基于裂縫控制的高層建筑成本分析

詹東杰

(吉林市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,吉林 吉林 132011)

1 概述

因住宅建筑功能需求，建筑不設(shè)縫平面尺寸已接近或超過了現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中伸縮縫最大間距。某些情況下，溫度作用在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了大量裂縫，嚴(yán)重影響了建筑的正常使用，需要進(jìn)行后期處理從而增加工期和成本。對于嚴(yán)寒地區(qū)越冬建造的建筑，溫差變化明顯，更應(yīng)加強(qiáng)對降溫產(chǎn)生裂縫的分析和控制。

2 裂縫控制和成本分析

2.1 工程案例介紹

本工程位于吉林省吉林市，建筑總建筑面積為10 754.39 m2，地下1層，地上18層，建筑高度52.5 m，結(jié)構(gòu)平面長度為53.2 m，寬度為12.3 m，樓電梯洞口間距12.6 m。剪力墻厚200 mm，梁高400 mm～480 mm，標(biāo)準(zhǔn)層板厚100 mm～120 mm。結(jié)構(gòu)平面見圖1。剪力墻混凝土強(qiáng)度等級為：首層C40，2層，3層C35，4層至屋面C30。梁板混凝土強(qiáng)度C30。設(shè)計(jì)使用年限為50 a，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，最高月平均氣溫32 ℃，最低月平均氣溫-31 ℃。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]伸縮縫最大間距為45 m，超出規(guī)范限值約為1.18倍，故對結(jié)構(gòu)溫度作用進(jìn)行補(bǔ)充分析。

2.2 溫度作用

考慮到施工工況影響，溫度計(jì)算時，可按未封閉混凝土后澆帶施工階段、后澆帶封閉至竣工交付階段、投入使用三個階段。本項(xiàng)目設(shè)置后澆帶間距小于30 m，后澆帶封閉前結(jié)構(gòu)受溫度作用和混凝土收縮影響很小；在建筑投入使用后考慮到冬季地?zé)岵膳募究照{(diào)制冷因素，計(jì)算溫差小于施工階段。故將后澆帶封閉至竣工交付階段作為最不利工況，進(jìn)行溫度作用分析。

混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度降低將引起結(jié)構(gòu)的收縮變形，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時可造成混凝土結(jié)構(gòu)的開裂；同時混凝土材料自身收縮變形也不可忽略，工程上一般將混凝土自身收縮變形等效為當(dāng)量溫差，與環(huán)境溫差共同考慮。

依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[2]，溫度作用主要考慮兩種情況:1)當(dāng)量溫差；2)環(huán)境溫差。

環(huán)境溫差計(jì)算時，結(jié)構(gòu)合攏溫度5 ℃～10 ℃，非越冬建造時室外最低氣溫0 ℃，最高氣溫20 ℃，故降溫溫差為0 ℃-10 ℃=-10 ℃，升溫溫差20 ℃-5 ℃=15 ℃；越冬建造時室外最低氣溫-31 ℃，最高氣溫32 ℃，故降溫溫差為-31 ℃-10 ℃=-41 ℃，升溫溫差32 ℃-5 ℃=27 ℃。 溫差統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 計(jì)算溫差統(tǒng)計(jì)表 ℃

2.3 計(jì)算分析

采用Midas Gen分析模型進(jìn)行如下簡化：墻底假定為剛接；墻體樓板選用考慮平面外剛度的板單元；框架梁選用梁單元。材料參數(shù)按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范選取，僅考慮恒載、活載、施工工況及溫度作用。經(jīng)計(jì)算，最不利作用為降溫，其樓板拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示，越冬降溫結(jié)構(gòu)變形見圖2。

表2 各層樓板在降溫下的拉應(yīng)力值匯總表 MPa

計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)整體受降溫作用整體變形趨勢符合高層建筑溫度作用變形規(guī)律[4]。非越冬工況下，溫度變化計(jì)算值變化在5 ℃以內(nèi)，雖樓板長度為53.2 m，但受到樓電梯間洞口有利影響，溫度應(yīng)力在1.1 MPa以下，樓板溫度拉應(yīng)力未超過C30混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度；越冬建造工況下，因溫差變大劇增，溫度應(yīng)力明顯增大，主要受影響樓層為首層頂板，應(yīng)力集中區(qū)域主要體現(xiàn)在9軸至15軸交D軸處的兩道橫墻之間(見圖3)，樓板拉應(yīng)力范圍主要在2.4 MPa～3.2 MPa之間，首層頂板溫度拉應(yīng)力超過C30混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，其他層樓板溫度拉應(yīng)力未超過C30混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度[5]。由此可見，位于嚴(yán)寒地區(qū)的該建筑在越冬建造時溫度作用顯著。

2.4 樓板抗裂技術(shù)措施

樓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：對于非越冬建造工況，溫度應(yīng)力未超過混凝土材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，在充分利用材料強(qiáng)度下可滿足溫度應(yīng)力的抗拉強(qiáng)度要求，可通過設(shè)置后澆帶、控制混凝土坍落度、水灰比，以及加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)等常規(guī)防裂技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。越冬建造工況溫度應(yīng)力計(jì)算值高于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，在采取常規(guī)防裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，參考溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，采用專項(xiàng)技術(shù)措施。一般可采用補(bǔ)償收縮混凝土、鋼纖維混凝土或附加溫度鋼筋等措施，綜合考慮成本和施工工藝，本工程采用在樓板中配置雙層雙向鋼筋網(wǎng)片的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)位置為首層頂板，補(bǔ)強(qiáng)鋼筋為直徑10 mm，間距為200 mm的通長HRB400鋼筋網(wǎng)片。

2.5 成本分析

經(jīng)計(jì)算：非越冬建造工況單層樓板鋼筋含量3.96 t；越冬建造工況樓板鋼筋含量：首層頂板7.39 t，其他層3.96 t。與非越冬建造相比，越冬建造單項(xiàng)工程鋼筋含量增加7.39 t-3.96 t=3.43 t，本項(xiàng)目共含8個相近體型的高層住宅，項(xiàng)目鋼筋含量合計(jì)增加3.43×8=27.44 t。由2021年吉林市第七期建筑工程材料參考價格，該鋼材除稅價為5 210.93元/t，故項(xiàng)目的材料費(fèi)增加27.44×5 210.93=14.30萬元。按文獻(xiàn)[6]將材料費(fèi)換算為建筑成本，增加約28.60萬元。

3 結(jié)論

本文以超長高層建筑為基礎(chǔ)，計(jì)算建造過程中溫度作用影響，分析其造成成本增加情況，結(jié)論如下：

1)嚴(yán)寒地區(qū)大型超長住宅項(xiàng)目越冬建造會導(dǎo)致成本增加，可根據(jù)當(dāng)期市場需求情況采用總承包合同避免冬期施工，合理分配進(jìn)度分期施工；若受工期限制，也可招標(biāo)多個分包商，加快進(jìn)度共同施工，可節(jié)約成本并保證質(zhì)量。

2)區(qū)別于常規(guī)住宅項(xiàng)目，超長剪力墻結(jié)構(gòu)體系的住宅項(xiàng)目在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)綜合考慮溫度作用影響，在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，通過優(yōu)化超長方向剪力墻截面尺寸和增加剪力墻間距，從而減小該方向剛度，可減小溫度作用的影響，降低建筑成本。

3)擬建類似項(xiàng)目超長住宅不設(shè)縫、樓板不配置溫度鋼筋的條件：平面長度在規(guī)范限值1.18倍以內(nèi)，折算計(jì)算溫度不超過5 ℃，樓電梯間洞口間距不大于12.6 m。

4)擬建類似項(xiàng)目越冬建造時考慮溫度影響，材料費(fèi)增加可按首層頂板鋼筋量的1.87倍估算。