超长混凝土结构温度应力及裂缝控制研究

潘福婷，王艳华，蒋亚琼

(安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088)



超长混凝土结构温度应力及裂缝控制研究

潘福婷，王艳华，蒋亚琼

(安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽 合肥 230088)

摘要：温度应力是超长混凝土结构设计中所要考虑的关键问题。总结了解决温度应力和裂缝控制的常用方法后，通过工程实例对比分析了“抗”与“放”两种温度应力控制方法的优劣。结果表明，添加滑动支座可以有效地降低混凝土结构中的温度应力，是裂缝控制的有效方法。

关键词：超长混凝土结构;温度应力;预应力;滑动支座

近年来，随着中国在建筑设计、施工技术等方面的迅猛发展，各种大跨、大空间的建筑结构不断涌现。一般认为，现浇混凝土楼面结构的长度或宽度超过《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定的设缝限制要求即可认为是超长混凝土结构。对于超长混凝土结构体系，由于混凝土自身的收缩和徐变、结构的不均匀沉降以及温度变化等的影响，一些构件的变形受到其它构件的约束作用而开裂，通常收缩和温度应力是超长混凝土结构出现裂缝的主要原因，占开裂总数的80%以上。因此，在进行结构设计时必须考虑温度应力的不利影响。

1温度应力

自然环境中的所有建筑物，从开始施工到正式投入使用都将遭受各类不利自然环境条件的影响，这与结构物所处的地理位置、方位与朝向、季节变化特征、昼夜温差变化、太阳辐射强度及天气变化等有关。一般而言，引起混凝土结构温度应力的温差有以下3种类型(表1)，其中季节温差对结构裂缝和变形的影响较大，其他2种温差作用可以采取保温隔热和相关局部构造措施等予以解决。

表1　3种温度变化及其特点

由于温差作用，柱、墙等构件主要发生竖向变形，相对比较自由；而横向构件(梁、板)的变形就会受到柱和墙等竖向构件的约束，在结构中产生内力，即为温度应力。众所周知，混凝土是抗压不抗拉的材料，当产生的温度应力超过混凝土的抗拉强度时即会产生裂缝，这在超长混凝土结构中尤为常见。混凝土结构越长，温度变形越大，约束内力也就越大，这往往会引起结构性开裂。

2温度应力和裂缝的控制措施

2.1“抗”

“抗”就是使结构材料具有足够的抗拉强度和一定的抗拉伸能力来抵抗温度应力。主要借助以下措施[3,4]：

(1)提高混凝土的强度、钢筋的配筋率等措施，使得结构材料具有足够的抗拉强度来抵抗温度应力，这往往会增加结构自重；

(2)通过施加预应力来抵消部分温度应力，这样不仅可以提高结构的承载力，还能有效地控制混凝土的开裂，是解决混凝土结构温度应力的一个常用手段，但往往造价较高；

(3)在混凝土中添加一定的膨胀剂，利用混凝土产生的适度微膨胀来补偿其自身因温差而产生的收缩，防止早期裂缝的产生。但这种方法对后期收缩和温度变形引起的裂缝效果不明显，如若使用不当，则难以达到理想的效果。

2.2“放”

“放”的理念就是减小各构件之间的相互约束，使结构具有较大的变形能力，从而避免在结构中产生过大的内力而开裂。主要有以下方法[5-8]：

(1)设置伸缩缝：目前在国内及其他一些国家的设计规范中对于伸缩缝的间距都有明确的规定。虽然设置永久性的伸缩缝可以防止超长混凝土结构的开裂或破坏，但带来了许多弊端，如影响建筑平面布局、施工复杂、容易形成渗漏、填缝材料易于老化、结构整体性差、不利于抗震等；

(2)设置后浇带：设置后浇带可以释放施工阶段的温度应力和减少温度收缩裂缝，但对结构在使用阶段出现的收缩和温度应力控制效果不明显，施工周期也相对较长；

(3)安装滑动支座：在竖向受力构件与梁板之间添加滑动支座，以降低其对横向构件的约束作用；

(4)减小构件尺寸以减小约束：减小竖向构件的尺寸，以降低其对梁板结构的约束刚度，从而减小约束应力，但这会降低结构的整体刚度。

2.3“抗”与“放”结合

如果单纯采用“抗”的措施来解决温度应力问题，不但可能达不到预期控制效果，往往造价相对较高。因此，实际工程中往往是两种方法的综合应用。通过优化混凝土配合比、科学的施工工艺、外加剂的掺入、后浇带的留设、预应力筋的合理布置及滑动支座的设置等，经济有效地控制温度应力和收缩裂缝的产生。比如南京奥体中心等工程[9-11]，设计时主要采取了施加预应力的方法控制温度应力，辅以预留后浇带、伸缩缝等措施。

3工程实例应用

3.1基本概况

图1　屋顶结构图

某两栋3层框架结构商业建筑，平面轴线尺寸为88 m×88 m，柱网尺寸为8 m×8 m，楼屋盖采用双向交叉梁系来抵抗外荷载作用，屋顶的结构平面布置如图1所示。根据建筑设计需要，该工程伸缩缝的设置距离超过了《混凝土结构设计规范》规定的限值，因此需要对温度应力进行专门计算，并提出解决方案。

3.2温度应力计算

在这个结构中，中间各楼层受到的温差作用相差不大，因此产生的温度应力也较小。但对于顶层楼盖来说，在受到阳光直晒作用后，遭受了与相邻一层楼盖相差较大温度的作用，从而导致了屋盖与相邻层楼盖的胀缩冷缩变形不一致，在结构各构件中产生过大的拉应力，甚至可能导致混凝土开裂，影响结构的耐久性和安全度。因此，分析计算的重点放在顶层结构。

对该结构的顶层楼盖与下层楼盖在10 ℃负温差作用下进行有限元分析，计算结果见表2。结果表明，楼盖中部板中的拉应力并不大，但在边跨附近的楼板和梁柱截面上存在很大的拉应力，在正温差作用下，将会同样在梁、板、柱截面的对称位置上产生同样大小的拉应力，因此，必须采取相应的措施降低温度应力，以控制裂缝的开展。

表2　负温差作用下各构件最大应力

方案一：采取在楼面结构(梁、板)中施加预应力的方法。从表2中可以看出，在楼盖结构中施加预应力后虽然可以减小梁、板自身的拉应力，但施加的预应力会使柱子在承受外力之前就已经有了一定的侧向变形，这将与负温差产生的侧向变形相叠加，从而使柱内的应力有了一定程度的增大。

方案二：采取在柱顶设置滑动支座的方法，滑动支座布置如图2所示。从表2中可以看出，各构件(梁、板、柱)的温度应力均有了大幅减小。滑动支座的设置有效减小了柱子对楼盖的侧向约束，从而大幅减小结构中的温度应力。

图2　滑动支座布置图(A、B、　　　C、D代表滑动支座类型)

4结论

超长混凝土结构中竖向构件(柱和墙)的竖向变形是比较自由的，一般不会引起内力，而水平构件(梁和板)的横向变形会受到竖向构件的约束，从而在各构件内形成温度应力，而且约束作用越强应力越大。

在负温差作用下，在水平结构内施加预应力虽然会降低梁板内的温度应力，但会使得柱内的应力增加。因此，预应力技术不能解决柱的应力问题。

在柱顶布置滑动支座，以减小柱对梁板结构的约束作用，从而达到降低温度应力的做法是切实可行的。

参考文献：

[1]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范.

[2]王庆龙.超长混凝土结构温度及收缩裂缝控制方法研究.南京：东南大学，2008.

[3]杨成辰.超长混凝土框架温度收缩应力分析及无缝设计对策.合肥：合肥工业大学，2013.

[4]乔伟,陆道渊.重庆大剧院结构超长设计.建筑结构,2011,(41):520-523.

[5]姚大鹏,吕臻,杨佳.超长混凝土结构温度效应分析与工程实践.四川建筑科学研究，2015,41(01):49-52.

[6]吴京，陆嘉平，李进.超长混凝土框架结构中温度应力的研究.工业建筑,2006,36(05):20-22.

[7]王国林,孟少平.超长预应力混凝土结构后浇带设计新方法.建筑技术,2008,39(12):947-950.

[8]刘家彬,包文星,富鸣,等.南京国展中心超大面积楼面低收缩高性能混凝土的研究.混凝土,2002，(05):58-61.

[9]贺宇龙.超长预应力混凝土楼盖温度应力研究.南京：北京建筑工程学院，2012.

[10]窦思昆.预应力混凝土屋盖的温度应力分析.长沙：湖南大学，2012.

[11]熊学玉，顾炜，李亚明.超长预应力混凝土框架结构的长期监测与分析研究.土木工程学报,2009,42(02):1-10.

[责任编辑：王荣荣英文编辑：刘彦哲]

Temperature Stress and Crack Control of Super-Long Concrete Structure

PAN Fu-ting,WANG Yan-hua,JIANG Ya-qiong

(College of Civil & Environmental Engineering,Anhui Xinhua University,Hefei,Anhui 230088,China)

Abstract:Temperature stress is the key problem in the design of super-long concrete structure.In this paper, methods of temperature stress and crack controlling are summarized,and two methods of“resistance”and“release”were contrasted through an engineering example.The results show that adding sliding support can effectively reduce the temperature stress,which is an effective method to control cracks.

Key words:super-long concrete structure;temperature stress;prestress;sliding support

DOI：10.3969/j.issn.1673-1492.2016.01.006

中图分类号：TU 375

文献标识码：A

作者简介：潘福婷(1983-)，女，江苏扬州人，安徽新华学院，讲师，硕士。

来稿日期：2015-09-08