某復雜商業綜合體超長結構溫度應力分析

張東聲

（成都惟尚建筑設計有限公司，四川成都 610000）

0 引言

隨著近年來復雜商業綜合體的建筑功能要求不斷提高，越來越多的項目建筑師提出建筑不設縫的要求，由此引出如何進行超長結構的溫度應力分析和設計越來越受到結構工程師的關注。目前對于溫度效應的計算和作用形式現行規范中尚未給出明確的規定，本文以某復雜商業綜合體項目超長結構為例采用允許應力法進行整體結構的溫度應力有限元分析，并根據分析結果提出相應的設計技術措施，為同類型的超長結構項目關于如何進行溫度應力分析和設計提供一定的項目經驗。

1 工程概況

本項目案例建筑地下1 層，地上6 層，建筑總高度38.95m，采用鋼筋混凝土框架結構，結構平面尺寸東西向最長260m，南北向最長110m，平面內有多個不規則中庭開洞，結構整體平面不設置結構縫，平面尺寸遠超出了《混凝土結構設計規范》[1]規定的伸縮縫最大間距的要求。標準柱網8.4m×8.4m，一層層高6m，標準層層高5.5m，因中庭、溜冰場、影院等部位建筑功能需要，形成部分不規則大跨柱網（跨度9~25m）。不同階段的溫度作用對該結構變形和內力影響較大，必須通過溫度作用下的結構應力分析和計算作為設計指導。

2 溫度作用

2.1 溫差計算

由于引起溫度變化的各種影響因素類型較多，比較復雜，不易對溫度作用進行準確定量的模擬。而對于超長混凝土結構出現裂縫的成因絕大部分是混凝土材料自身收縮變形以及外環境溫度作用造成的。混凝土收縮變形等效為當量溫差作用，結合外環境變化引起季節溫差作用，兩者對主體結構產生的不利影響是超長結構溫度應力分析的重點。

2.1.1 季節溫差

季節溫差指結構構件整體澆筑完成形成約束期間的溫度區間和建筑物后期施工和使用階段溫度區間的變化差值，主要由建筑物所在地氣候環境的變化導致。季節溫差計算公式如式（1）：

式中：TP，max，TP，min-建筑物使用周期中可能遇到的最高溫度和最低溫度；T0-主體結構整體澆筑完成形成約束時的溫度。

《建筑結構荷載規范》[2]規定“對于熱傳導速率較慢且體積較大的混凝土及砌體結構，結構溫度接近當地月平均氣溫，可直接采用月平均最高氣溫和月平均最低氣溫作為基本氣溫”，本工程按照《荷載規范》規定取所在地的月平均最低氣溫Tmin=0℃，月平均最高氣溫Tmax=38℃。

本工程在施工時期采取設置溫度后澆帶的方法將結構分成幾個部分，在后澆帶封閉之前不屬于超長結構，因此在后澆帶封閉之前不考慮施工階段的溫度作用對結構的影響。后澆帶封閉之后至工程投入使用過程中的各個階段，主體結構形成整體約束的溫度一般可取后澆帶整體封閉的月平均氣溫，本工程選取的后澆帶封閉時的平均氣溫為20℃。考慮到建筑后期使用期間主要結構構件均在室內環境下，同時建筑外墻的保溫裝飾材料可以起到一定的保護作用，并且本項目作為大型商業建筑均安裝了中央空調，也能起到一定的溫度調節作用。因此選取后期使用階段的溫度變化范圍為15~26℃。

綜合上述各項因素取最不利季節溫差為升溫23℃，降溫20℃。

2.1.2 混凝土收縮當量溫差

混凝土材料的收縮主要是澆筑后混凝土中的水分蒸發引起體積收縮造成的，混凝土的收縮變形在構件約束下使內部產生收縮拉應力，拉應力超過材料標準抗拉強度則會形成收縮裂縫，因此必須考慮混凝土收縮對結構的不利影響。工程設計時一般對混凝土收縮的影響進行等效溫度作用考慮，用等效溫度作用荷載來模擬混凝土收縮引起的變形，等效溫度荷載的變化幅值稱為混凝土收縮的當量溫差。

根據文獻[3]的研究成果，混凝土任意時間收縮計算公式如式（2）：

式中：εy（t）-任意時間的收縮；t-時間，以天為單位；M1M2…Mn-考慮各種非標準條件的修正系數，其與工程平面尺寸和混凝土強度等級及樓板厚度相關，需根據混凝土材料組成成分、初期養護時間、使用環境濕度、混凝土振搗養護方式、不同模量比和配筋率比值等因素綜合取值，本工程取值為1.16。

混凝土材料收縮當量溫差計算公式如式（3）所示，α 線膨脹系數=1×10-5/℃（混凝土）：

本工程注意考查混凝土構件澆筑到結構后澆帶整體封閉完成階段的溫度作用不利影響，將此階段作為溫度作用影響最不利階段進行分析，此階段施工時間按90d 考慮，則換算的收縮當量溫差為15.1℃。

2.2 徐變對溫度作用的影響

混凝土結構在內應力作用下，除瞬時彈性變形外，其變形值隨時間的延長而增加的現象稱為徐變變形。由于徐變變形的存在，混凝土結構構件的約束內力會隨著時間的增長而逐步減少，這種現象稱為應力松弛。在進行超長結構溫度作用分析時，必須考慮建筑物施工和使用周期中混凝土徐變引起的應力松弛。為便于計算，程序中仍按各項同性彈性體假定考慮材料，同時根據徐變的緩慢程度通過引入松弛系數對溫度作用分析應力結果進行修正。松弛系數[3]可取為0.3~0.5，本工程取0.3。

3 溫度影響分析

本文采用有限元軟件對該工程結構進行溫度應力分析，分析程序中采用各向同性的線彈性材料假定。分析結果顯示，溫度作用下整體結構變形明顯，結構水平變形量二層最大，往上逐層減小，四層以上水平變形幾乎為零。主要原因是隨著樓層高度增加，結構抗側剛度減小，構件受到的約束也越小，溫度作用的影響明顯降低。從應力分析結果可以看出，水平構件拉應力數值呈現出平面中間大，往兩端逐漸減少的規律，同時在約束條件較好的柱頂出現了明顯的應力集中現象。樓板應力在二、三層較大（二層樓板應力圖如圖1 所示），隨著約束作用減小，四層及以上樓層樓板應力逐漸降低。下部應力較大樓層部分區域應力值達到了2.8MPa，超過了混凝土抗拉強度標準，如不采取有效措施，將影響結構的正常使用。

圖1 二層樓面溫度應力分布

4 應對措施

（1）每隔30~50m 設置溫度后澆帶，全部后澆帶封閉時間應控制在主體結構混凝土澆筑完成90d 以后進行；采用微膨脹混凝土進行后澆帶封閉，其強度等級比兩側提高一級；嚴格控制后澆帶封閉時的氣溫不得超過20℃，同時嚴格按設計要求控制主體結構混凝土的入模溫度；后澆帶范圍內的梁構件縱向鋼筋貫通，板構件縱筋斷開采用搭接連接。

（2）根據溫度應力分析結果對構件相應位置增設溫度鋼筋，應力結果不滿足要求的樓層樓板頂部鋼筋50%拉通布置，通長鋼筋的間距在200mm 以內；加強框架梁兩側構造配筋，要求其腰筋面積不小于腹板截面積的0.2%，鋼筋錨固措施按受拉鋼筋采用。

（3）盡量選用低水化熱的水泥品種，采用低坍落度的干硬混凝土，控制骨料含泥量；使用粉煤灰摻合料與外加劑，嚴格控制水灰比在0.55 以內；控制級配骨料中的中、粗砂的細度模數在2.7~2.9；控制混凝土含砂率在38%以內。

（4）嚴格要求混凝土澆筑和養護施工措施，采取有效措施控制混凝土構件內外溫度差和混凝土澆筑的入模溫度；加強混凝土的各項養護措施，如要求淋水養護不少于10d，及時覆蓋物進行保溫保濕等。

5 結論

本文通過總結在實際項目案例中進行的超長復雜結構溫度應力數值分析結果和采取的有效措施，在滿足超長結構建筑功能要求不設縫的同時，保證了結構的安全，為同類型項目的設計提供了實踐經驗。