超长混凝土结构住宅温度效应分析与结构设计措施

王初秋　崔森

摘 要：根据地方规范《超长混凝土结构防裂技术规范》的要求，对沈阳市沈北新区某小区超长混凝土结构住宅的梁、板等结构构件在温度作用下的应力进行有限元分析，设计上考虑应对温度变化的加强措施，以保证满足规范要求。

关键词：超长结构；温度应力；加强措施

1工程概况

本项目位于沈阳市沈北新区，占地为34880 m²的住宅小区，采用异形柱框架－剪力墙结构，地上6层，无地下室，层高均为2.9 m，其中3#、5#、8#、9#楼长度均超规范规定的50 m限值，以3#为例分析超长带来的温度应力影响。

1.1场地概况

根据当地气象资料统计发现，气温多年平均为7.9℃，最高为35.7℃，最低为-30.5℃，同时《建筑结构荷载规范》附录E给出了沈阳最低气温-24℃，最高气温33℃。

项目场地的土层情况从上到下分布为：①杂填土；②粉质粘土；③粉质粘土；④粉质粘土；⑤粉质粘土；⑥粉质粘土；⑦粉质粘土；⑧粉质粘土；⑨圆砾。冻土深度市区一般为1.0米，标准冻结深度为1.2米。

1.2结构设计概况

建筑功能：多层住宅，结构形式为异形柱框架剪力墙结构，基础类型为预应力管桩基础，楼板厚度130 mm，使用年限为50年，多层住宅不设永久变形缝的混凝土结构长度超过《超长混凝土结构防裂技术规范》中规定的60米（框剪）。本工程在后续施工时，考虑温度效应对结构的影响，根据规范要求长方向设置后浇带。

2结构计算温差的取值

2.1主体结构环境温差的确定

2.2混凝土收缩当量温差的确定

2.3结构计算温差的取值

3考虑徐变与应力松弛的松弛系数的确定

降低弹性应力的办法中能大幅度降低的为徐变和应力松弛，考虑徐变效应，结构构件的应力能够较精确分析，材料的强度能够充分利用，工程量能够减小以及对工程造价的降低有帮助。应力松弛对结构设计的有利作用，在工程应用上，主要通过“松弛系数”的确定来实现。

目前阶段国内超长混凝土结构设计时对于温度应力的计算有通常做法，即将温度变化等效混凝土的收缩，同时一起计算的还有实际温度变化，在温度及收缩作用下的弹性解是首先需要计算的，然后乘以考虑徐变的应力（松弛）折减系数。王铁梦的《工程结构裂缝控制》中近似将应力折减系数取值为0.3～0.5，国外将应力折减系数取值为0.3。本工程的计算过程中，0.3是松弛系数的取值。

4温度作用阶段的选取及组合系数的确定

首先，混凝土结构的温度作用应考虑以下阶段过程：

第一，结构后浇带封闭前的施工阶段：混凝土的浇筑温度应考虑，同时胶凝材料水化热、收缩变形以及环境温度也应考虑。

第二，结构后浇带进行封闭开始到工程使用前的施工阶段：应考虑混凝土的收缩变形以及环境温度作用。

第三，结构使用阶段：应考虑混凝土的收缩变形和环境温度作用。

其次，当混凝土结构的构造措施、后浇带设置、所用材料、混凝土生产与施工符合规范要求时，结构后浇带封闭前的施工阶段的温度作用效应分析可不进行计算。结构使用阶段因环境温差太小不起控制作用，所以本次设计时只考虑第二阶段结构后浇带进行封闭开始到工程使用前的施工阶段。

最后，各阶段混凝土结构的温度作用宜与其他可能同时出现的荷载作用效应进行组合，并应符合下列要求：

第一，施工阶段，结构应按承载能力极限状态进行设计。荷载组合中不考虑风荷载、地震作用。

第二，使用阶段，结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行设计，荷载组合中可不考虑地震作用。

第三，各类作用（荷载）的取值、分项系数、组合系数与准永久系数应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》的规定。

根据《建筑结构荷载规范》中的第9.1.3条以及规范后面条文说明的规定，温度作用效应的组合值系数应为0.6，可变荷载的分项系数应为1.5。

5结构计算模型的确定

本工程采用有限元分析软件YJK盈建科软件1.9.0进行温度效应的分析计算。

YJK中温度荷载的施加：为方便对后期结果的处理，直接将“应力松弛系数”0.3乘以温度作用于结构。通过大量超长结构分析结果及实际经验可知，降温对结构起控制作用，所以本次分析计算中，只考虑降温工况。

6温度作用效应的计算分析与验算

6.1混凝土板的温度应力分析与验算

6.1.1混凝土板的温度应力分析

仅在降温工况作用下，板底与板顶的温度应力在数值与分布规律上都基本相同。尺寸较大的洞口处以及比较狭窄的连接板处，均出现应力集中的现象，并且通过模拟看出板超长方向（X方向）温度应力绝大部分不大于0.7 MPa。

6.1.2混凝土板的配筋设计

鉴于结构中温度效应的分布规律，为使顶板的配筋经济合理，绝大部分进行钢筋统配，个别应力集中的部位另行配置附加钢筋。

6.2混凝土板的温度应力验算

7结构防裂措施

7.1材料要求

首先，采用中低热硅酸盐水泥；其次，粗骨料：粒径不得超过两个数值，一个為构件截面最小尺寸的1/4，另一个为钢筋最小净间距的3/4，同时不宜大于31.5 mm；对混凝土实心板，粒径不宜超过板厚的1/3；含泥量不应大于1%，泥块含量不应大于0.5%；最后，细骨料：宜采用水洗中砂，细度模数不宜小于2.6。

7.2配筋及构造要求

通过对在温度作用下的计算分析，结合规范《超长混凝土结构防裂技术规范》中规定，在设计中采取了以下构造措施来减小因温度变化而引起混凝土开裂。

7.2.1设置温度后浇带[2]

本工程设置贯通的温度后浇带，并在带外采用补偿收缩混凝土[3]。

7.2.2框架柱配筋要求

超长方向两端各两跨的框架柱的主筋与箍筋应适当加强。在结构超长方向上，外梁两侧腰筋的间距宜定为150 mm，每侧腰筋的截面面积不应小于一个数值，即梁宽和梁腹板高度乘积的0.15%。

7.2.3板配筋要求

第一，板底和板頂支座单侧配筋率均应满足：计算配筋率与0.25%（0.15%）较大值。

第二，板顶通长配筋率＞0.15%。

第三，大洞口影响范围的板，板顶和板底单侧配筋率均应满足：计算配筋率+0.25%。

7.2.4车库挡土墙配筋要求

墙体单面水平通长钢筋的配筋率有一定要求，即数值不小于0.2%。

7.3对混凝土施工及养护的要求

7.3.1混凝土的施工

（1）混凝土在工地或搅拌站进行配制时，要保证足量的膨胀剂的加入，即按混凝土配合比进行掺入。

（2）现场拌制混凝土的拌制时间要比普通混凝土长，具体增加时间可为30秒，以保证将膨胀剂、水泥、减水剂（泵送剂）拌和均匀。

（3）控制混凝土出罐温度和浇灌温度：

①现场捣拌时，在白天室外气温＞28℃时，砂、石堆场应采取一定的遮阳措施，如遮阳棚。

②混凝土出罐温度≤15℃，混凝土浇灌温度≤15℃，宜早晚浇注混凝土。

③为减少混凝土泵送过程吸收太阳的辐射热，在泵车水平输送管上可以采取一定措施，如覆盖一层草袋和经常喷洒冷水，并且实施范围为整个输送管的长度。

④采用多台泵车同时输送，缩短混凝土浇灌时间。

（4）严格控制混凝土塌落度，塌落度控制在（180±20）mm。

（5）板模板在浇灌混凝土前要充分湿润。

（6）板混凝土浇灌完毕后，要排除混凝土表面的泌水。

（7）为了防止混凝土收缩裂缝的产生，板、侧墙均可使用抗裂防水剂无收缩混凝土，楼板限制膨胀率2.0x10^-4，膨胀加强带等填充部分限制膨胀率取2.5x10^-4。

7.3.2混凝土的拆模与养护

（1）混凝土拆模时间需进行控制，规定浇筑后16小时松开模板螺栓，24小时后拆模，吊起模板宜在一天中温度较高的时候进行，以此防止刚拆模，混凝土受到温度过大变化而产生过冷刺激。

（2）混凝土的浇水养护需加强，可采用长流水养护，方法为在墙体顶部中间设置带细小孔洞的PVC塑料管。

（3）在混凝土浇灌结束后，顶板表面用木蟹抹平，后铺上一层草袋，充分浇水养护。后浇带合拢以后，施工单位应做好保温、遮盖以及四周围护措施。

8结论

超长混凝土的工程在建筑行业较常见，一旦设计和施工有问题，后期开裂将对工程的安全有着重大隐患，因此对设计人员以及施工工程师都提出了较高的要求。本文对结构计算温差取值进行确定，并对沈阳某小区进行工程分析模拟，针对超长混凝土开裂提出材料要求、配筋及构造要求、施工及养护等建议要求。

参考文献

[1]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[J].四川建筑科学研究，2015，41（01）：49-52.

[2]王家俊.地下室工程混凝土结构裂缝成因及控制措施[J].建材与装饰，2017，489（32）：22-23.

[3]董磊，李震.超长地下室混凝土结构裂缝控制设计[J].工程建设与设计，2017，373（23）：28-30.