云南某跨線綜合樓超長結構溫度分析

劉金波

(遼寧省交通規(guī)劃設計院，遼寧 沈陽 110166)

1 工程概況

云南墨江服務區(qū)跨線綜合樓位于云南省墨江市，總建筑面積約3 800 m2，地上3層，局部塔樓部分為4層，房屋總高度22.5 m。本工程平面形狀總體呈“L”型，東西向長82.8 m，南北向長73.5 m。建筑橫跨南北向敷設的高速公路，建筑功能包括餐飲、商場、辦公等功能用房及服務設施。

本工程平面形狀不規(guī)則，總體呈“L”型，兩個方向總長度分別為83.1 m和73.5 m，通過設縫將結構分成兩個“一”字型獨立單體，結構平面布置見圖1。

圖1 結構平面圖

結構設計參數(shù)：7度抗震，設計基本地震加速度0.10 g，設計地震分組為第三組。

2 結構選型

本工程建筑布置復雜，通過設縫分為南北兩個單體(南樓和北樓)，南樓結構形式相對簡單(長48 m，寬21 m)，北樓(跨線部分)結構形式相對復雜(長82.8 m，寬25.5 m)，南樓采用混凝土框架結構體系，北樓跨線部分采用型鋼混凝土框架結構，其它部分采用混凝土框架結構。

3 結構規(guī)則性判別

本工程北樓部分結構較復雜，存在結構超長、大跨度、豎向抗側力構件不連續(xù)等情況，對該部分結構的不規(guī)則性控制成為設計重點[1-2]。

圖2為北樓平面布置，并按表1對北樓進行結構規(guī)則性判別。

表1 北樓結構規(guī)則性判別

圖2 北樓平面布置圖

經(jīng)上述計算分析可知本工程屬于一般不規(guī)則建筑。工程設計中采取了以下措施：(1)加大下部薄弱層的柱截面以減小相鄰層的剛度突變，同時加大薄弱層的板厚及配筋；(2)針對北樓中間跨線部分存在連續(xù)兩跨22.5 m大跨結構，對其補充豎向地震計算并對各構件進行包絡設計；(3)對結構主要受力構件的抗震構造措施進行加強以提高結構安全性。

4 結構溫度應力計算

結構溫度荷載主要包括季節(jié)溫差、晝夜溫差和混凝土收縮當量溫差三部分組成[3]。

4.1 季節(jié)溫差

本工程位于云南省玉溪市，其月平均最高氣溫為30 ℃，月平均最底氣溫為-1 ℃。本工程在2015年9月份主體合攏，因此地上結構的合攏溫度近似取為19 ℃，進入冬季前沒有投入使用，整個結構裸露在室外，因此結構的降溫溫差為-20 ℃，升溫溫差為11 ℃。

4.2 晝夜溫差

由于本工程屬于公共建筑，使用階段考慮空調的作用建筑物內部基本恒溫。故晝夜溫差主要對結構表面產(chǎn)生影響，且混凝土具有熱惰性，短時間內的溫度變化對結構影響很小，因此晝夜溫差作用可忽略[4]。

4.3 混凝土收縮當量溫差

在計算混凝土收縮量時，參考了王鐵夢的《工程結構裂縫控制》[5]一書中的相關計算方法[1]。先確定某種標準狀態(tài)下混凝土的最大收縮，任何其他狀態(tài)下的最大收縮應用各種不同系數(shù)加以修正。

ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…Mn

對本工程，按分段施工考慮，完成后3個月澆筑溫度后澆帶。經(jīng)計算結構整體收縮溫差與混凝土膨脹補償溫差相當。因此混凝土收縮效應當量溫差取0 ℃。

4.4 溫度工況組合

考慮溫度荷載作用共進行了如下4種荷載工況組合計算，并對計算結果與考慮地震作用的工況對比進行包絡設計，見表2。

表2 考慮溫度荷載作用的工況組合

4.5 溫度應力計算結果

本工程采用MIDAS軟件進行溫度應力分析，為真實計算溫度作用樓板單元按彈性樓板考慮，分析中框架柱基礎按完全約束考慮，忽略基底與地基土間相對位移的有利因素。

由以上計算可得出如下結論：(1)溫度作用下5軸和7軸型鋼混凝土柱的剪力和彎矩最大，除此以外框架柱的剪力和彎矩從里向外逐漸增加；(2)框架梁在溫度荷載組合工況下底部樓層軸力最大，向上逐層減小，同一樓層框架梁軸力最大值出現(xiàn)在沿結構超長方向型鋼混凝土柱旁第一跨處；(3)樓板在降溫工況下與框架梁共同受拉，且受力趨勢與梁相同。

溫度工況下結構的應力特征是由該樓結構特點所致：結構底部兩層5軸、6軸和7軸處為型鋼混凝土柱(截面尺寸為1 m×1 m)，其他部分為0.6 m×0.8 m的鋼筋混凝土柱，3層處通過型鋼混凝土梁與5軸、6軸和7軸的型鋼混凝土柱連接，并在型鋼混凝土梁上起柱，以實現(xiàn)跨線部分的結構轉換。其中6軸位于北樓中間，受溫度效應影響較小，5軸和7軸處的型鋼混凝土柱是抑制中間22.5 m大跨結構變形的“第一道防線”，且其剛度較大，對結構溫度變化時的變形約束較強，因此5軸和7軸型鋼混凝土柱的剪力和彎矩最大。框架梁和板的溫度應力特點比較好理解，溫差應力本身是當變形受到約束時所產(chǎn)生的內力效應。從豎向各樓層來看，越靠近基礎的樓層變形受到的約束越嚴重，其溫度效應越明顯，并且溫度效應隨樓層上升衰減迅速。

通過溫度工況與地震工況的計算結構進行比較得出以下結論：(1)5軸和7軸處型鋼混凝土柱在溫度工況下的剪力較地震作用下略大，彎矩較地震作用下型鋼混凝土柱內型鋼受剪已滿足要求；(2)底層部分框架梁溫度工況下軸力較地震作用下大，需增大腰筋和梁頂縱筋配筋量來抵抗溫度作用；(3)結構底部兩層樓板不連續(xù)，在3層處樓板變形受到約束較小，總體而言樓板除部分角部以外溫度應力較小，相應的措施為在3層樓板處沿超長方向通常配筋以抵抗溫度應力。另外在施工方面還采取了以下措施：采用低水化熱水泥，控制結構合攏溫度，加強混凝土的養(yǎng)護，基礎施工完成后及時回填以避免長期暴露。

5 結 語

本工程雖然建筑規(guī)模不大，但結構形式較復雜，存在結構超長、大跨度、豎向抗側力構件不連續(xù)等多種結構不規(guī)則性。通過計算表明溫度效應對框架柱，尤其是不規(guī)則建筑的特殊部位，豎向構件產(chǎn)生的影響不能忽略。結構設計時應對包含溫差荷載的工況進行計算，仔細分析結構不同部位的溫度效應，并針對不同部位采取不同措施以有效地解決溫差效應給結構帶來的安全隱患，從而提高項目的合理性和經(jīng)濟性。