黔南州博物馆项目超长结构温度荷载分析

王 平,陈繁荣

(1.浙江华东城市建筑规划设计有限公司,浙江 杭州 310014；2.中国联合工程公司,浙江 杭州 310051)

1 项目概况

本项目位于贵州省都匀经济开发区,建设单位为黔南州文化和广播电影电视局,建筑面积为15 498.6 m2,本期工程为1幢单体,呈环形,多层博物馆,地下室1层,上部3层；地上为3边圆环结构,展开面长约210 m,宽约20～22 m。长度约为90 m,高度17.40 m；主体外半径为108 m,内半径为90 m,宽度18 m。建筑物设计使用年限100年,抗震设防烈度为6度,基本地震加速度值为0.05 g,所属的设计地震分组为第1组,抗震设防类别为乙类。结构体系采用带少量剪力墙的框架结构体系。剪力墙抗震等级为2级、框架抗震等级为2级,楼屋盖采用现浇钢筋混凝土肋梁楼盖。见图1～2。

图1 黔南州博物馆二层平面图

2 温度荷载分析

由于建筑功能要求,上部结构不能设置结构缝。该结构体型对整体抗扭较有利,但由于结构环形展开长度大大超过了《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》第8.1.1条规定的钢筋混凝土结构伸缩的最大间距规定,因此需要在结构设计中考虑温差收缩效应。

温度效应包括竖向温差效应和水平温差效应。由于本工程的高度不高,但平面尺寸却较大,竖向温差不起控制作用,仅须考虑水平温差效应。本工程用于计算温度应力的温差等于季节温差加上混凝土收缩当量温差。

图2 黔南州博物馆效果图

根据《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》和《贵州都匀市地形气候水文基本概况》(取平均气温和极端气温中间值),本项目所在地基本气温最高为31 ℃,最低为-1.0 ℃,假定楼面后浇带浇捣阶段日平均气温为12 ℃。现对本项目混凝土材料收缩引起的当量温差进行分析。

2.1 收缩当量温差的确定

方式一：

考虑混凝土收缩作用在工程设计计算时,可把混凝土的收缩值换算成相当的温度降低值,称为当量温差ΔT,以便与结构所受的温差作用进行综合计算[1]。

ΔT=-εY(t)/α.

(1)

式中α=1×10-5/℃为混凝土线膨胀系数。

通常情况下混凝土极限收缩应变约为400×10-6,取60 d后浇带封闭时混凝土收缩量占极限收缩60%,则混凝土的收缩应变为：

εy=-400×10-6×40%=1.6×10-4.

(2)

本工程梁板采用补偿收缩混凝土浇筑,这种混凝土的限制膨胀率为2.5×10-4,限制干缩率为1.5×10-4,取实际的膨胀率为1×10-4,则整体收缩应变为1.6×10-4-1×10-4=0.6×10-4,故混凝土收缩当量温差为：

(3)

方式二:

王铁梦《工程结构裂缝控制》对计算混凝土收缩量提出了相关计算方法[2]。本工程参考这种方法,其原理是首先确定某种标准状态下混凝土的最大收缩,任何其他状态下的最大收缩应用各种不同系数加以修正[3]。计算公式见式(4)：

ε∞=ε0M1M2M3…Mn.

(4)

式(4)中：ε∞为某种状态下混凝土的最大收缩应变或最终收缩应变；

ε0为标准状态下混凝土的最大收缩应变或最终收缩应变,对于任何强度等级的混凝土均为一固定值3.24×10-4；

Mi为各种相关的修正系数,对于本工程,各修正系数乘积M1M2M3…Mn<1.0,取为1.0。

任意时间的混凝土收缩量εt按公式 (5)计算:

εt=ε∞(1-e-0.001t).

(5)

式(5)中t为时间,单位为d。

结构各部分的收缩应变可由式(4)、(5)算出。本工程后浇带至少60 d之后才能浇筑,这时,结构前60 d的结构整体收缩应变已释放掉,应扣除此60 d的收缩应变,整体收缩应变计算如下：

据式(4)及(5)得出：

ε∞=ε0M1M2M3…Mn=3.24×10-4.

ε(60d)=ε∞(1-e-0.001×60)=1.46×10-4.

则整体收缩应变为：

ε=ε∞-ε(60d)=1.78×10-4.

本工程梁板采用补偿收缩混凝土浇筑,这种混凝土的限制膨胀率为2.5×10-4,限制干缩率为1.5×10-4,取实际的膨胀率为1×10-4,则整体收缩应变为1.78×10-4-1×10-4=0.78×10-4,故各楼层混凝土收缩当量温差为:

ΔT=-εY(t)/α=-7.8℃.

(6)

式(6)中α=1×10-5/℃为混凝土线膨胀系数。

以上两种计算方式,结果比较接近,综合上述分析计算,本项目混凝土收缩效应当量温差取-8 ℃进行设计。

2.2 软件计算参数取值

在软件计算中,温度取值为:降温-21 ℃(-1 ℃-12 ℃-8 ℃=-21 ℃),升温为11℃(31-12-8=11℃) 根据《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》要求,温度效应分项系数取值为1.4,组合值系数为0.6。同时考虑到徐变对内力的影响,取徐变折减系数为0.3,见图3。

另外,在结构计算分析时楼板设置为弹性膜,模型中降温输入为负值。图3为计算参数取值。

图3 软件计算

3 设计措施

1)配筋措施,设计中考虑到降温的影响,按照有降温荷载下的配筋文件进行梁、柱、楼板的配筋。增大高应力区楼板配筋率,楼板可以考虑不小于0.3% 的配筋率,同时钢筋网双层双向布置,加强双梁的纵筋和腰筋,提高因楼板混凝土变形引起的梁侧向受弯能力,加强屋面保温隔热措施,采用高效保温材料,减少温度梯度效应。

图4 控制带构造做法

2)在拉应力较大位置设置后浇带和控制带,后浇带间距控制在40 m 以内,后浇带的浇筑时间要比两侧结构晚浇至少60 d,以减小混凝土收缩当量温度应力。楼板控制带混凝土强度等级同该层楼板混凝土强度等级,并要求采用水泥基渗透结晶型防水涂料XYPEX(赛栢斯)进行处理。控制带构造做法见图4。控制带中间缝采用柔性材料填充,控制带设计为凹槽形式,宽400 mm左右,控制带板厚较其他楼板厚小20～40 mm。

3)控制后浇带封闭气温,应在一年中气温比较低的季节浇筑(合拢温度控制在7～17 ℃之间),即当地春秋季节。

4)控制带、后浇带处梁钢筋贯通,板钢筋断开后搭接连接,搭接长度大于45 d；混凝土浇筑后潮湿养护不少于15 d,并务必采取有效的覆盖隔热措施,确保混凝土不裸露暴晒,室外部分混凝土板必须有覆土和保温隔热构造措施。

5)抗裂防渗混凝土措施，梁板构件全楼采用UEA补偿收缩混凝土的限制膨胀率εy不低于2.5×10-4。混凝土中胶凝材料(水泥、膨胀剂和掺合料的总量)不得小于350 kg/m3,其中水泥用量不应小于280 kg/m3,水胶(水泥、掺合料和膨胀剂)比不宜大于0.5,不得大于0.55。确定混凝土膨胀剂掺量的正确方法是按照《混凝土膨胀剂应用技术规范(GBJ 50119—2003)》中的试验方法,使用实际工程原材料,进行限制膨胀率试验,以达到工程设计的限制膨胀率和强度指标时的膨胀剂掺量为准。抗裂防渗混凝土的抗压强度以及限制膨胀率和限制干缩率的试验值均应满足设计要求,且检测条件应与施工条件相同。当工程所用原材料或混凝土性能发生变化时,应再进行试配试验。

屋面层梁板同时采用掺聚丙烯抗裂纤维混凝土,聚丙烯抗裂纤维应采用符合国家或行业标准的合格产品。掺量根据需要调整,大概每立方米混凝土中掺入0.9 kg聚丙烯抗裂纤维,聚丙烯抗裂纤维与砂石水泥等同时加入,适当延长搅拌时间30～50 s,施工和养护同其他抗裂混凝土,符合施工质量要求。

4 结 语

设计时考虑如何将混凝土自身收缩转化为当量温降,以及考虑徐变应力松弛的等效温差计算,并在设计措施方面采用如设置后浇带与凹槽形控制带等措施,从而有效控制超长混凝土结构的温度收缩变形,故可作为类似工程项目结构设计借鉴的一种思路和方法。