建筑超长结构设计探讨

王善增

【摘 要】随着我国的建筑行业的不断兴起和发展，超长结构的建筑也越来越为常见，在超产结构的设计中，建筑设计要求较普通长度的建筑设计而言是更高的，且设计业更为复杂。本文在对实际的超长结构建筑工程研究分析的基础上，对超长结构的建筑有一个界定，并提出了该类结构可能存在的问题，然后进一步探讨了超长结构建筑设计中需要注意的几个要点，最后针对温度应力问题提出了应对措施。

【关键词】建筑；超长结构；结构界定；设计要点；温度应力；应对分析

中图分类号：TS958文献标识码： A

引言：

我国城市各类公共建筑和民用住宅的建设规模在不断壮大，随着其飞速发展以及人们对建筑的高要求，建筑的体型变化也越来越多，而超长结构就是近年来的一种新的建筑结构设计。在超长结构建筑设计中，对混凝土的强度等级要求也是非常高的，混凝土强度等级不断提高，因为温度应力的存在，所以很容易出现结构裂缝，影响建筑物的使用性能。除此之外，还有一些问题都是在超长结构设计中应该注意的，要采取适当的控制方法，从而建造出高质量的建筑。

一、超长结构界定和超长结构可能存在的问题

相关国家设计规范规定了房屋建筑工程结构伸缩缝最大间距为:现浇式普通砖混结构50m,现浇式框架结构55m,现浇式剪力墙结构45m,现浇式框架-剪力墙结构要根据框架和剪力墙具体布置的情况在45m～55m之间取值,一般可取50m。以上为在正常情况下的设计规定,一些特殊环境条件下,例如恶劣气候环境条件地区、屋面无保温或隔热措施、建筑材料收缩较大或者采用特殊施工工艺等情况,结构伸缩缝间距要适当减小。在不设永久伸缩缝的情况下,有效控制混凝土收缩应力和温度应力影响,是确保结构安全、正常使用的设计重点,必须慎重对待。通常采取的措施有:设置后浇带或膨胀加强带、施加预应力、配筋控制、添加抗裂纤维、材料控制、施工质量控制。

实际工程中的超长结构主要存在三个方面的问题。

(1)混凝土浇筑过程中水泥水化热造成混凝土内外温差,继而结构表面产生拉应力,内部产生压应力。当表面拉应力超过混凝土极限抗拉强度的时候,在混凝土表面就会产生裂缝。此外在混凝土降温阶段时逐渐散热冷却会产生冷缩,再加上混凝土硬化过程中的自身收缩,产生的收缩应力较大,当该应力超过混凝土极限抗拉强度的时候同样会产生裂缝,甚至贯穿整个截面。

(2)环境温度变化使得结构材料自身热胀冷缩,继而产生的温度应力存在于工程使用期间和施工阶段。温度变化和混凝土收缩这种间接作用引起的位移和变形对超静定混凝土结构的约束应力可能会很大,从而导致结构构件的开裂,甚至改变结构的受力形态。

(3)超长结构的另一个问题就是因为结构太长,当建筑场地地质情况复杂时,结构两端的基础持力层可能不同或基础持力层相同而基础埋置深度相差较大时,结构两端的沉降差会很大,如果不设置沉降缝又未采取相应构造措施时,结构就会倾斜或产生裂缝。

二、工程概况

某商业和酒店综合体,地下三层,地上东、西两侧塔楼15层,中间裙房5层,采用框架-剪力墙结构体系,目前该建筑已投入使用。该建筑为超长结构,地下结构长130m,宽70m;地上塔楼长64m,宽28m;地上裙房长65m,宽64m。3层地下部分连为一体不设缝,设置沉降和伸缩后浇带,为防止结构超长部位产生温度裂缝,在首层楼板内及地下一层外墙内设置无粘结预应力抗裂钢筋;地上部分在塔楼与裙房之间设置抗震缝,地上结构超长部分设置伸缩后浇带。

三、针对上述超长结构工程的设计方法要点

对钢筋混凝土超长结构最主要的技术难题就是开裂的问题,目前实际工程中一般采取后浇带的方法,但是后浇带虽然能防止混凝土由于收缩和徐变而产生的裂缝却不能防止温度裂缝,而且影响施工工期,给施工带来许多的不便。其利用混凝土前期收缩量较大的性质,在建筑过长的时候,适当距离内对结构影响较小的位置处选择性设置后浇带,一般每隔30m～40m便设置一道,后浇带宽度800mm～1000mm,后浇带混凝土浇灌时间一般在两个月后。在这个时期,两侧的混凝土可以相对自由的收缩,其收缩变形可以大部分完成。但是后浇带只能解决混凝土结硬时期的收缩应力,不能消除温度应力。后浇带内的板筋一般采用直通加弯或者搭接的做法,其内部梁纵筋作法有两种,第一是直通不切断,必须适当加大边跨梁的纵筋配筋率,同时增加该跨梁腰筋,这种做法施工简单,但是存在混凝土硬结收缩会受到一定约束的缺陷;另一种做法是断开梁纵筋,先搭接纵筋,浇筑前进行焊接,这样保证了后浇带两侧混凝土的自由收缩,但也使得施工较为困难,浇筑前要进行梁纵筋焊接,加大了工作量,还不易保证焊接质量,不易检测质量。比较而言,后浇带内纵梁间距较大,后浇带较少穿过梁的情况可选用做法一;后浇带内纵梁布置密集,后浇带穿梁较多情况下选择做法二进行设计。近十年来,采用补偿收缩混凝土的方法来防止裂缝在工程中得到广泛的应用,并取得了良好的效果,使用膨胀剂作为建筑结构裂渗控制的一个有效技术措施,已受到设计施工界的认可,有些科研设计者根据具体的超长结构,对补偿收缩混凝土裂缝控制进行了计算分析,合理分布膨胀加强带,提出了构造钢筋的合理布置。膨胀混凝土由于价格低廉,施工方便,抗裂性能良好而大受欢迎。

四、钢筋混凝土超长结构设计的构造措施

1 后浇带的设置

后浇带的具体设计应考虑施工时的接缝处的处理，采用梁的受力钢筋不断开的构造加强措施，并适当附加纵向受力钢筋，箍筋间距在该跨应全长加密；墙和板的钢筋应断开搭接，以便两部分的混凝土各自自由收缩。本工程通过设置后浇带来释放混凝土早期收缩应力,减小混凝土收缩变形,后浇带设置在梁跨1/3处,宽度为1m。留设后浇带给施工带来一定影响,跨后浇带的预应力筋须在后浇带封闭且混凝土达到张拉设计强度才可张拉,模板周转受到影响,预应力筋需及时张拉,以保证工期。

2 补偿收缩混凝土的应用

超长结构设计采用补偿收缩混凝土,以提高结构自身抗裂性能,膨胀混凝土是通过在后浇带外掺入约12%;后浇带内掺入约15%的膨胀剂来实现的,作用是通过混凝土的膨胀在其内部产生预压应力,它能抵消混凝土在收缩过程中产生的全部或部分拉应力,同时膨胀推迟了混凝土开始收缩的时间,使混凝土的抗拉强度有时间得到较大的增长,而增长后的抗拉强度有利于抵抗收缩应力,具有减小或延缓混凝土结构开裂的可能。大面积超长钢筋混凝土结构的膨胀混凝土配制与普通混凝土相同,膨胀混凝土配制时的原材料、配合比、称量、拌和、质量控制等与同一强度等级普通混凝土基本相同(除膨胀剂按比例取代水泥量外),下面就确定补偿收缩混凝土的配合比做一些补充说明,主要有:大多数施工单位和搅拌站只测掺膨胀剂混凝土的坍落度、强度和抗渗标号,不测混凝土的限制膨胀率,根据GBJll9规范,掺膨胀剂的补偿收缩混凝土的特性指标是:水中养护14d的限制膨胀率≥0.015%。膨胀剂主要用途是补偿收缩,根据大量工程实践表明,防水工程底板混凝土的限制膨胀率ξ2=0.02%～0.025%,侧墙ξ2=0.03%～0.035%,后浇带或膨胀加强带ξ2=0.035%～0.04%为宜。膨胀剂替代了水泥后,混凝土的强度会下降,因而认为少掺膨胀剂有保障,这是个误区。研究表明,膨胀剂发生膨胀主要是在1d～7d,而强度试件是自由状态,钙矾石膨胀对水泥结构有微小破坏,所以7d抗压强度比空白混凝土下降10%左右属于正常现象,而28d强度完全可以达到设计标号。在实际工程中,混凝土结构都受到钢筋和邻位的约束,试验表明,带模养护的膨胀混凝土试件的限制强度比自由强度高10%～15%。所以掺入膨胀剂的混凝土强度不会降低。

五、结语

超长高层的不断出现，使得混凝土超长结构较易出现的温度收缩裂缝呈现逐渐增多趋势。掌握了超长结构的设计要点，以及其与普通结构设计的不同与复杂性，探讨分析超长结构及其可能存在的问题，采取有效的控制方法，从而建造出高质量安全的建筑。

参考文献：

[1] 石平杰.超长地下室无缝设计及施工的措施[J].山西建筑，2011（21）

[2] 姜虎.浅谈超长地下室的结构设计分析[J].城市建设理论研究，2012（09）