超長無縫鋼筋混凝土框架結構設計與分析

曹皓

（廣東南雅建筑工程設計有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，工程建設規模不斷擴大，結構形式日趨大型化、復雜化，質量要求也越來越嚴苛。人們對建筑物的造型及使用要求不斷提高。相比普通結構，超長無縫混凝土結構具有外立面美觀、保溫、水密性好、設備管線布置靈活等優點。但因超長帶來的挑戰也不小，比較突出的是結構長寬比較大及混凝土收縮、徐變、溫度作用顯著，如何解決這兩個難題，是超長無縫混凝土結構成功與否的關鍵。下面將結合具體工程案例來探討應對方案。

1 工程概況

汕頭國際海上風電培訓中心位于廣東省汕頭市。建筑占地面積8026.1m2，總建筑面積約20338.82m2；其中北側培訓綜合樓建面約13422m2，主體為鋼筋混凝土框架結構，基礎采用灌注樁。地上6 層，無地下室，建筑高度23.8m。

該單結構平面尺寸：2～4 層為128.5m×23.15（17.3）m，5 至屋面層為112m×17.3m。結構單元長度遠超規范限值，如果按規范要求設置伸縮縫會影響建筑物的美觀及使用功能，不設置伸縮縫又會因施工或使用階段的溫差作用使樓板產生過大的收縮裂縫。這些裂縫將直接影響樓板結構的使用功能，混凝土結構一旦出現裂縫就極難修復。而且超長的結構單元長度會導致結構的長寬比過大，地震波輸入的位相差而產生的不規則震動所引起的震害也必須引起注意。2 層結構平面如圖1 所示。

圖1 2 層結構平面

2 抗震分析

本工程場地土類型為中軟土，建筑場地類別為Ⅱ類，根據地勘報告揭露，自上至下（巖）土層分別為：素填土、細砂、淤泥、砂質黏性土、全（強）風化花崗巖、中風化花崗巖層。場地特征周期為0.55s?？拐鹪O防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度0.20g。

該項目首、二層層高分別為5.0m、4.1m，標準層層高為3.6m。典型柱截面：600mm×800mm、600mm×900mm、700mm×900mm，典型梁截面：400mm×700mm、400mm×600mm、350mm×700mm、300mm×700mm、300mm×600mm，混凝土強度等級如下：豎向構件為C30～C40，水平構件為C30。抗震設防類別為丙類，框架抗震等級為二級。因結構長寬比較大，為保證雙向抗側剛度接近，框架柱均采用長矩形布置（較大柱高沿Y 向布置），沿Y 向框架梁采用較大截面以加強該方向的豎向構件連接，增大Y 向抗側剛度。

該項目計算分析選用北京構力科技有限公司的PKPM 的SATWE 模塊，整體計算模型如圖2 所示，并利用北京筑信達工程咨詢有限公司的ETABS 軟件對比分析了結構的地震響應，驗算了底部剪力、周期、最大層間位移角等主要性能指標。底部剪力對比如表1 所示。周期對比如表2 所示。層間位移角對比如表3 所示。通過對比計算可知，該框架整體指標均能滿足規范要求，證明加強Y 向抗側剛度的整體思路是正確的，該項目主要采用以下3 種措施來提高結構的抗震性能。

表1 底部剪力對比

表2 周期對比

表3 層間位移角對比

圖2 結構整體計算模型

（1）布置長矩形框架柱以加大Y 向抗側剛度，經計算驗證兩個平動方向的周期接近，結構在兩個主軸方向的動力特性相近。

（2）Y 向框架采用強框梁連接（結合建筑布置采用單向板，以Y 向框架為主要豎向承重體系）。

（3）平面右側有兩層通高報告廳，結構跨度約17m，大跨框梁截面為500mm×1250mm，柱截面為800mm×800mm，大跨區域框架采用抗震性能設計，框架梁、柱均按中震抗剪彈性、抗彎不屈服進行復核加強。

3 溫度應力分析

由于本工程X 向長度達128.5m（5 至屋面層縮減至112m），將近規范最大間距55m[1]的2.4 倍。上部樓蓋在溫度作用下會產生變形，但因其受到豎向構件的約束，無法自由地膨脹或收縮，會在樓板產生約束應力并導致開裂。

3.1 確定綜合溫差

根據汕頭市的氣象資料分析，夏季平均氣溫約27℃，夏季最高氣溫約32℃，冬季平均氣溫約17℃，東季最低氣溫約13℃，年平均溫差約10℃。另混凝土在凝結硬化過程中，由于各種原因會出現體積縮小現象，其影響因素較為復雜，包括水灰比、材料、環境及養護條件等。混凝土收縮與溫降收縮類似，工程中常采用收縮當量溫度來近似處理?；炷潦湛s相對變形值的當量溫度計算[2]如式（1）和式（2）所示。

式中：TY（t）——齡期為t 時，混凝土收縮值當量溫度；α——混凝土的線膨脹系數，取1.0×10-5；εy（t）——齡期為t 時，混凝土收縮引起的相對變形值；——在標準試驗狀態下混凝土最終收縮的相對變形值，取4.0×10-4；M1，M2，…，M11——混凝土收縮變形不同條件影響修正系數。

根據計算，并結合考慮混凝土外加劑、后澆帶等有利作用，本工程收縮當量溫度近似取10℃，溫升作用下混凝土受壓，對混凝土作用不明顯，不會導致樓板開裂，故僅對溫降工況進行分析。綜合計算溫差為10℃（降溫溫差）+10℃（混凝土收縮當量溫差）=20℃，考慮到室內采用空調設備，在使用過程中年均溫差將更小，結合上述幾點，確定工程綜合計算溫差為18℃。

3.2 溫度應力分布

該項目選用北京構力科技有限公司的PKPM 的PMSAP 模塊進行溫降工況分析，需要注意的是在計算分析前，應將默認的剛性板屬性改為彈性膜或彈性板6，這兩種屬性板均可反應板的面內剛度，但彈性板6 還會考慮板的面外剛度[3]，會導致一部分豎向荷載通過樓板直接傳遞給框柱，和剛性板相比，梁的配筋會相應減小。該項目采用彈性板6，梁柱配筋按剛性板和彈性板6 進行包絡設計。2 層溫降工況下溫度應力分布如圖3所示。

圖3 2 層溫降工況下溫度應力分布（單位：kN/m2）

從應力分布圖可知，溫降工況下，溫度應力由兩端向中心變形，端部兩跨及中間區域應力較大，并在框架柱周邊及開洞區域出現應力集中，最大應力接近2.0MPa，該項目樓（屋）面板混凝土強度等級均為C30，拉應力峰值雖未超過混凝土抗拉強度標準值2.01MPa，但卻大于混凝土抗拉強度設計值1.43MPa。

4 防裂措施

結合上述分析數據，該項目主要采取以下措施進行加強。

4.1 結構加強措施

（1）合理選用混凝土強度等級，高強混凝土雖有利于減小截面尺寸。但過高的強度會導致混凝土收縮和溫度應力過大。對超長結構水平構件的混凝土強度等級建議不要超過C35，該項目水平構件均采用C30。

（2）板厚適當加厚，樓層板板厚不小于120mm，屋面板板厚不小于140mm。

（3）樓（屋）面板進行拉通配筋，并加大沿超長方向的貫通筋配筋率，標準層不小于0.2%，屋面層不小于0.25%（參考中國建筑西南設計研究院有限公司編著的《結構設計統一技術措施》確定）[4]。

（4）加強梁內貫通筋及腰筋，其搭接及錨固均應滿足受拉筋要求，腰筋與主筋及腰筋間距不大于200mm?？蚣芰毫喉斂缰性O置不小于兩根通長筋，該項目采用兩端支座筋直通，次梁梁頂跨中按照跨度選用不小于2根d14 的貫通筋，并與梁兩端支座按受拉搭接設計。

（5）應力較大區域板厚適當加厚，并按有限元分析結果配置抗拉鋼筋。

（6）在合理位置留設后澆帶，本工程在長度方向1/3位置留設了兩道后澆帶，盡量釋放混凝土的早期收縮變形。

4.2 施工加強措施

（1）混凝土中加入適當比例的粉煤灰摻合料以減少水泥用量，降低水化熱，本工程屋面混凝土要求摻入12%的粉煤灰。

（2）加入一定量的微膨脹劑，微膨脹劑大概能產生0.2MPa～0.7MPa 的預壓應力[5]，以較大膨脹應力補償部分溫差、干燥收縮應力，本工程屋面層混凝土摻入8%的SY-K 型膨脹纖維抗裂防水劑，后澆帶的摻量為12%。

（3）加強混凝土養護，保證合適的溫度和濕度，落實專人專責并適當延長拆模時間。

（4）控制混凝土入模溫度，盡量保證在較低溫度下入模，低溫下合攏。

5 結語

結構工程師在碰到超長結構不能設縫的情況下，應細致分析其可能帶來的不利影響，如抗震性能、溫差荷載等，根據汕頭國際海上風電培訓中心項目的計算分析結果，當結構單元長度過長時，可從結構布置入手消除其不利影響，該項目通過合理布置豎向構件很好地改善了結構的抗震性能。溫差荷載應結合環境溫差、混凝土收縮、徐變等綜合考慮，采用“抗”“放”結合的方式來控制結構裂縫的產生。并采取合適的施工和構造措施，有效防止混凝土的開裂。