國內某航站樓超長結構整體溫差計算分析

李 鵬

(湖南省建筑設計院有限公司，湖南 長沙 410011)

0 引言

國內某機場航站樓,地下兩層,地上為到達層和出發層,采用超長框架結構方案,結構單體最大長度達378 m,大幅超過現行國家規范所規定的設置伸縮縫的最大間距。結構在溫度收縮作用下有可能產生過大的約束變形,導致混凝土梁板、柱及裝修構件的開裂破壞等嚴重后果。因此,機場新航站樓自施工至使用生命全過程的各樓層的整體溫差取值進行精細分析。分析各影響因素對整體溫差的影響規律,并據此提出降低溫差的設計、施工建議。對施工階段、使用階段的結構進行溫度收縮作用效應的計算,并對計算結果進行分析。

1 整體溫差的影響因素分析

1.1 自然環境

結構構件施工階段所經歷的溫度變化等于實際變化的氣溫與構件合攏溫度的差值。

溫差計算采用工程所在地區的氣象統計資料較為適宜。本工程采用當地1971年—2000年氣象統計資料[1],如表1所示。

表1 氣象統計(1971年—2000年)

1.2 土體的保溫隔熱效應

地下結構所處的周圍土體具有保溫隔熱效應,地下室主體結構施工完畢后,周圍土體應盡早回填,以降低地下結構的溫度收縮作用效應。地下室周圍土體回填后,可將地下室環境溫度在室外環境溫度的基礎上予以調整,為簡化計算,對夏季最高環境溫度折減10 ℃，冬季最低環境溫度增加5 ℃[2]。

1.3 圍護結構的保溫隔熱效應

由于外圍護結構具有保溫隔熱作用,可降低結構的溫度收縮作用效應,因此,主體結構完工后,宜立即進行圍護結構的安裝,圍護結構安裝完畢后,主體結構處于室內環境,可將室內環境溫度在室外環境溫度的基礎上予以調整,夏季最高環境溫度折減5 ℃；冬季最低環境溫度增加5 ℃。

1.4 混凝土的收縮、徐變時隨性能

1)收縮。計算混凝土結構溫度收縮作用效應時需考慮混凝土的收縮時隨特性,根據文獻[3]的相關規定計算各個齡期混凝土的收縮變形,并將其等效成溫差。

εsh,∞=780γcpγλγhγsγψγcγα，其中，γcp為初始養護條件的校正系數,考慮3 d潮濕養護,取值為1.1；γλ為環境相對濕度校正系數,γλ=1.4-0.010×80=0.6；γh為平均厚度校正系數,平均厚度取為樓板厚度250 mm；γh=1.17-0.001 14×250=0.885；γs為坍落度校正系數,坍落度取值為180 mm；γs=0.89+0.001 61×180=1.179 8；γψ為細骨料含量校正系數,令ψ=30%<50%,γψ=0.30+0.014×30=0.72；γc為水泥含量校正系數,水泥含量為400 kg/m3，γc=0.75+0.000 61×400=0.994；γα為空氣含量校正系數,空氣含量，%,不摻外加劑的混凝土,當骨料最大粒徑為20 mm時,可取2%;40 mm時可取1%;80 mm和150 mm時可忽略不計,根據該工程可能采取的混凝土配合比情況,暫假定α=3%，γα=0.95+0.008×3=0.974。

εsh,∞=780×10-6×γcpγλγhγsγφγcγα=780×10-6×1.1×0.6×0.885×1.179 8×0.72×0.994×0.974=374.68×10-6。

2)混凝土的徐變。混凝土徐變是隨時間而增加的沿應力方向的應變,其大小與作用的應力大小成正比。同時混凝土徐變還與構件加載時混凝土齡期、尺寸效應、所處環境相對濕度等因素有關。

根據文獻[4],混凝土前期徐變速率較快,徐變效應是一個長期過程,且構件彈性應力、應變隨時間不斷變化。

混凝土的徐變與約束應變同向,混凝土徐變將導致結構約束應力、約束應變不斷減小,國內外有關研究表明,徐變可削減應力峰值達50%～80%,降低約束應變達20%～40%。根據文獻[4],考慮徐變對溫度收縮作用效應的折減效應,取折減系數為0.7[5-6]。

1.5 后澆帶的設置

合理設置后澆帶,確定出各層后澆帶的最佳封閉時間。綜合考慮了結構整體施工進度安排、環境溫差、土體保溫效應、混凝土的收縮變形等因素,進行了施工及使用過程中的正、負溫差取值的計算。經試算得知,后澆帶宜在各樓層混凝土工程施工結束后1個半月時封閉,對應的混凝土早期收縮持續時間為45 d。

2 整體溫差的確定[7]

由于季節變化、太陽輻射等造成的結構溫差可以分為兩類:一類是局部溫差——外表構件自身內外表面的溫差;另一類是整體溫差——構件中面所經歷的溫差。局部溫差一般可通過施工覆蓋措施予以降低,且影響較小。建筑從施工到使用,結構構件所經歷的整體溫差影響較大,特別是負溫差,影響混凝土結構開裂,需要進行分析。

2.1 收縮溫差計算

收縮溫差根據后澆帶合攏后的收縮變形差來計算,后澆帶合攏天數取45 d,第一個月(30 d)尚未合攏,不計入收縮等效溫差:

第二個月(60 d)收縮等效溫差:

第三個月(90 d)收縮等效溫差:

第四個月(120 d)收縮等效溫差:

第五個月(150 d)收縮等效溫差:

如此類推,可以計算得出各個階段收縮等效溫差如表2所示。

表2 各階段收縮等效溫差

2.2 總溫差計算

從地下室-2層結構開始施工直至投入使用,施工時間約為12個月,每個月各層樓板的溫差可以如下計算所得:

各層負溫差=經歷月最低氣溫-合攏溫度(后澆帶封閉當月平均氣溫);

各層總溫差=各層負溫差-收縮等效溫差。

考慮混凝土的徐變的折減效應,收縮等效溫差應乘以折減系數0.7。

各個施工階段的總溫差計算如下所示:

1)結構施工地下2層(2月)。

2)結構施工地下1層(3月)。

3)結構施工到達層(含夾層)(4月):4月中旬地下2層后澆帶合攏,地下室周圍土體回填,溫差計算如表3所示。

表3 第3)階段溫差計算表

4)結構施工出發層(5月):5月中旬地下1層后澆帶封閉,溫差計算如表4所示。

表4 第4)階段溫差計算表

5)裝修階段(6月):6月中旬到達層后澆帶封閉,溫差計算如表5所示。

表5 第5)階段溫差計算表

6)裝修階段(7月):7月中旬出發層后澆帶封閉,溫差計算如表6所示。

表6 第6)階段溫差計算表

7)裝修階段(8月),溫差計算如表7所示。

表7 第7)階段溫差計算表

8)裝修階段(9月),溫差計算如表8所示。

表8 第8)階段溫差計算表

9)內部設備安裝階段(10月):外圍護結構安裝完畢,室內溫度高出室外5 ℃,溫差計算如表9所示。

表9 第9)階段溫差計算表

10)設備安裝階段(11月):鑒于施工過程已經結束,機場航站樓良好的保溫措施,室內溫度高于室外環境溫度,取室內最低溫度為10 ℃。溫差計算如表10所示。

表10 第10)階段溫差計算表

11)設備安裝階段(12月):鑒于施工過程已經結束,機場航站樓良好的保溫措施,室內溫度高于室外環境溫度,取室內最低溫度為10 ℃。溫差計算如表11所示。

12)使用階段:建筑物裝修完畢,投入使用后,由于所處環境條件不同,各結構構件的使用溫度亦不同,可據下述方法確定[7]:

室內構件:有空調采暖:夏季25 ℃,冬季15 ℃,室內構件所經歷的最大負溫差=15 ℃-合攏溫度-收縮等效溫差,溫差計算如表12所示。

表12 第12)階段溫差計算表

綜上,可確定結構各階段的各層最不利負溫差,如表13所示。

表13 各層最不利正、負整體溫差

3 結論

通過各個階段的溫度計算可以看出:

1)地下室外土體對地下室有保溫作用,為減小地下室結構溫差,地下室外墻應及時回填。

2)外圍護結構對到達層和出發層有較好保溫作用,應盡快完成圍護結構。

3)合攏溫度對溫差影響較為明顯,為減小負溫差,建議選擇氣溫較低時澆筑后澆帶。

4)收縮和徐變產生的等效溫差也是影響總溫差的重要因素,應充分利用后澆帶,減少收縮產生的等效負溫差。

總之,為減小總的負溫差,應合理安排項目工期及進度,特別是后澆帶的封閉時機。