《混凝土規范》8.1.3條指出：“當伸縮縫間距增大較多時，尚應考慮溫度變化和混凝土收縮對結構的影響”。《混凝土規范》只給出了對溫度變化和混凝土收縮間接作用效應的有限元分析基本原則，但未給出定量的計算方法。因此，可參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTG D62-2004、《預應力混凝土結構設計規范》JGJ369-2016進行混凝土收縮、徐變及溫差效應的定量計算。

2. 工程概況

安順西站是滬昆高鐵線上重要一站，安順西站站前廣場為鋼筋混凝土框架結構，長222.6米，寬209.5米，建筑層數1層，屬于超長結構。該建筑結構因荷載較大，結構頂板采用現澆混凝土空心板結構，板厚500mm，每隔50m～60m設置后澆帶。考慮到結構頂板處于露天環境，同時后澆帶的設置只對混凝土前期收縮徐變較有利，對后期混凝土收縮徐變，尤其是對溫度效應的抵抗貢獻不大，故對該超長結構，采取必要的收縮應力控制措施是本工程結構設計的重要內容（安順西站站前廣場結構布置圖見圖1）。

3. 溫度應力計算

3.1 溫差效應分析。

從中國氣象科學數據共享服務網查詢得貴州安順1984-2014年30年間月平均最高氣溫為34.9℃，月平均最低氣溫為2.5℃。年均濕度為74%。按正常施工工藝及條件估計，后澆帶閉合期間日平均溫度為26℃。在升溫時期混凝土自身膨脹，對構件內力產生影響，但不會產生收縮裂縫，因此在分析時僅考慮降溫條件下的溫差。本設計只考慮正常使用期間的溫降效應。考慮溫降效應的溫差ΔT=T（0，max）-Tmin=26-2.5=23.5℃。【JGJT279-2012】

3.2 混凝土收縮分析。

混凝土收縮采用收縮當量溫差ΔT'來表示。混凝土采用C40。板厚500mm，板跨8.4m，空心模殼尺寸為600mm×600mm×300mm，一個板跨內有9個模殼，則一個板跨板截面面積為A=（500×8400-600×300×9）mm2 ；構件與大氣接觸的周邊長度 μ=8400×2mm。2A/ μ=307mm。收縮開始時的混凝土齡期假定為3d。60d后澆帶合攏。

參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTG D62-2004。

3.3 混凝土徐變分析。

混凝土的徐變對溫度收縮應力起到應力松馳效應，在很大程度上降低彈性溫度應力。由于結構遭受的年溫差及溫度收縮都是在相當長的時段中進行，須考慮徐變引起的應力松馳對收縮應力的影響。

4. 預應力設計

4.1 緩粘結預應力優勢。

（1）緩粘結預應力是繼有粘結預應力、無粘結預應力后的第三代預應力新技術，它結合了有粘結預應力力學性能良好、無粘結預應力施工簡便的優點，摒棄了二者的缺點。有粘結預應力施工工藝復雜，灌漿不易密實，經常存在空洞、富水、孔道塌陷的問題，鋼絞線后期容易受到腐蝕，會造成斷面虧損、應力降低，施工質量難以保證。無粘結預應力鋼絞線與混凝土之間沒有粘結，應力全部靠錨具承擔，如錨具失效，應力全部喪失。同時，無粘結預應力對于結構后期改造不利，在筋長范圍內，一旦某處受到破壞，預應力將全部喪失。緩粘結預應力規避了以上有粘預應力與無粘預應力的缺點，以其明顯的優勢得到越來越廣泛的應用。

（2）本工程考慮采用緩粘結預應力來控制結構收縮應力，提高結構使用性能。

4.2 緩粘結預應力設計。

（1）上文計算所得板收縮應力為3.09MPa（板截面圖見圖2）。

（2）預應力鋼絞線布置在肋內，選取800mm寬作為板單元配置預應力。本工程采用21.8mm規格緩粘結預應力鋼絞線，單根截面積為313mm，極限抗拉強度為1860MPa。張拉控制應力按0.75 考慮，預應力損失按0.2 考慮。則單根鋼絞線有效應力為：

800mm寬板單元截面面積為： 。單個肋內的配預應力筋根數為： 根，取2根。

即，每個200X600mm的肋內配置2根21.8 mm規格的緩粘結預應力鋼絞線（肋中緩粘結預應力配筋簡圖見圖3，21.8mm規格緩粘結預應力鋼絞線截面圖見圖4）。

（3）肋高是保證緩粘結預應力鋼絞線后期粘結錨固性能的重要指標，本工程所采用21.8mm規格緩粘結預應力鋼絞線肋高不低于1.8mm。根據現場實測，其與混凝土咬合粘結良好，肋槽清晰、明顯，高度大于1.8mm。緩凝粘合劑固化后，其與周圍混凝土將具有良好的錨結錨固性能（緩粘結預應力鋼絞線與周圍混凝粘結錨固狀態圖見圖5）。

5. 結語

大體積、超長結構溫差收縮效應計算是超長結構設計計算的重要內容。本文將收縮、徐變效應等效為溫差來計算收縮應力。通過定量計算得出本工程板溫差、收縮、徐變效應所產生的收縮應力。通過配置緩粘結預應力來抵抗收縮應力，控制裂縫。

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