某超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

郭 維 維

(晉城市建筑設(shè)計(jì)院，山西 晉城 048000)

某超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

郭 維 維

(晉城市建筑設(shè)計(jì)院，山西 晉城 048000)

結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn),對(duì)某超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系的主要問(wèn)題進(jìn)行了分析,通過(guò)建立溫度場(chǎng),計(jì)算了結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和設(shè)計(jì)方法，并提出了應(yīng)該注意的設(shè)計(jì)問(wèn)題和相應(yīng)的措施，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu),溫度應(yīng)力,剪力墻,樓板

1 工程概況

擬建建筑位于山西省晉城市，總建筑面積約10.1萬(wàn)m2。各區(qū)單體平面關(guān)系如圖1所示,整體效果圖如圖2所示。

A區(qū)為美食中心，B區(qū)為農(nóng)產(chǎn)品交易中心，C區(qū)為商業(yè)綜合體。D區(qū)為綜合寫(xiě)字樓，D′區(qū)為綜合寫(xiě)字樓的裙房。

A,B,C三個(gè)區(qū)在標(biāo)高5.500 m連成整體，標(biāo)高5.500 m以上脫開(kāi)，形成大底盤(pán)多塔結(jié)構(gòu)。建筑物地下部分的最大軸線尺寸約113 m×223 m。地面以上部分一層的最大軸線尺寸約為107 m×210 m。

各結(jié)構(gòu)單體的建筑層數(shù)、使用功能等信息見(jiàn)表1。

表1 各結(jié)構(gòu)單體的建筑層數(shù)、使用功能表

2 結(jié)構(gòu)體系的主要問(wèn)題

由于結(jié)構(gòu)的南北向的長(zhǎng)度超常，混凝土結(jié)構(gòu)的溫度影響成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題：

本工程中建筑物地下部分的最大軸線尺寸約為113 m×223 m。地面以上部分的最大軸線尺寸約為107 m×210 m。遠(yuǎn)超過(guò)表中數(shù)值。故溫度應(yīng)力問(wèn)題成為本工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

3 溫度場(chǎng)的建立

溫度應(yīng)力應(yīng)重視概念設(shè)計(jì)，由于建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的溫度變化主要是均勻的普遍溫差作用，所以目前的溫度應(yīng)力計(jì)算中，只考慮構(gòu)件內(nèi)外溫差的平均值比構(gòu)件原始溫度高(低)時(shí)造成的伸長(zhǎng)(縮短)效應(yīng)。

建筑結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的初始溫度，溫度場(chǎng)建立的溫度即建筑結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的初始溫度，主要是指以下兩種狀態(tài)：

1)施工階段：主體結(jié)構(gòu)完成后，未作內(nèi)外裝修和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)全部處于通透狀態(tài)時(shí)的溫差造成的內(nèi)力，屬于施工階段。

2)正常使用階段：外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工，室內(nèi)不安裝空調(diào)而處于自然通風(fēng)狀態(tài)時(shí)的溫差造成的內(nèi)力；或外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工，室內(nèi)安裝空調(diào)恒溫狀態(tài)時(shí)的溫差造成的內(nèi)力。

建筑結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的初始溫度一般取混凝土形成整體時(shí)的溫度(如后澆帶封帶后的月平均溫度)，是一個(gè)溫度區(qū)間的等效溫度(即后澆帶混凝土在強(qiáng)度形成過(guò)程中的等效溫度)。

結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的初始溫度取結(jié)構(gòu)后澆帶封帶溫度為15 ℃～20 ℃。

地下室按上部結(jié)構(gòu)溫差的1/2計(jì)算。

4 溫度應(yīng)力的計(jì)算模型

1)溫度對(duì)構(gòu)件的影響是不均勻的，但現(xiàn)有程序在溫度應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程中，假定建筑結(jié)構(gòu)處在一個(gè)均勻的溫度場(chǎng)中，建筑結(jié)構(gòu)中的所有構(gòu)件同時(shí)處在同樣的升溫或降溫的環(huán)境中，這種均勻膨脹或收縮的溫度作用模式，比較適合于鋼結(jié)構(gòu)，而對(duì)實(shí)心混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算的溫度應(yīng)力偏大。

2)溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用彈性樓板模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意對(duì)平面縱向端部框架柱柱端內(nèi)力和配筋的檢查，注意對(duì)平面端部橫向剪力墻的核查。

3)目前，程序按線彈性理論計(jì)算結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)。由于溫度內(nèi)力來(lái)源于溫差變形受到約束，因變形受到約束產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則應(yīng)當(dāng)考慮到徐變應(yīng)力松弛特性的非線性因素，實(shí)際的溫度應(yīng)力將小于按彈性計(jì)算的結(jié)果，實(shí)際工程計(jì)算中一般取徐變應(yīng)力松弛系數(shù)0.3對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行折減。但對(duì)鋼結(jié)構(gòu)可不考慮此項(xiàng)折減。

4)在溫度荷載作用下，還須考慮構(gòu)件界面裂縫的影響，因此，應(yīng)對(duì)梁柱混凝土構(gòu)件界面彈性剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)取為0.85。依據(jù)《荷載規(guī)范》的規(guī)定，溫度作用按可變荷載考慮，其組合值系數(shù)取0.6，頻域值系數(shù)取0.5，準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.4。工程溫度、溫差取值見(jiàn)表2。

表2 工程溫度、溫差取值

本工程采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，利用電梯間、樓梯間等豎向交通核布置剪力墻。建筑平面布置中，樓梯間，電梯間布局如圖3所示。考慮溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響與結(jié)構(gòu)在溫度場(chǎng)中的位置密切相關(guān)，建筑物周邊的結(jié)構(gòu)受環(huán)境溫度的影響較為明顯，在建筑物內(nèi)部離建筑物周邊越遠(yuǎn)，則結(jié)構(gòu)溫度改變的幅度越小。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，注意把握結(jié)構(gòu)受溫度影響的關(guān)鍵部位(平面的遠(yuǎn)端、有效樓板寬度較小的部位等)及關(guān)鍵構(gòu)件(如框架柱、剪力墻等豎向構(gòu)件)。

以C區(qū)為例，C區(qū)南北向長(zhǎng)度184 m，Ⅰ區(qū)東西向長(zhǎng)度38 m，Ⅱ，Ⅲ區(qū)東西向長(zhǎng)度61 m。整體結(jié)構(gòu)東西向長(zhǎng)度超過(guò)設(shè)縫限值不多，而南北向遠(yuǎn)超設(shè)縫限值。故東西向墻布置只需滿足建筑專業(yè)要求即可。為滿足框剪結(jié)構(gòu)傾覆力矩比的要求，考慮Ⅰ區(qū)處于建筑物長(zhǎng)向中部，受溫度影響相對(duì)較小。南北向墻多布置在該區(qū)域。而Ⅱ，Ⅲ區(qū)處于建筑物長(zhǎng)向的遠(yuǎn)端，受溫度應(yīng)力的影響較為明顯，剪力墻布置時(shí)，盡量不布置南北向剪力墻，即縱向剪力墻。

5 計(jì)算結(jié)果分析

采用SATWE對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，考慮升溫10 ℃，降溫10 ℃。

標(biāo)高5.500 m，樓板y向應(yīng)力見(jiàn)圖4。

溫度應(yīng)力較大的區(qū)域多集中于剪力墻部位。說(shuō)明本工程Ⅱ，Ⅲ區(qū)不布置或少布置縱向剪力墻的方式是合理的。本工程通過(guò)調(diào)整剪力墻布置位置及布置方式，盡最大努力減小溫度應(yīng)力對(duì)該結(jié)構(gòu)的影響。

6 構(gòu)造措施

6.1 建筑措施

建筑措施是影響結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的主要因素。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與建筑專業(yè)配合，加強(qiáng)建筑的保溫隔熱措施，減小結(jié)構(gòu)所受外界氣溫變化、太陽(yáng)輻射的影響，并保持適宜的室內(nèi)使用環(huán)境溫度，減小使用期間溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

6.2 結(jié)構(gòu)措施

在正常使用條件下，混凝土裂縫主要由混凝土自身收縮和環(huán)境溫度變化引起的伸縮兩部分導(dǎo)致。本工程中，超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力問(wèn)題主要通過(guò)采取恰當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施予以解決，建議如下：

1)為減小混凝土的收縮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，每隔30 m～40 m間距留出施工后澆帶，帶寬800 mm～1 000 mm，鋼筋采用搭接接頭，后澆帶混凝土宜在兩側(cè)混凝土澆筑兩個(gè)月后澆灌，且宜在年氣溫低的天氣條件下進(jìn)行，建議封帶溫度為15 ℃～20 ℃。

2)為降低水化熱，選用低水化熱的粉煤灰水泥，并在低溫入模。建議設(shè)計(jì)采用摻微膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土，并認(rèn)真做好混凝土的級(jí)配試驗(yàn)。

3)框架梁設(shè)計(jì)，建議溫度作用不與地震作用效應(yīng)同時(shí)組合，而按單工況計(jì)算，采取構(gòu)造措施，采用梁的腰筋及構(gòu)造鋼筋抵抗溫度應(yīng)力。建議梁頂跨中應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置不少于兩根通長(zhǎng)鋼筋，通長(zhǎng)鋼筋可以是框架梁兩端支座鋼筋直通(含機(jī)械連接)，也可以是跨中鋼筋與框架梁兩端支座鋼筋的受力搭接(滿足要求)；梁兩側(cè)應(yīng)設(shè)置腰筋，腰筋與主筋及腰筋之間間距宜s≤200 mm，腰筋在框架梁兩端支座應(yīng)按受拉錨固設(shè)計(jì)(錨固長(zhǎng)度滿足要求，即腰筋滿足抗扭縱筋的錨固要求，在施工圖中應(yīng)將鋼筋“G”改為“N”)。

框架梁抵抗溫度應(yīng)力構(gòu)造要點(diǎn)見(jiàn)圖5。

4)樓板設(shè)計(jì)，樓板的跨中貫通鋼筋(或與支座負(fù)筋按受拉搭接)的配筋率不應(yīng)小于《混凝土規(guī)范》第9.1.8條的要求，每層每方向的配筋率均不應(yīng)小于0.10%(建議配筋率見(jiàn)表3)。注意，樓板下鐵在支座應(yīng)盡量拉通，否則，應(yīng)至少每隔一根在支座按受拉錨固設(shè)計(jì)。

采取上述構(gòu)造措施后樓板鋼筋計(jì)算時(shí)，一般可不考慮溫度應(yīng)力的影響(相關(guān)問(wèn)題見(jiàn)框架梁)。

表3 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的樓板貫通配筋建議 %

6.3 施工措施

施工措施是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)想的重要保證，施工單位制定合理的施工方案，并精心組織，精心施工。

主要措施有：

1)控制混凝土原材料的質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)，混凝土質(zhì)量的好壞對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生有很大的影響；

2)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，采用混凝土低溫入模、低溫養(yǎng)護(hù)，使混凝土終凝溫度盡量降低，以減少水化熱和收縮；

3)加強(qiáng)混凝土的振搗，要提高混凝土的密實(shí)度，必須對(duì)混凝土進(jìn)行充分的振搗，建議的振搗時(shí)間為5 s～15 s；

4)保證后澆帶的施工質(zhì)量；

5)分層澆筑，墻、梁、板裂縫產(chǎn)生的主要原因是收縮，因此，墻、梁、板構(gòu)件應(yīng)分層散熱澆灌；

6)選擇合適的澆筑時(shí)間等等。

建議封帶溫度為15 ℃～20 ℃。后澆帶封帶后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，夏季采取降溫措施，冬季應(yīng)進(jìn)行采暖，確保建筑物的環(huán)境溫度在10 ℃～30 ℃之間。

[1] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 朱炳寅.高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

On analysis and design for some super-long structure

Guo Weiwei

(JinchengArchitecturalDesignInstitute,Jincheng048000,China)

Combining with the working experience, the paper analyzes main problems in the temperature stress of some super-long structure and its design methods, and points out some attentive design problems and respective measures and calculates the shearing wall and floors by establishing the temperature field, so as to provide some reference for similar engineering design.

super-long structure, temperature stress, shearing wall, floor

1009-6825(2015)32-0049-03

2015-09-09

郭維維(1981- ),男,工程師

TU318

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