某超长混凝土结构温差效应和开裂分析及措施

郝 丽 华

(山西省轻工设计院，山西 太原 030001)

某超长混凝土结构温差效应和开裂分析及措施

郝 丽 华

(山西省轻工设计院，山西 太原 030001)

以太原某项目地下室为例，根据其具体工程概况，采用有限元方法对结构的温度收缩进行了分析，得到了温度应力分布规律，并针对不同部位采取了不同的裂缝控制措施，以有效解决温差收缩带来的不利影响。

超长建筑，温差效应，温度应力，裂缝控制

1 项目概况

太原某项目位于长治路，总建筑面积约10万m2。整个项目两栋高层，21层办公楼，16层旅店及5层的框架多层商场建筑组成。3个单体共同坐落在一个长方形的整体地下室上。地下室长×宽约为166 m×63 m,位于中部的5层办公楼长约99.5 m,宽30 m。《砼规》第8.1.1条规定结构伸缩缝最大间距55 m。而本工程地上结构因考虑建筑立面效果，未设置温度伸缩缝，因此在设计时要考虑温差效应对超长建筑的影响。整栋建筑地下3层，地下3层为人防储备物资库，地下2层为车库，地下1层为试验用房,地上5层为多层办公，建筑总高26.8 m，1层层高6 m，其余各层层高均为5.2 m。此办公楼的结构形式为带少量剪力墙的框架结构,柱网8.4 m×8.4 m,建筑南侧沿轴层层悬挑4.2 m,北侧中间部位置设一局部二层17.2 m×17.2 m的宴会厅。底层框架柱截面为1.0 m×1.0 m，混凝土强度等级为C40;办公楼东西两端框柱间布置少量剪力墙(此剪力墙只为计算满足位移用)，底层剪力墙厚度0.3 m，混凝土强度等级同本层框架柱。楼板和屋面板采用现浇楼板结构，混凝土强度等级为C30，典型框架梁截面450×700；地下3层顶板厚度200 mm，地下2层顶板厚150 mm,地下1层顶板厚度180 mm，室外覆土区域为200 mm，其他楼层典型板厚为120 mm；屋面层板厚150 mm。

由于结构的平面长度超长，并且在结构布置上，建筑两端存在少量剪力墙肢，对楼板有水平约束，水平温差产生的效应比较大。设计时，一方面考虑楼板在负温差下强度及裂缝；另一方面，考虑端部的剪力墙及框架柱相应地受到水平剪力。由于建筑超长，温差效应作用明显。

2 温度收缩分析

2.1 季节温差

太原市最高气温40 ℃左右,最低气温-20 ℃,施工时合龙温度为10 ℃。对不考虑空调使用时，非屋面层温度变动范围可以取-20 ℃～40 ℃；考虑空调使用时，可以取空调工作温度18 ℃～26 ℃。结构计算时考虑整体结构升温40-10=30 ℃，降温10-(-20)=30 ℃。

2.2 混凝土收缩当量温差

混凝土收缩应变与混凝土龄期密切相关，如要求180 d以后封闭后浇带，则混凝土收缩当量温差为-6 ℃；如要求90 d以后封闭后浇带，则混凝土收缩当量温差为-16 ℃。在建筑物中部设置1.5 m宽的膨胀带等措施，以减少此收缩的影响。

2.3 徐变应力松弛折减系数

由于混凝土徐变的存在，结构中实际应力会远远小于弹性分析的结果。

2.4 温差效应的计算方法

在进行温差效应的设计过程中，考虑混凝土徐变造成的应力松弛及构件上的微裂缝形成的混凝土刚度折减。

3 温差效应计算结果分析

结构整体呈收缩状态;越靠近支座的楼层,楼面应力值越大;首层边跨的框架梁、柱产生的弯矩、剪力增大；将楼板按弹性模计算，根据每层的计算结果分析比较，越靠近基础的楼层，受到基础的约束越强，地下室顶板受到地下室外墙的约束，应力大，第二层楼板由于几部扶梯开洞，且层高高，应力小，第三层楼板连续，层高小，应力也大，从第四层开始应力显著下降，温差效应减弱。

4 针对各因素所采取的控制措施

通过PMSAP，ETABS等软件在计算温差时考虑以上各种因素的影响以及在施工中采取控制措施。1)考虑混凝土徐变。由于混凝土的徐变，其应力松弛折减系数k取值范围大致在0.2～0.33之间。计算温度收缩效应，文献[4]的建议值为0.3。2)考虑季节温差。根据太原地区温度资料，在施工中合理对终凝温度进行控制。3)考虑混凝土收缩当量温差。混凝土收缩当量温差的控制因素在于后浇带的闭合时间。尽可能延长后浇带闭合时间，使其收缩应变尽可能多地完成。4)考虑混凝土构件的刚度折减系数。此系数一般取0.85，更严格一些可取0.9或0.95。

5 裂缝控制措施

超长结构易开裂，主要原因是变形作用引起的，其中温度变化又是主要因素。空气中的温度、太阳的热辐射使得其结构或构件变形(最普遍的热胀冷缩现象)，产生约束，引起应力。与此同时，风速又加聚混凝土水分的蒸发，当混凝土的变形超过了极限拉伸，结构混凝土自然开裂。

结构的长度是影响温度应力的因素。结构设计时采用后浇带，在施工中先浇筑后浇带两侧构件，然后再用高一级混凝土浇筑后浇带，使之成为一体，意在先让后浇带两侧混凝土自由伸缩，后浇带处的混凝土因温差和收缩应力叠加值小于混凝土抗拉强度，达到控制裂缝的目的，可不设置永久伸缩缝。

针对超长结构，控制裂缝的具体措施如下：

1)多高层建筑结构的筏片基础，在满足承载力和防水要求的条件下，尽量选取混凝土强度等级低的，以降低水化热。2)地下室钢筋混凝土墙体采取的措施：a.结合地上建筑的位置，每隔40 m左右设置后浇带。采用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土浇筑。b.地下室外墙墙体的混凝土浇筑后要特别加强养护，混凝土浇灌后1 d～7 d内加强浇水养护，7 d～14 d仍须湿养护。墙体浇筑完后，应从顶部设水管喷淋，墙体带模养护不少于7 d，拆模后继续养护至少14 d。地下室周围地坑应及时回填。3)楼板、梁、柱等采取措施：a.在梁跨1/3处即剪应力较小处设置后浇带;b.普通楼板增加分布钢筋的配筋率。屋面板考虑温度影响设置双层双向通筋或楼板上部附加抗裂筋;c.对端部梁、墙、柱按照计算结果，增配钢筋。沿外侧边梁的腰筋按受拉锚固和搭接长度考虑。增大边抗扭能力;d.最外侧边梁不外露。4)剪力墙结构不宜超长。剪力墙的首层及屋顶层水平钢筋，在加强部位的要求进行增配钢筋，缓解应力集中。5)通长挑檐板，每隔12 m左右设置伸缩缝，缝宽10 mm,缝内填堵防水嵌缝油膏。当楼板挑出长度不小于1.5 m,应配置平行于上部纵向钢筋的下部筋和分布筋，其直径不小于8 mm。这些板的分布筋应适当加强。6)超长结构设置后浇带，需在两侧混凝土浇筑完毕至少60 d之后方可浇筑，若整栋建筑从基础至屋顶全部设后浇带，施工周期必然延长。根据建筑实际情况有些可采用膨胀加强带的做法，则在加强带两侧混凝土浇筑完毕终凝前，采用大膨胀混凝土同时浇筑，可节省时间，不影响模板周转，加快楼面施工进度。膨胀加强带的做法宽度2 m,带两侧铺设密孔铁丝网，用掺14%～15%UEA且强度等级比两侧高一级混凝土浇筑。此方法可连续浇筑100 m～150 m超长结构。加强带的间距控制在40 m～60 m。

6 结语

对于这种常见的大面积地下室且两个方向都很长，地下室外墙是钢筋混凝土的；上部结构是单向超长的工程的分析，可以看到：

1)结构竖向受温差效应小，平面上长向的端部剪力墙对楼板约束强，水平温差产生的效应较大。要注意楼板在负温差下产生的约束拉应力和端部剪力墙、框架柱受到的水平剪力。设计时应充分考虑并加以复核。2)改善温度对建筑结构的影响采取的措施：绕开电梯及扶梯洞口布置两条后浇带；控制混凝土最大水灰比为0.55；高温湿养；降低后浇带终凝温度，本工程一二层终凝温度在10 ℃～15 ℃；延长后浇带闭合时间至180 d。除对建筑物构件不同部位采取相应的措施，可以有效地解决温差带来的负效应；同时在施工方面，要求施工单位对一、二层施工提出针对性的施工措施，对各层混凝土材料的选用、配比、生产、运输、泵送时间控制、现场振捣浇筑、支摸、拆摸、养护等工艺提出合理的施工组织设计，并要求组织专家会议对施工工艺进行论证。要求采取防护措施，如及早尽快将外围填充墙砌筑完毕，防止风沙、日照引起混凝土表面裂缝。

[1] JGJ 3-2012，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] 徐培福，傅学怡，王翠坤.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3] 冯 丽，顾渭件.高层建筑超长结构无缝技术裂缝控制的建筑和结构技术[J].哈尔滨建筑大学学报，2002,35(2)：40-43.

[4] 王铁梦.建筑物的裂缝控制[M].上海：上海科学技术出版社，1993.

[5] 王 丽.混凝土工程裂缝控制[J].山西建筑，2014，40(9)：111-112.

Temperature variation effect and cracking analysis and measures of the super-length concrete structure

HAO Li-hua

(Shanxi Light Industry Design Institute, Taiyuan 030001, China)

Taking one Taiyuan project basement as an example, according to its specific engineering conditions, the paper analyzes its structural temperature shrinkage by applying finite element method, obtains its temperature stress distribution law, adopts various cracking control measures, with a view to effectively solve temperature shrinkage defects.

super-length building, temperature variation effect, temperature stress, crack control

1009-6825(2014)31-0053-03

2014-08-26

郝丽华(1974- )，女，工程师，一级注册结构师

TU375

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