復雜建筑結構設計中存在的問題與處置措施

【摘 要】湖南某綜合樓工程空間變化多樣，結構超長，屬于平面、立面均不規則的較復雜的多層建筑。本文分析了該綜合樓結構設計中存在一些關鍵問題，提出利用超長無縫技術、緩粘結預應力技術、現澆混凝土空心樓蓋技術解決超長和大跨度問題，增強結構整體性和抗扭剛度，實現了較好的抗震性能，獲得了較好的經濟效益。

【關鍵詞】結構設計；主要問題；超長；大跨度；施工技術

1、工程概況

湖南某綜合性辦公樓，鋼筋混凝土框架－剪力墻結構。總建筑面積約為38500m2，其中地下面積約為11000m2，地上面積約為27500m2。建筑物長100m，寬55m，地下2層，地上5層，建筑總高度為22.2m。建筑空間多變：內部設有4個從地下1層至頂部的中庭，各功能用房圍繞中庭布置，最大限度地實現了建筑的直接通風采光，建筑中央區域1～4層為兩個2層高的特種大廳，跨度為23.4m×23.4m，1～2層門廳局部柱抽空，形成23.4m×15.6m的大空間。整個建筑物沉穩大氣、厚重質樸，與所在區域的空間特點及傳統風貌達到了很好的融合。

2、結構設計主要問題及處置技術措施

建筑結構安全等級為二級，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，場地類別為II類，抗震設防類別為丙類。地下1層頂板為上部結構的嵌固部位，地下2層抗震等級三級，其余層抗震等級二級。

2.1 超長無縫施工技術的設計應用

由于建筑平面布置和立面造型的要求，未設伸縮縫，而工程總長100m，遠超過《混凝土結構設計規范》GB50010-2010規定的框架－剪力墻結構伸縮縫最大間距45～55m的限制。采用傳統的后澆帶雖較為經濟，但施工周期長，還易留下滲水隱患等不利因素。鑒于本工程施工工期短等原因，采用超長無縫技術解決結構不設縫問題。

影響混凝土裂縫的原因是多方面的，主要涉及材料、施工和設計三大方面。對超長結構，通過對混凝土每種組成材料及其性能的控制，配套相應的施工措施，并采取必要的構造措施，可對結構的裂縫進行有效的控制。

2.1.1 混凝土原材料

選擇嚴格控制水泥、砂、石、泵送劑和摻合料的性能，以降低混凝土的水化熱，減少混凝土的收縮性。

（1）水泥 由于大體積混凝土厚度較大，水泥在水化過程中產生大量熱量，聚集在結構內部不容易散發，使混凝土內部溫度升高，因此在施工中選擇水化熱較低的水泥以及盡量減小單位水泥用量，有資料表明每減少單位用量10KG可降低溫度1℃。

（2）粗、細集料 盡可能采用粒徑較大的粗骨料，可相應減少水泥用量，降低混凝土水化熱，并防止混凝土干縮。

（3）混合料及外加劑 摻入的粉煤灰要符合細度、燒失量、需水量及三氧化硫含量等技術指標要求。粉煤灰不僅改善混凝土和易性，減小混凝土用水量，減小泌水和離析，提高混凝土強度，改變混凝土分子結構組織，增加混凝土密實度，同時代替部分水泥，降低了水泥用量，從而降低混凝土水化熱引起的溫度梯度，防止和減少溫度裂縫的產生。盡可能采用高效緩凝減水劑，一方面可延緩混凝土的凝結時間，它一方面可明顯延緩水泥水化熱釋放速度，凝結時間可延長8小時以上，推遲水化熱峰值出現，同時減少用水量，減小水泥用量，從而降低水化熱。為確保混凝土的抗裂、防滲效果，混凝土的限制膨脹率必須合理。 結合本工程主體結構混凝土強度等級、流水段的劃分和膨脹劑的性能等條件，經試驗驗證本工程膨脹劑的摻量宜為10.5％。

2.1.2 施工過程嚴格控制

施工是否規范對裂縫控制有著顯著的影響。要規范混凝土的配合比、澆筑、振搗、養護的施工技術要求，并對施工的全過程進行嚴格監控。

（1）避開熱天選擇較低溫季節澆筑混凝土，對現澆量小大的塊體，安排在下午3點以后或夜間澆筑；夏季采用低溫水或冰水拌制混凝土，對骨料噴冷水霧或冷氣進行預冷，或對骨料進行護蓋或設置遮陽裝置，降低混凝土拌和物溫度；摻加緩凝型減水劑，采取薄層澆灌，利用澆筑面散熱；在基礎內設通風和加強通風加速熱量散發；對混凝土用量大的原材料一一粗骨料采取兩次預冷，即在進拌和樓前，在料倉內吹冷風進行一次風冷，進拌和樓后，又在貯罐內進行一次風冷，使各級骨料溫度得到有效降低，拌和時，加冷制水摻片冰拌和，用以控制混凝土的澆筑溫度；在大體積混凝土內散布安裝冷卻水管，混凝土澆筑后即開始通冷卻水，用以控制大體積混凝土最高溫度，并使大體積混凝土提前達到穩定溫度。

（2）混凝土澆筑采用分層的澆注方案，分層厚度要適中，分步澆注到頂，簿層澆筑，先深后淺，連續澆筑，這種方法能較好適應泵送施工工藝要求，同時控制好上下層混凝土覆蓋時間，在下層混凝土未初凝時進行上層混凝土澆筑，以避免混凝土冷縫出現。混凝土振搗必須密實，在不同部位用5臺振動棒振搗，振搗棒快插慢拔，掌握正確振搗時間，做到不漏振不過振，提倡二次振搗。及時按標高刮平表面，用木抹子反復搓壓，使其表面密實，初凝前用木抹壓光，可以控制混凝土表面的龜裂，減少混凝土表面水分散失，促進混凝土養護。為防止混凝土在硬化過程中表面出現龜裂現象，要及時進行二次抹面，在初凝以后，終凝之前， 再用泥刀壓光平整，使少量終凝前出現的失水沉降等塑性收縮裂紋得到消除。

（3）主體結構均勻劃分為4個施工區段，混凝土按施工段依次澆筑。每段的混凝土均采用同一個混凝土配合比（即全部混凝土均為同一膨脹劑摻量的方案），段與段之間留施工縫。相鄰兩段的澆筑間隔3d，以釋放部分混凝土產生的溫度應力。施工縫是混凝土結構自防水的薄弱環節，需選擇性能好的鋼板止水帶。

（4）在表面施工完畢后，應加強對混凝土的保養，及時用塑料薄膜覆蓋混凝土表面，來封閉混凝土中多余拌和水，防止水分蒸發，以實現混凝土自身養護。終凝后覆蓋蓬布和草袋，蓬布和草袋的覆蓋層數應根據實測溫差情況及時進行增減，使混凝土內外溫差小于25℃。做好混凝土的保溫和保濕，目的是減少混凝土表面熱擴散，延長散熱時間，減少混凝土表面溫度梯度，防止表面裂縫，保證溫度緩慢升降，充分發揮混凝土徐變特性，降低溫度收縮應力，混凝土灑水養護不小于14天。

2.1.3 縱向鋼筋構造措施

對溫度應力影響較大的部位，應加強此部位的配筋，以提高混凝土的極限拉伸，增強結構的抗裂性能。如地下1層頂板、地上1層頂板及屋面板受溫度變化影響較大，樓板鋼筋沿平面長度方向盡量采用細而密、拉通的方式配筋，考慮到本工程平面不規則、樓板間存在弱連接、在地震作用下結構扭轉效應等不利因素，鋼筋層層拉通；由于長向結構構件都受到溫度應力的作用并受到混凝土硬化過程中收縮的影響，每個樓層不僅要提高框架主梁（包括基礎主梁）的腹板鋼筋配筋率，次梁也要提高，腰筋按直徑16mm、間距150mm配置；根據《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119-2003）第8.4.2條對采用膨脹劑墻體的設計要求，地下室外墻在±0.000至室外地坪下500mm范圍和地下2層頂板上下各500mm范圍內，墻體水平筋間距加密至100mm，并置于豎向筋的外側。

2.1.4 加強保溫隔熱措施

為減小建筑物受外界溫度變化的影響，在外墻干掛石材的內側噴硬泡聚氨酯保溫材料。外圍護墻選用具有較好保溫性能的陶粒空心砌塊。

2.2 增強結構抗扭剛度措施設計

工程建筑平面復雜，空間變化多樣，平、立面布置不規則，加之結構超長，結構的扭轉問題較突出。本工程雖屬多層建筑，鑒于其重要性，扭轉振型希望在第三振型出現，并滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）關于位移比和扭轉周期比的規定。設計采取以下結構措施：在角部、樓、電梯間、空調豎井等位置設置剪力墻并加大外邊緣框架梁的寬度和高度，以增大結構抗側剛度和抗扭剛度，減小地震作用下的扭轉效應；對弱連接樓板，鋼筋雙層雙向拉通，鋼筋在支座按抗拉錨固；弱連接樓板邊梁上下筋拉通，箍筋通長加密，以提高樓板平面內剛度和整體性。

2.3 緩粘結預應力技術的設計應用

特種大廳23.4m×23.4m跨的井字梁采用緩粘結預應力技術。緩粘結預應力技術是在有粘結預應力技術和無粘結預應力技術之后發展起來的一種新的預應力技術。采用此項技術，可在梁寬范圍內很方便地布置預應力筋，無須預留孔道，無須孔道灌漿，具有無粘結預應力技術施工方便的優點，與有粘結預應力技術相比，大大縮短了工期；利用填充在外包高強PE護套和預應力筋之間的緩凝膠粘劑，保證在鋼筋張拉后產生較強的粘結咬合力，并與預應力筋成為一體，通過波紋狀外表面的嵌固作用使預應力筋與混凝土間不能滑移，從而達到有粘結預應力的力學特性，有效控制裂縫寬度和跨中撓度，保證結構具有良好的延性和抗震性能。

預應力梁混凝土強度等級為C40，緩粘結預應力筋采用ΦS15.2，fptk=1860MPa的低松弛鋼絞線，與普通松弛鋼絞線相比，低松弛鋼絞線可減小預應力損失，提高有效應力，使預應力配筋數減少。大廳X向預應力框架梁截面尺寸為600mm×1200mm，端跨預應力筋為14根鋼絞線，中間跨為18根鋼絞線。Y向梁因與門廳框支梁組成連續梁，梁寬由600mm增至800mm，支座豎向加腋尺寸為1200mm×200mm，配22根鋼絞線。

預應力筋施工工藝：（1）緩粘結預應力筋采用兩端張拉；（2）預應力筋張拉控制應力為0.75fptk=0.75×1860=1395（MPa）；（3）張拉工藝：0→1.03σcon；（4）預應力筋張拉后，端部錨具應做防腐處理，并用加入微膨脹劑的水泥砂漿進行封堵。

緩粘結預應力施工中最關鍵的是預應力筋張拉時間和緩凝膠粘劑固化時間的確定。混凝土強度達到強度設計值時方可進行張拉，緩粘結膠粘劑要保證在張拉階段可自由滑動，兩年內完全固化。

2.4 設置吊桿減小大跨度梁高

大廳2層走廊邊梁最大跨度為11.4m，采取設置吊桿的處理方法可將梁高減至400mm。吊桿上下節點詳圖如圖1所示。該節點構造簡單，傳力明確，施工方便，較好地解決了大跨度梁的高度問題，爭取了更大的使用空間。

2.5 現澆混凝土空心樓蓋設計應用

部分大跨度板塊（如7.8（8.4）m×8.4m，6（7.2，8.4）m×11.6m等）采用現澆鋼筋混凝土空心樓蓋。它是按一定規則放置埋入式內模后，經現場澆筑混凝土而在樓板中形成空腔的樓蓋。本工程采用的內模為BDF空心薄壁箱體，主要起到規范成孔形狀的作用，不參與結構受力。現澆混凝土空心樓蓋根據混凝土結構受力原理，力求節約樓板截面中間受力較小區域內的混凝土，把現澆實心樓板整體性好與預制空心樓板自重輕、跨度大等優點結合到一起，克服傳統樓蓋體系的不足。主要具有以下特點：（1）樓面平整，有利于房間靈活隔斷，適合于大開間布置，空間開闊美觀；（2）樓蓋的封閉空腔，抑制了上下樓層的噪聲干擾，隔聲效果明顯，這種結構也減少了能量的傳遞，顯著提高了隔熱保溫性能，適應目前提倡的建設節約型社會、節約能源的要求；（3）樓面剛度大，變形小，抗震性能好；（4）節省了混凝土用量，也減輕了自重，有較好的經濟效益。

現澆混凝土空心樓蓋內力可依據《現澆混凝土空心樓蓋結構技術規程》（CECS175∶2004）計算：即對邊支承樓蓋結構的區格板可按不考慮空腔影響的彈性板進行內力計算，正、負彎矩之間的調幅不應超過20%。構造應滿足第6.1.2條、第6.1.4～6.1.8條及第6.2.1條、6.2.2條的規定。空心板構造如圖2所示。

混凝土澆筑應注意兩點：（1）抗浮問題，可利用鐵絲把板筋與模板體系緊密拉結在一起，以解決箱模抗浮問題，若解決不好，會造成局部樓板標高超高，影響后期裝修，還會造成空心箱模的大面積大量上浮，出現質量事故；（2）混凝土澆筑按照順序依次進行，并加強振搗，保證箱模底部混凝土的密實。

2.6 門廳入口長懸挑鋼結構雨篷設計

門廳入口主雨篷外挑6.2m，內挑1.8m，寬8.5m，篷面為鋼化夾膠玻璃，自室外地坪上高7.8m，其三維透視圖如圖3所示。采用STS計算，荷載標準值取值：永久荷載為0.7kN/m2，活荷載為0.5kN/m2，基本雪壓S0為0.40kN/m2，基本風壓W0為0.45kN/m2，因懸挑長度較大，8度設防地區懸挑長度超過2m應計算豎向地震作用和水平地震作用。由于建筑立面不允許雨篷設置斜拉桿，設計中利用“杠桿”平衡原理，在6.600m標高鋼梁GL和4.100m標高鋼筋混凝土框架梁KL間設置鋼立柱，較好地解決了長懸挑雨篷結構的抗傾覆問題。節點構造如圖4所示。

3、結語

本工程空間復雜多變，平面、立面布置均不規則而且結構超長，屬于較復雜的多層建筑。加之工程重要，設計周期短，如何在保證結構安全、滿足建筑使用功能和美學的前提下，做到技術先進、經濟合理，是結構工程師的工作之重。利用概念設計思想，通過合理布置剪力墻及其開洞位置和大小、加大邊框架梁寬度和高度、加強樓板弱連接部位的構造等措施，有效增強了結構的整體性和抗扭剛度，減小了地震作用下的扭轉效應。采用超長無縫、緩粘結預應力、現澆混凝土空心樓蓋技術，解決了建筑物超長和大跨度問題，縮短了建設周期，獲得了較好的經濟效益。

參考文獻：

[1]《混凝土結構設計規范》GB50010- 2010 [S].

[2]《混凝土外加劑應用技術規程》GB 50119-2003，[S].

[3]《高層建筑混凝土結構技術規范》JGJ3-2010 [S].

[4]李佩勛，尚仁杰，吳轉琴，等.緩粘結預應力筋：中國，ZL02240778.2[P].2003- 07-30.

[5]吳轉琴，尚仁杰，范蘊蘊，等.一種緩粘結預應力筋用膠粘劑：中國，ZL2005.1.013 2504.X[P].2007-03-04.

[6]趙洪升，李紅鋼.現澆空心樓蓋結構（空心箱模）施工工法[J].建筑結構.技術通訊，2007（1）.

[7]邱則有.現澆混凝土空心樓蓋[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[8]CECS 175：2004， 現澆混凝土空心樓蓋技術規程[S].