超長混凝土結構住宅溫度效應分析與結構設計措施

王初秋　崔森

摘 要：根據地方規范《超長混凝土結構防裂技術規范》的要求，對沈陽市沈北新區某小區超長混凝土結構住宅的梁、板等結構構件在溫度作用下的應力進行有限元分析，設計上考慮應對溫度變化的加強措施，以保證滿足規范要求。

關鍵詞：超長結構；溫度應力；加強措施

1工程概況

本項目位于沈陽市沈北新區，占地為34880 m²的住宅小區，采用異形柱框架－剪力墻結構，地上6層，無地下室，層高均為2.9 m，其中3#、5#、8#、9#樓長度均超規范規定的50 m限值，以3#為例分析超長帶來的溫度應力影響。

1.1場地概況

根據當地氣象資料統計發現，氣溫多年平均為7.9℃，最高為35.7℃，最低為-30.5℃，同時《建筑結構荷載規范》附錄E給出了沈陽最低氣溫-24℃，最高氣溫33℃。

項目場地的土層情況從上到下分布為：①雜填土；②粉質粘土；③粉質粘土；④粉質粘土；⑤粉質粘土；⑥粉質粘土；⑦粉質粘土；⑧粉質粘土；⑨圓礫。凍土深度市區一般為1.0米，標準凍結深度為1.2米。

1.2結構設計概況

建筑功能：多層住宅，結構形式為異形柱框架剪力墻結構，基礎類型為預應力管樁基礎，樓板厚度130 mm，使用年限為50年，多層住宅不設永久變形縫的混凝土結構長度超過《超長混凝土結構防裂技術規范》中規定的60米（框剪）。本工程在后續施工時，考慮溫度效應對結構的影響，根據規范要求長方向設置后澆帶。

2結構計算溫差的取值

2.1主體結構環境溫差的確定

2.2混凝土收縮當量溫差的確定

2.3結構計算溫差的取值

3考慮徐變與應力松弛的松弛系數的確定

降低彈性應力的辦法中能大幅度降低的為徐變和應力松弛，考慮徐變效應，結構構件的應力能夠較精確分析，材料的強度能夠充分利用，工程量能夠減小以及對工程造價的降低有幫助。應力松弛對結構設計的有利作用，在工程應用上，主要通過“松弛系數”的確定來實現。

目前階段國內超長混凝土結構設計時對于溫度應力的計算有通常做法，即將溫度變化等效混凝土的收縮，同時一起計算的還有實際溫度變化，在溫度及收縮作用下的彈性解是首先需要計算的，然后乘以考慮徐變的應力（松弛）折減系數。王鐵夢的《工程結構裂縫控制》中近似將應力折減系數取值為0.3～0.5，國外將應力折減系數取值為0.3。本工程的計算過程中，0.3是松弛系數的取值。

4溫度作用階段的選取及組合系數的確定

首先，混凝土結構的溫度作用應考慮以下階段過程：

第一，結構后澆帶封閉前的施工階段：混凝土的澆筑溫度應考慮，同時膠凝材料水化熱、收縮變形以及環境溫度也應考慮。

第二，結構后澆帶進行封閉開始到工程使用前的施工階段：應考慮混凝土的收縮變形以及環境溫度作用。

第三，結構使用階段：應考慮混凝土的收縮變形和環境溫度作用。

其次，當混凝土結構的構造措施、后澆帶設置、所用材料、混凝土生產與施工符合規范要求時，結構后澆帶封閉前的施工階段的溫度作用效應分析可不進行計算。結構使用階段因環境溫差太小不起控制作用，所以本次設計時只考慮第二階段結構后澆帶進行封閉開始到工程使用前的施工階段。

最后，各階段混凝土結構的溫度作用宜與其他可能同時出現的荷載作用效應進行組合，并應符合下列要求：

第一，施工階段，結構應按承載能力極限狀態進行設計。荷載組合中不考慮風荷載、地震作用。

第二，使用階段，結構應按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行設計，荷載組合中可不考慮地震作用。

第三，各類作用（荷載）的取值、分項系數、組合系數與準永久系數應符合現行國家標準《建筑結構荷載規范》的規定。

根據《建筑結構荷載規范》中的第9.1.3條以及規范后面條文說明的規定，溫度作用效應的組合值系數應為0.6，可變荷載的分項系數應為1.5。

5結構計算模型的確定

本工程采用有限元分析軟件YJK盈建科軟件1.9.0進行溫度效應的分析計算。

YJK中溫度荷載的施加：為方便對后期結果的處理，直接將“應力松弛系數”0.3乘以溫度作用于結構。通過大量超長結構分析結果及實際經驗可知，降溫對結構起控制作用，所以本次分析計算中，只考慮降溫工況。

6溫度作用效應的計算分析與驗算

6.1混凝土板的溫度應力分析與驗算

6.1.1混凝土板的溫度應力分析

僅在降溫工況作用下，板底與板頂的溫度應力在數值與分布規律上都基本相同。尺寸較大的洞口處以及比較狹窄的連接板處，均出現應力集中的現象，并且通過模擬看出板超長方向（X方向）溫度應力絕大部分不大于0.7 MPa。

6.1.2混凝土板的配筋設計

鑒于結構中溫度效應的分布規律，為使頂板的配筋經濟合理，絕大部分進行鋼筋統配，個別應力集中的部位另行配置附加鋼筋。

6.2混凝土板的溫度應力驗算

7結構防裂措施

7.1材料要求

首先，采用中低熱硅酸鹽水泥；其次，粗骨料：粒徑不得超過兩個數值，一個為構件截面最小尺寸的1/4，另一個為鋼筋最小凈間距的3/4，同時不宜大于31.5 mm；對混凝土實心板，粒徑不宜超過板厚的1/3；含泥量不應大于1%，泥塊含量不應大于0.5%；最后，細骨料：宜采用水洗中砂，細度模數不宜小于2.6。

7.2配筋及構造要求

通過對在溫度作用下的計算分析，結合規范《超長混凝土結構防裂技術規范》中規定，在設計中采取了以下構造措施來減小因溫度變化而引起混凝土開裂。

7.2.1設置溫度后澆帶[2]

本工程設置貫通的溫度后澆帶，并在帶外采用補償收縮混凝土[3]。

7.2.2框架柱配筋要求

超長方向兩端各兩跨的框架柱的主筋與箍筋應適當加強。在結構超長方向上，外梁兩側腰筋的間距宜定為150 mm，每側腰筋的截面面積不應小于一個數值，即梁寬和梁腹板高度乘積的0.15%。

7.2.3板配筋要求

第一，板底和板頂支座單側配筋率均應滿足：計算配筋率與0.25%（0.15%）較大值。

第二，板頂通長配筋率＞0.15%。

第三，大洞口影響范圍的板，板頂和板底單側配筋率均應滿足：計算配筋率+0.25%。

7.2.4車庫擋土墻配筋要求

墻體單面水平通長鋼筋的配筋率有一定要求，即數值不小于0.2%。

7.3對混凝土施工及養護的要求

7.3.1混凝土的施工

（1）混凝土在工地或攪拌站進行配制時，要保證足量的膨脹劑的加入，即按混凝土配合比進行摻入。

（2）現場拌制混凝土的拌制時間要比普通混凝土長，具體增加時間可為30秒，以保證將膨脹劑、水泥、減水劑（泵送劑）拌和均勻。

（3）控制混凝土出罐溫度和澆灌溫度：

①現場搗拌時，在白天室外氣溫＞28℃時，砂、石堆場應采取一定的遮陽措施，如遮陽棚。

②混凝土出罐溫度≤15℃，混凝土澆灌溫度≤15℃，宜早晚澆注混凝土。

③為減少混凝土泵送過程吸收太陽的輻射熱，在泵車水平輸送管上可以采取一定措施，如覆蓋一層草袋和經常噴灑冷水，并且實施范圍為整個輸送管的長度。

④采用多臺泵車同時輸送，縮短混凝土澆灌時間。

（4）嚴格控制混凝土塌落度，塌落度控制在（180±20）mm。

（5）板模板在澆灌混凝土前要充分濕潤。

（6）板混凝土澆灌完畢后，要排除混凝土表面的泌水。

（7）為了防止混凝土收縮裂縫的產生，板、側墻均可使用抗裂防水劑無收縮混凝土，樓板限制膨脹率2.0x10^-4，膨脹加強帶等填充部分限制膨脹率取2.5x10^-4。

7.3.2混凝土的拆模與養護

（1）混凝土拆模時間需進行控制，規定澆筑后16小時松開模板螺栓，24小時后拆模，吊起模板宜在一天中溫度較高的時候進行，以此防止剛拆模，混凝土受到溫度過大變化而產生過冷刺激。

（2）混凝土的澆水養護需加強，可采用長流水養護，方法為在墻體頂部中間設置帶細小孔洞的PVC塑料管。

（3）在混凝土澆灌結束后，頂板表面用木蟹抹平，后鋪上一層草袋，充分澆水養護。后澆帶合攏以后，施工單位應做好保溫、遮蓋以及四周圍護措施。

8結論

超長混凝土的工程在建筑行業較常見，一旦設計和施工有問題，后期開裂將對工程的安全有著重大隱患，因此對設計人員以及施工工程師都提出了較高的要求。本文對結構計算溫差取值進行確定，并對沈陽某小區進行工程分析模擬，針對超長混凝土開裂提出材料要求、配筋及構造要求、施工及養護等建議要求。

參考文獻

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