超長鋼筋混凝土結構設計控溫效應的措施研究

張 瑾

(中核新能核工業工程有限責任公司,山西 太原 030012)

鋼筋混凝土結構抗裂性差,裂縫問題是其普遍性問題。裂縫的出現,不但影響美觀,還嚴重影響壽命。目前,隨著我國建筑技術水平的提高,我國現已建成多座超長的混凝土結構。

1 溫度應力理論

1.1 溫度荷載的分類及特點

一般來看,引起混凝土結構溫度應力的溫度變化有季節溫差、內外溫差、驟然溫差、日照溫差四種,其影響因素分別為氣候變化、冷熱空氣、太陽輻射和空氣溫度。其中,與其它三種溫差相比,季節溫差的影響時間具有長期性,影響范圍具有整體性,影響程度具有均勻性,可使結構整體位移發生大的變化。而且,季節溫差的溫差應力具有不符合虎克定律,非線性分布,不斷瞬時變等特點。因此,季節溫差對超長結構裂縫的影響最為突出,為本文研究重點。

1.2 約束應力的產生

約束大致可分為內約束和外約束兩類,其中,外約束可分為無約束、彈性約束和全約束。當鋼筋混凝土結構在受到溫差作用發生變形時,不同的構件之間(外約束)、構件內部不同的質點之間(內約束)便會相互制約,產生約束應力。

2 超長鋼筋混凝土結構溫度變形和溫度應力分析

2.1 季節溫差、溫度荷載組合各系數的取值

混凝土是一種抗壓能力較好而抗拉能力較差的材料。鋼筋混凝土結構從冬季施工到夏季正式投入使用的過程中,整體上發生膨脹變形,總體受壓為主。反之,則整體上發生縮小變形,總體受拉為主。因此,一般而言,鋼筋混凝土結構季節溫差一般可取結構使用中夏天的最高氣溫與冬天的最低氣溫之差。

由于溫度對混凝土結構影響的不唯一性,混凝土結構在考慮溫度荷載時,通常還需要考慮溫度荷載組合系數、剛度折減系數和松弛系數等。其中,一般情況下,除有特殊要求(取值0.9),溫度荷載組合系數φT建議取值0.7,分項系數γT建議取值1.2,準永久系數φ建議取值0；梁、拄的抗彎剛度應乘以折減系數0.85；松弛系數取值為0.3[1]。

2.2 基本模型的溫度變形和溫度應力的計算分析

目前,SAP在計算季節溫度作用下結構的溫度應力方面被廣泛應用。SAP是一款結構分析通用有限元軟件,其是根據材料的屬性和溫度的變化計算構件溫度應力的。SAP溫度荷載是指溫變產生的熱應變等于材料的熱膨脹系數(來源于分析屬性數據,由材料本身性質決定)和單元溫度變化(由參考溫度到荷載溫度的改變)的乘積[2]。

2.3 建筑物長度變化、樓板厚度變化以及柱截面剛度變化對結構溫度效應的影響

建立長度變化的一些模型可以分析建筑物長度變化對結構溫度效應的影響。研究發現,隨著建筑物長度的增大,各結構溫度變形和內力將發生如下變化：①樓板變形和內力。樓板位移量以及拉應力最大值隨著建筑物長度的增大而線性增加。且不同長度模型中,各層樓板以底層樓板的收縮變形最小；建筑物長度大于54m時,樓板變形最大,且溫度應力增加最快；②梁溫度效應分析。隨著建筑物長度的增加,梁的軸力和彎矩極值逐漸增加。且長度大于54m時,溫度效應增加最快,大于72m后,對梁軸力和彎矩的影響逐漸減小；③柱溫度效應分析。建筑物長度的增加對柱子軸力增加值影響很小,可以不作重點考慮。因此,一般而言,現澆鋼筋混凝土結構建筑物長度超過55m時,宜設置伸縮縫。

建立樓板厚度變化的一些模型可以分析樓板厚度變化對結構溫度效應的影響。研究發現,隨著樓板厚度的增加,各結構溫度變形和內力將發生如下變化：①樓板溫度變形和內力。增加板厚可以減少板底應力,卻會增加板面應力；②梁溫度效應分析。隨著樓板厚度的增大,使板承擔了更多的溫度內力,梁的軸力降低了,彎矩增大了；③柱溫度效應分析。隨著樓板厚度的增大,板的剛度也增大,溫度收縮內力增大,柱子的變形和內力也都有所增加。

建立柱剛度變化的一些模型可以分析柱截面剛度變化對結構溫度效應的影響。研究發現,隨著柱截面的增加,各結構溫度變形和內力將發生如下變化：①樓板溫度變形和內力。隨著柱截面的增大,樓板溫度變形不斷減小,而樓板拉應力急劇增大；②梁溫度效應分析。隨著柱截面的增大,梁的軸力和彎矩都有所增加；③柱溫度效應分析。隨著柱截面的增大,柱的軸力和彎矩也都有所增加。因此,結構的約束剛度,對溫度應力的影響較大,應控制邊柱截面的大小。

3 超長鋼筋混凝土結構設計采取控溫效應的措施

3.1 設置伸縮縫或者后澆帶

一般情況下,混凝土結構需采取能減小混凝土溫度變化或收縮的措施,設置伸縮縫便是最常用的措施。設置伸縮縫可以將結構分成獨立的溫度區段,以使其自由伸縮。《混凝土結構設計規范》也對現澆鋼筋混凝土結構在不同環境中,設置伸縮縫的結構長度現值與伸縮縫的間距等做了明確的規定,現澆鋼筋混凝土結構處于露天環境和非露天環境下長度分別超過35m和55m時,宜設置伸縮縫；如有充分依據和可靠措施,伸縮縫間距可適當增大。綜合考慮實際需要、各項成本和各建筑物特點,框架結構與屋頂設縫不宜設置伸縮縫。

現行規范的伸縮縫僅根據結構長度控制,而結構長度只是影響溫度收縮應力的因素之一。根據資料和現場實際情況的調查,當建筑物過長時,在條件合適的時候可用后澆帶方法來代替伸縮縫,以釋放早期混凝土收縮應力,減小以收縮為主的變形。后澆帶一般為700～1000mm寬,宜用微膨脹、比原結構提高一級強度的混凝土,在小跨梁中間或梁受力較小的部位每隔30～40m設置一道,在兩側混凝土齡期達到60天且溫度較低時封閉。值得注意的是后澆帶不等同于伸縮縫,不能解決溫度應力。

3.2 采用預應力混凝土結構并加強構造配筋

預應力混凝土結構(如無粘結預應力筋)可抵消溫度應力和收縮內力,使混凝土延遲開裂。從功能上講,無粘結預應力筋能夠減小溫度應力的不利影響；從效果上來看,控制的效果主要取決于所布置無粘結筋的總量,在板上配置無粘結預應力筋比在主梁上配置好[3],在柱上板帶集中布筋的效果稍好。值得注意的是,采用預應力混凝土結構的地方,應提高該處普通鋼筋的配筋量。

溫度配筋對結構抗裂影響很大,因此應加強溫度構造配筋以控制溫度裂縫的開展。如在縱向邊柱交接處樓板宜配上下兩層鋼筋；在基礎截面突然變化、轉折部位等,增加斜向構造筋；對混凝土梁的腰部增配直徑為8～14mm的構造鋼筋等,使其能更好地滿足變形和內力的要求。

3.3 降低約束剛度

約束內力與荷載內力的重要區別是,在變形作用條件下,結構的約束內力還與結構剛度有關。一般情況下,底層樓蓋受到的約束作用大,溫度應力也最大,而降低約束剛度是減小溫度應力的有效措施。如可以在約束體與被約束體的接觸面上設置隔離層,在超長結構采用較密柱網等降低約束剛度,減少溫度應力。

3.4 其他

采用建筑物頂部局部伸縮縫方法也可以降低超長鋼筋混凝土結構溫度效應的發展。由于日照溫差的影響,屋面出現裂縫的可能性大。利用一個底柱上起兩個柱,將屋蓋分成兩部分,以減少頂層的長度,可以有效地防止頂層墻體及結構的溫度裂縫的產生和發展。

此外,加強建筑物屋面的保溫隔熱性能,在屋面板內配置抗溫度收縮鋼筋,采取預留豎向插筋等方式加強磚砌女兒墻和混凝土構件直接的連接,加強屋頂層結構與頂層圍護墻體之接的連接等,也是降低超長鋼筋混凝土結構溫度效應發展的有效措施。

4 結語

在建筑物形式越來越復雜、體形越來越大、長度越來越長的今天,采取一定的措施來減少或控制超長鋼筋混凝土結構的溫度應力和溫度變形,增加其抗裂性、防水性、抗凍性等耐久性能,保證建筑物的使用壽命,對我國城鎮現代化發展具有十分重要的意義,值得進一步思考與研究。

[1]華旦,吳杰,干鋼.超長混凝土結構的溫度應力分析與設計實踐[J].建筑結構,2012(07)：56-59．

[2]羅華,吳金國.HEA用于超長鋼筋混凝土結構施工[J].江西建材,2004(02)：11,15．

[3]彭全敏.超長混凝土結構收縮裂縫控制研究[D].天津大學,2012．