平面超長結構溫度應力分析

周斌 陳厚飛 沈遠戈

摘要：因建筑立面需要，有些平面超長的混凝土結構要求不能設置伸縮縫，這就要求我們在結構計算時應考慮溫度作用參與荷載組合，并利用計算結果進行設計。本文重點介紹超長結構溫度分析和減小溫度效應的構造措施，防止因溫度作用而導致結構出現大量裂縫甚至破壞。

關鍵詞：超長結構；溫度應力分析；PMSAP

1.工程概況

擬建項目位于新疆某地，為一大型城市規劃展覽館。地塊面積約5.89萬平方米，總建筑面積約1.79萬平方米。地上3層，無地下室，其中一層層高6.8米，二層層高6米，三層層高9米，屋頂為鋼結構造型，項目整體結構模型如圖一所示。一層為主要為展覽空間，以及設備用房；二層為辦公區；三層為演播廳及城市模型展區。一層平面尺寸約為120mx83m，二層平面尺寸約為102mx79m，三層平面尺寸約為88mx40m，屋面平面尺寸約為93mx40m，建筑中間設計一個15.6mx16.6m的大開洞中廳，整體結構屬于超長結構。本工程為框架結構，結構安全等級為二級，設計合理使用年限為50年，位于七度抗震區，設計基本地震加速度0.10g，建筑抗震設防類別為乙類，框架抗震等級為二級，大跨度框架抗震等級為一級，梁板柱混凝土強度為C35。

2、超長結構溫度分析

2.1確定設計溫差

根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012的規定，取結構合攏溫度為基本溫度[1]，混凝土結構合攏溫度取后澆帶封閉時的月平均氣溫，根據氣象資料，當地最高月平均氣溫為24.8℃，最低月平均氣溫為-9.6℃，本工程以降溫起控制作用，結構最大季節負溫差取月最低平均氣溫減去結構合攏時平均氣溫，由于無法明確后澆帶封閉的時間，故按最不利考慮，取最高月平均氣溫為結構合攏時的平均溫度，則結構最大季節溫差

除了降溫作用使結構產生收縮外，混凝土本身的收縮也會使結構產生拉應力。通常認為后澆帶澆筑時，混凝土的收縮應變已經完成80%，則殘余應變相當于降溫作用的-4℃[2]，所以全部降溫作用的溫差為-38.4℃，設計溫差取-39℃。

2.2考慮收縮徐變的砼構件剛度折減系數取值

因溫度應力分析采用的是瞬態彈性方法，為考慮混凝土的徐變應力松弛，混凝土徐變松弛折減系數可取為0.3[3]；為考慮混凝土開裂引起剛度退化，混凝土構件的剛度可以乘以折減系數0.85[4]。故考慮收縮徐變的砼構件剛度折減系數可取0.255（0.85x0.3=0.255）。

2.3溫度荷載綜合組合系數

根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012的規定，溫度作用的組合值系數可取0.6[1]，溫度作用為可變荷載，其分項系數為1.4，故溫度荷載綜合組合系數（組合值系數與分項系數的乘積）可取為0.84。

2.4利用PMSAP軟件對結構進行考慮溫度荷載的整體分析

本工程采用PKPM軟件建模，采用SATWE對結構進行整體分析，采用PMSAP對結構進行考慮溫度荷載的整體分析，根據計算結果進行配筋設計并采取相應的降低溫度應力的構造措施。

利用PMSAP軟件進行計算前，首先進入SPASCAD空間結構建模將PM模型導入，形成整體空間模型；接著進行節點溫差荷載布置，布置設計溫差-39℃；對結構計算參數進行修改，在溫度荷載參數選項中，砼構件溫度效應折減系數取0.3，砼彈性模量折減系數取0.85，溫度荷載綜合組合系數取0.84。因溫度作用要考慮樓板的內力與變形，需將全樓樓板定義為彈性模。

利用PMSAP對結構進行整體分析，在降溫作用下結構的變形如圖2所示，可以看出下面兩層變形最明顯，底層和一層柱整體向中間變形，底層梁板發生彎曲變形；由于中廳大開洞，降溫作用對上面樓層的影響不大。

2.5考慮溫度作用和不考慮溫度作用的計算結果對比

1）柱配筋對比

考慮溫度作用底層最外邊的框架柱配筋均比不考慮時增大較多，以底層右上角的角柱為例：考慮溫度作用的柱X、Y向計算配筋面積分別為4400、5800，而不考慮時分別為2600、3500，分別增加了69.2%和65.7%。

2）梁配筋對比

本工程以8軸為對稱軸，底層考慮溫度作用時，框架梁靠近8軸的一端的支座筋均比不考慮時增加較多，結構兩側比中間的增幅大，梁頂部通長筋和底筋均比不考慮時增大，以右上角的X向邊跨為例：考慮溫度作用左支座上部、右支座上部、梁底部計算配筋面積分別為4300、1900、2400，而不考慮時分別為2500、2100、1800，分別增加了72.0%、-10.5%、33.3%；考慮溫度作用時上部通長鋼筋計算面積為900，不考慮時為按規范要求設置；考慮溫度作用的梁箍筋計算面積為G0.9-0.6，而不考慮時為G0.7-0.5。

3）板配筋對比

從考慮溫度作用的板的配筋計算結果可以看出，樓板中間的應力大于兩端，大部分樓板配筋均由溫度作用起控制，以中間板跨的一塊板為例：樓板板厚140，不考慮溫度作用時，板配筋由最小配筋率控制，每延米的配筋面積為280，而考慮溫度作用時，板底X、Y向分別為530、500，板頂跨中X、Y向分別為420、370，板頂支座X、Y向分別為550、460，均比不考慮時大幅增加。

通過大量的數據對比可以發現，不考慮溫度作用的計算結果是偏不安全的，超長結構設計時應考慮溫度作用。

2.6溫度效應的抵抗措施和減小溫度效應的構造措施

1）結構設計采取抵抗的原則和承受溫度效應的影響。梁柱配筋應根據考慮溫度作用的計算結果和不考慮的計算結果進行包絡設計，并適當加大外圍三四跨的柱配筋；板配筋按雙層雙向拉通布置并按考慮溫度應力的計算結果進行配筋，設計時鋼筋間距可適當減少以防止裂縫出現，樓板兩端各兩跨配筋率按0.25%控制。

2）為減少建筑超長帶來的混凝土收縮和溫度應力等對結構的不利影響，每隔40米左右設800mm寬的抗收縮溫度應力后澆帶，后澆帶應在其兩側結構施工完成兩個月后，采用比相應構件部位混凝土強度等級高一級的微膨脹混凝土進行補澆，后澆帶封閉時間盡量避開月平均氣溫較高的幾個月，這樣可以有效的減小溫差，降低溫度作用。

3）采用收縮少的水泥、減少水泥用量，減少水灰比，優化骨料級配，采用濕熱養護等措施以減少混凝土的收縮徐變。

3、結論

本文從實際項目出發，闡述了設計溫差的確定、考慮收縮徐變的砼構件剛度折減系數的取值、溫度荷載綜合組合系數，并利用PMSAP軟件對超長結構進行溫度利用PMSAP軟件對結構進行考慮溫度荷載的整體分析，得到了可靠的計算結果，為超長結構的設計提供了依據。

參考文獻：

[1]建筑結構荷載規范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]盧云軍，胡世強，李江波，等.義烏之心城市生活廣場超長商業結構關鍵問題分析[J].建筑結構，2017，47（11）：101-105.

[3]張堅，徐以緯，虞煒等.某超長混凝土結構溫差效應分析及構造措施[J].建筑結構，2011，41（1）：63-66.

[4]徐培福，傅學怡，王翠坤.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

作者簡介：

1.周斌；臺州市城鄉規劃設計研究院；目前職稱：工程師；出生日期：1986.01.

2.陳厚飛；浙江省工業設計研究院；目前職稱：工程師；出生日期：1984.10.

3.沈遠戈；山東省建筑設計研究院；目前職稱：工程師；出生日期：1984.03.