剪力墙结构超长温度应力分析

孙强

摘要：结构设计中，对于超过混凝土结构最大适用长度时，一般采取设置抗震缝的方式将结构划分为几个结构单元，但对使用功能造成较大影响。本文通过温度作用间接效应分析，计算超长结构在温度影响下产生的温度应力，并根据温度应力计算配筋，与结构荷载效应组合，解决由于超长混凝土剪力墙结构温度应力的影响，供结构设计人员参考。

Abstract： In structure design， when the maximum applicable length of the concrete structure is exceeded， the structure is usually divided into several structural units by setting the anti-seismic joints， but the function is greatly affected. In this paper， through analysis of the indirect effect of temperature， the temperature stress produced by the super long structure under the influence of temperature is calculated， and the reinforcement is calculated according to the temperature stress. By combining with the structural load effect， the influence of temperature stress on the long concrete shear wall structure is solved， which provides reference for structure design personnel.

關键词：超长混凝土结构；温度应力；剪力墙

Key words： super-long concrete structure；temperature stress；shear wall

中图分类号：TU398+.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0152-03

0 引言

随着结构分析方法的日益完善，建造水平的逐步调高，超长结构在现如今的工程中得到越来越广泛的应用，如何采取合理的构造措施及计算分析方法，确保超长结构的安全，成为现如今结构设计的一大热点，纵观目前超长结构设计方法，各地存在较大差异，自2009年开始，辽宁省建筑设计研究院积极探索考虑混凝土收缩及温度作用对超长混凝土结构的影响，形成了可供工程实际应用的计算方法，并将其应用在实际工程中，已建成多个成功案例，应用效果良好，未出现由于裂缝所导致的工程问题。

1 超长混凝土结构

《混凝土结构设计规范》[1]（GB50010-2010）8.1.1条，现浇钢筋混凝土剪力墙结构伸缩缝最大间距为45m。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）第8.1.3条规定，当有充分依据并采取可靠措施时，混凝土结构伸缩缝最大间距可适当增大，增大幅度不超过20%：

①采用减小混凝土收缩或温度变化的措施；低收缩混凝土材料，施工阶段加强养护；②采用专门的预加应力或增配构造钢筋的措施；③采用低收缩混凝土材料，采取跳仓浇筑、后浇带、控制缝等施工方法，并加强施工养护。

沈阳市地方标准《超长混凝土结构防裂技术规范》[3] （DB2101/TJ013-2013）第5.1.2条规定，不设永久变形缝的地上混凝土结构最大长度应符合表1的规定。

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综合上述三种情况，对于超长混凝土结构，可得到如下定义，超出规范或规程规定的最大适用长度的，为超长混凝土结构，在最大长度允许范围之内，可按规范的要求采取相应的构造措施，解决结构超长带来的不利影响。超过规范所允许的最大适用长度的超长混凝土结构，应考虑温差效应、混凝土的收缩和徐变等因素，进行结构间接作用效应分析。

2 工程概况

本工程为位于辽宁省营口市鲅鱼圈区，为昌宇星河湾21#住宅，地下2层，地上22层，结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构，基础采用长螺旋钻孔压灌桩筏型基础，建筑高度为建筑长宽为63.5m×21.1m超长，根据规范要求需进行温度应力分析，并采取相应的防裂措施。标准层平面布置如图1所示。

3 结构分析模型

计算软件：北京迈达斯技术有限公司开发的结构分析软件MIDAS/Gen（2014）中文版。

计算假定：结构地下层数为2层，结构地上层数为22层，采用线弹性分析。梁、柱采用梁单元，墙、板采用板单元。单元边长为1.0m，楼板均为弹性板，模型底部设为弹簧支座模拟地基土刚度。根据地质报告地下车库基础持力层为粉质黏土，地基承载力为170kPa，输入基础刚度，考虑地基对基础底板的弹性支承作用，地基竖向基床系数取为30000kN/m3，地基水平基床系数取为21000kN/m3，桩的水平刚度为10000kN/m，则传至底板上的水平刚度为2500kN/m3桩底土为粉质粘土，可塑～硬塑，基床反力系数取值为30000KN/m3，水平刚度为21000kN/m3，加上桩的水平刚度，则基础对底板的水平刚度取值为25000kN/m3。计算模型如图2所示。

4 气候条件

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）月平均气温最低值为-20℃，月平均气温最高值为+33℃。

5 温差取值及温度工况

5.1 施工阶段预测分析 根据建设单位工期计划及工程实际，2016年7月开始基础及地下室底板施工，2016年9月完成地下室侧墙及地下室顶板施工，2016年10月末完成±0.00板，2017年4月开始地上部分施工，预计每8天一层，2017年8月完成地上主体施工，2017年5月封闭地下室温度后浇带，2017年10月逐层封闭主楼温度后浇带封闭时，环境温度为10℃，封闭全部施工后浇带，后进行外墙封闭、安装门窗，2018年5月工程竣工。

5.2 温度作用工况分析 温度工况（一）：施工阶段最不利工况，完全按照施工阶段预测分析的要求，组织施工安排，此工况温度工况分析如下，2017年5月，地下室温度后浇带封闭时，环境温度为10℃，入冬前地下室回填完毕，冬季不采暖，地下室底板、侧墙部分最低气温取-5℃。地下室顶板及地上部分最低气温取-20℃，故降温温差取值如下：地下室底板、侧墙：-15℃；地下室顶板、地上部分：-30℃。最高月平均气温为33℃，升温温差最大为+23℃。

温度工况（二）正常使用阶段，由于采取了保温隔热措施且冬季采暖，故此时室内温度不低于5℃，故此种工况，最大降温温差为-5℃，最大升温温差为+23℃。此时混凝土收缩不计算在内。

5.3 混凝土收缩当量温差 在计算混凝土收缩量时，先确定某种标准状态下混凝土的最大收缩，任何其它状态下的最大收缩应用各种不同系数加以修正。计算公式如下：

ε（∞）=ε0（∞）·M1·M2·M3·…Mn

式中：ε（∞）为某状态混凝土的最大（最终）收缩应变；

ε0（∞）为标准状态混凝土的最大（最终）收缩应变，对于任何标号的混凝土均为一固定值：ε0（∞）=3.24×10-4；

Mi为各种修正系数。结合本工程，各修正系数的乘积M1·M2·M3·…Mn<1.0，取为1.0

而任意时间的混凝土收缩量可按下面公式计算。

ε（t）=ε（∞）·（1-e-0.01t）

式中：ε（t）为任意时间的收缩应变；t为时间，以天为单位。

后浇带封闭时，地下室及侧墙已完成9个月，地下室顶板8个月，地上一层～三层6个月，地上四层～地上八层5个月，地上八～屋面不小于2个月。

当采用限制膨胀率为2.5×10-4、限制干缩率为1.0×10-4的补偿收缩混凝土浇筑楼板，取膨胀率为1×10-4，保守取值0.5×10-4。即使用补偿收缩混凝土可抵消6个月的混凝土收缩当量温差。

5.4 温差作用取值 综上所述：荷载作用温差汇集如表2。

混凝土徐变会造成徐变变形或应力松弛，为简化计算，采用应力松弛系数的形式予以考虑，一般取为0.3～0.4，本工程取为0.3。由于降温会引起构件产生拉应力，升温产生压应力，故在温度效应组合时仅考虑降温温差带来的不利影响；温差应力为压应力且大于4.0MPa时，框架梁、板按压弯构件核算承载力，温差压应力不大于4.0MPa时，压应力远小于混凝土的抗压强度，无需进行承载力验算。

计算时为简化计算，地下室底板及侧墙按-17℃输入温度荷载，其他部分按-36℃输入温度荷载。

本工程根据最不利施工工况进行应力分析。在温度作用下，温度应力呈线性分布，可以很简便的推算出任意其他温度下构件的温度应力。计算时为简化计算，地下室底板及侧墙按降温-17℃输入温度荷载，其他部分按降温-36℃输入温度荷载。

6 温度应力分析结果

6.1 基础底板应力分析结果 由于主楼部分剪力墙较多且筏板较厚，主楼下筏板X方向底板中部的应力分布在0.5～1.0MPa间，两端应力分布在0.2～0.6MPa间，主楼外与构造底板连接处的底板应力在1.0～1.5。Y方向底板中部的應力应力分布在0.4～0.8MPa间，两端应力分布在0.2～0.4MPa间。主楼外与构造底板连接处的底板应力在1.0～1.7。

故温度应力作用下：底板的应力按1.0MPa配置温度筋，筏板配筋率为0.28%，单面0.14%，小于筏板构造配筋，取在荷载作用下的配筋作为筏板配筋。

构造底板按1.7MPa配置温度筋。防水板配筋率为0.48%，单面0.24%，300厚防水板配筋为Φ12@150，配筋率为0.25%。

6.2 各层楼板温度应力分析结果 楼板中应力自地下室顶板～屋面应力由大至小，其中地下室顶板应力最大，X方向应力自1.0～2.2MPa，Y方向自0.6～1.2MPa；一层楼板应力自0.7～1.4MPa，Y方向自0.3～0.5MPa；地上二层X方向应力自0.3～0.8MPa，Y方向自0.2～0.3MPa；地上三层以上温度应力均小于0.4MPa。

根据楼板温度应力结果，需将温度钢筋增设在板中，按增加的配筋率，此应力与荷载作用组合后进行楼板配筋。楼板应力较小（小于0.4MPa）的楼层，在无筋区域增设温度0.1%的温度钢筋。

6.3 梁 根据梁温度应力结果，地下室顶板应力较大，自地下室顶板～屋面应力由大至小，其中地下室顶梁应力最大，应力范围为1.5～2.0MPa；一层梁应力为0.8～1.8MPa；地上二层梁应力为0.2～1.0MPa；地上三层以上温度应力均小于0.4MPa。按照计算结果设置温度筋。地上部分梁应力逐层递减，根据应力分析结果配置在梁腰筋中，小于0.4MPa不设置温度筋。

6.4 剪力墙 根据墙温度应力结果，地下室墙体应力较大，自地下室顶板～屋面应力由大至小，地下室应力范围为1.4～1.7MPa；一层墙应力为1.0～1.6MPa；地上二层墙应力为0.4～1.0MPa；地上三层以上温度应力均小于0.4MPa。根据墙体温度应力结果，对墙体应力较大的楼层，按照温度筋和墙水平筋抗震计算值取较大值配置。

7 结论

通过上述分析，得出以下结论：①超长混凝土结构应根据实际工程进展选取合适的温度作用工况，以满足施工阶段及使用阶段的受力要求。混凝土结构超长要求设计、施工及建设单位密切配合，确保将温度作用的不利影响降至最低。②混凝土结构超长不设缝一定程度上会增加工程造价，但通过选取合理的计算参数及作用工况，可在满足结构安全的基础上将工程造价降至最低。

笔者通过很多工程包括超长地下室、地上超长的混凝土结构的设计，而且大多数已通过专项审查论证并已投入使用，工程工作状态良好，并未出现因温度作用影响产生的裂缝。

参考文献：

[1]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]DB21/T1745-2009，地下混凝土结构防裂技术规程[S].沈阳：辽宁省住房和城乡建设厅，2009.

[3]DB2101/T013-2013，超长混凝土结构防裂技术规范[S].沈阳：沈阳市城乡建设委员会，2013.