某辦公樓超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

李劍群，劉宜豐

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

某辦公樓超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

李劍群，劉宜豐

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

位于貴州省遵義市的某辦公樓，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度大大超過我國(guó)規(guī)范伸縮縫的最大間距，因超長(zhǎng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較為顯著。文章結(jié)合該辦公樓的超長(zhǎng)特性，較全面地介紹了此類結(jié)構(gòu)中如何考慮溫度應(yīng)力并通過詳細(xì)的溫度應(yīng)力計(jì)算分析、設(shè)置后澆帶、誘導(dǎo)縫、采用補(bǔ)償收縮混凝土以及施工控制等技術(shù)措施，解決超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和混凝土收縮問題，文中方法可供類似工程參考。

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)； 溫度應(yīng)力； 誘導(dǎo)縫

隨著近年我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，大型公共建筑得到蓬勃發(fā)展。雖然我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫的最大間距有明確要求，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，常常由于建筑師的要求或建筑物功能的需要，無(wú)法按規(guī)范要求設(shè)置伸縮縫，出現(xiàn)超出甚至遠(yuǎn)超現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的伸縮縫間距的超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)。

本文結(jié)合遵義市某超長(zhǎng)鋼筋混凝土辦公樓項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹此類結(jié)構(gòu)中如何考慮溫度應(yīng)力并通過詳細(xì)的溫度應(yīng)力計(jì)算分析、設(shè)置后澆帶、誘導(dǎo)縫、采用補(bǔ)償收縮混凝土以及施工控制等技術(shù)措施，解決了超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和混凝土收縮問題，并取得了預(yù)期的效果。

1 工程概況

本工程辦公樓建筑地上部分為193 m×64 m，遠(yuǎn)超現(xiàn)行規(guī)范要求；地上總層數(shù)為11層，建筑高度46.8 m，入口大廳為5層通高，高度為21 m。立面設(shè)計(jì)的原則是要體現(xiàn)方正、莊嚴(yán)、大氣恢弘及富有秩序感的建筑形象，因此建筑立面不允許設(shè)置永久變形縫(圖1～圖3)。由于結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)，施工及使用階段的溫度變化和混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響顯著，設(shè)計(jì)中必須考慮溫度應(yīng)力問題。

圖1 效果

圖2 二～五層典型平面布置

圖3 七層～屋面層典型平面布置

本文首先分析結(jié)構(gòu)溫度荷載的取值方法，然后采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度作用進(jìn)行計(jì)算和分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)有針對(duì)性的采用多種方法，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不設(shè)縫的目的。

2 結(jié)構(gòu)溫度荷載的確定

確定結(jié)構(gòu)溫度荷載的首要環(huán)節(jié)是確定綜合溫差。綜合溫差包含的影響因素主要有環(huán)境溫差、收縮當(dāng)量溫差及考慮徐變效應(yīng)的折減系數(shù)三個(gè)方面。

2.1 環(huán)境溫差的確定

環(huán)境溫差分為施工階段和使用階段。一般認(rèn)為施工階段的溫差影響可以通過一定的施工措施來解決，溫差分析更多的是關(guān)注使用階段的應(yīng)力情況，故環(huán)境溫差可取建筑物施工完成后可能遇到的最高或最低多年月平均溫度與建筑物合攏時(shí)斷面中心溫度的差值。結(jié)合工程的實(shí)際情況，取月平均氣溫15 ℃為結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的溫度(遵義地區(qū)冬暖夏涼，取此溫度較為合適) ，基本氣溫根據(jù)荷載規(guī)范[1]取值：最高平均氣溫34 ℃、最低平均氣溫-2 ℃。據(jù)此可計(jì)算求得最大升溫溫差為19 ℃，最大降溫溫差為-17 ℃。

2.2 收縮當(dāng)量溫差的確定

收縮當(dāng)量溫差是將結(jié)構(gòu)收縮產(chǎn)生的變形和降溫時(shí)產(chǎn)生的變形進(jìn)行等效換算所得的溫差。文獻(xiàn)[2]建議按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:α為混凝土線膨脹系數(shù)，取為1×10-5/℃；εy(t) 為任意時(shí)間產(chǎn)生的收縮變形，按下式計(jì)算:

其中:ξy0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最終收縮值，取值3.24×10-4;M1，M2，…，Mn為考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)。本工程綜合考慮了水泥品種及細(xì)度、骨料類型、水灰比、水泥漿量、初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間、使用環(huán)境濕度、構(gòu)件水力半徑、振搗操作方式及模量比和構(gòu)件配筋率等因素來確定修正系數(shù)。工程設(shè)計(jì)時(shí)各結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部都設(shè)置有溫度后澆帶，并考慮按60 d后封閉，計(jì)算出此時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成的收縮變形。取t=∞時(shí)的結(jié)構(gòu)收縮變形為全部收縮變形，該變形量和后澆帶封閉時(shí)已經(jīng)完成收縮變形量的差值即為后期總的收縮變形。計(jì)算出后期總收縮變形量后，即可計(jì)算出當(dāng)量溫差。

60 d的收縮值εy(60)=8.28×10-5

最終收縮值為εy(∞)=1.84×10-5

從而得到后期收縮量的當(dāng)量溫差:

T=Ty(∞)-Ty(60)=10℃

2.3 考慮徐變效應(yīng)的折減系數(shù)的確定

一般情況下，結(jié)構(gòu)遭受的季節(jié)最大溫差和收縮變形都是隨時(shí)間變化比較緩慢的作用，混凝土徐變總是利用變形使結(jié)構(gòu)內(nèi)力朝著變小的方向發(fā)展；結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下一般都是帶裂縫工作的，裂縫的產(chǎn)生將使得結(jié)構(gòu)剛度減小，內(nèi)部溫度應(yīng)力部分得以釋放；徐變產(chǎn)生的應(yīng)力松弛，可大幅度降低彈性應(yīng)力，結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈性分析的結(jié)果。考慮到這些有利的影響因素，可以考慮對(duì)綜合溫差進(jìn)行相應(yīng)的折減。文獻(xiàn)[2]建議根據(jù)溫差變化緩慢程度松弛系數(shù)可取為0.3～0.5，這里取0.3。

故綜合總降溫差為：

T=徐變應(yīng)力松弛系數(shù)×(季節(jié)溫差+收縮當(dāng)量溫差)

=0.3×(17+10)=8.1℃

升溫時(shí)可不考慮和當(dāng)量溫差疊加，故綜合總升溫差為：

T=徐變應(yīng)力松弛系數(shù)×季節(jié)溫差=0.3×19=5.7℃

2.4 溫度作用效應(yīng)組合

根據(jù)荷載規(guī)范[1]，溫度作用組合系數(shù)取為0.6，頻遇值系數(shù)取0.5，準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.4，分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

3 有限元分析

本工程采用了MIDASGen(V8.0) 進(jìn)行溫度應(yīng)力彈性有限元計(jì)算，計(jì)算采用三維梁板墻單元模擬水平及豎向構(gòu)件，按結(jié)構(gòu)布置整體建模(圖4)，并采用PMSAP(2012年6月版本)進(jìn)行復(fù)核。以典型的一榀框架1-Q為例，全樓降溫工況下分析主要結(jié)果如圖5～圖8。

圖4 整體計(jì)算模型

圖5 單榀框架(1-Q軸)梁軸力

圖6 單榀框架(1-Q軸)梁彎矩

圖7 單榀框架(1-Q軸)柱剪力

圖8 單榀框架(1-Q軸)柱彎矩

根據(jù)分析得到以下結(jié)論：在降溫工況下，溫度應(yīng)力對(duì)框架的影響主要集中在臨近嵌固端的下面兩層，溫度影響在兩層以上迅速衰減，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的整體效應(yīng)為頂部變形較大、附加內(nèi)力較小，底部變形較小、附加內(nèi)力較大；溫度作用對(duì)于底層框架柱的影響最為明顯，呈現(xiàn)出由邊跨向中間跨逐漸減小的趨勢(shì)，邊柱所受彎矩和剪力均最大；對(duì)于第二層樓面框架梁而言，彎矩的影響相對(duì)柱要小，主要是受軸力的影響，并且呈現(xiàn)出由邊跨向中間跨逐漸增大的趨勢(shì)。本工程體型因長(zhǎng)度中部下部幾層架空，對(duì)于溫度應(yīng)力影響大的下部臨近嵌固端的1～2層，自身?xiàng)l件相較一般的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)好。

本工程中降溫工況下考慮松弛系數(shù)0.3后，構(gòu)件最大內(nèi)力如下：

(1)梁最大軸力為759.9 kN，出現(xiàn)在第二層建筑長(zhǎng)向端頭與剪力墻相連的梁中；

(2)梁最大彎矩490.2 kN·m，出現(xiàn)在第二層建筑長(zhǎng)向端頭與邊柱相連的梁中；

(3)柱最大剪力為78.3 kN，出現(xiàn)在第一層建筑長(zhǎng)向端頭的邊柱中；

(4)柱最大彎矩為250.5 kN·m，出現(xiàn)在第一層建筑長(zhǎng)向端頭的邊柱的柱底。

樓板溫度應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖9～圖13。

圖9 二層樓板收縮應(yīng)力X向分布

圖10 三層樓板收縮應(yīng)力X向分布

圖11 六層樓板收縮應(yīng)力X向分布

圖12 十一層樓板收縮應(yīng)力X向分布

圖13 屋面板收縮應(yīng)力X向分布

樓板溫度應(yīng)力計(jì)算表明，由于溫度作用引起的板內(nèi)應(yīng)力第二層樓面比較明顯，第三層樓面及以上樓面非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，只有局部位置有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

本工程中降溫工況下考慮松弛系數(shù)0.3后，第二層樓板板內(nèi)絕大部分都是拉應(yīng)力，一般部位拉應(yīng)力都在0.95 MPa以內(nèi)，樓板局部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在設(shè)置了混凝土墻的部位，由于混凝土墻的平面內(nèi)剛度要比柱大很多，較大程度地限制了樓板的收縮，造成了較大的拉應(yīng)力，最大達(dá)到1.65MPa，在此位置考慮樓板鋼筋的作用，能抵抗此部分拉應(yīng)力。

4 結(jié)構(gòu)不設(shè)縫的技術(shù)措施

在前述計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均按考慮溫度荷載效應(yīng)組合后的包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，還對(duì)結(jié)構(gòu)有針對(duì)性的采用多種構(gòu)造措施及施工要求來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不設(shè)縫的目的。

4.1 構(gòu)造措施

4.1.1 設(shè)置后澆帶

后澆帶能有效釋放早期混凝土收縮應(yīng)力。本工程平面尺寸超長(zhǎng)的方向，設(shè)置了4條后澆帶，后澆帶最大間距48.7 m(圖14)。

圖14 溫度后澆帶布置

對(duì)于后澆帶提出以下要求：

(1)溫度后澆帶應(yīng)在60 d后選擇氣溫低的天氣(不高于15 °C)澆搗后澆帶的混凝土，并采用強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的微膨脹混凝土搗實(shí)；

(2)后澆帶混凝土內(nèi)應(yīng)摻入適量高性能混凝土膨脹劑和聚丙烯纖維，混凝土水中養(yǎng)護(hù)14 d的限制膨脹率應(yīng)不小于2.5×10-4?；炷僚蛎泟搅繎?yīng)以試驗(yàn)為準(zhǔn)(約為每m3混凝土中水泥用量的8%～10%)。聚丙烯纖維摻量為每m3混凝土0.9 kg，纖維長(zhǎng)度應(yīng)不小于19 mm，且應(yīng)有良好的分散性；

(3)后澆帶范圍內(nèi)，梁筋貫通不斷，板筋斷開搭接，搭接長(zhǎng)度為60d(d為鋼筋直徑)。

4.1.2 設(shè)置誘導(dǎo)縫

在以前的民用建筑中很少有采用誘導(dǎo)縫的做法，本工程在平面尺寸超長(zhǎng)的方向，設(shè)置了3條誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫的位置設(shè)在樓板拉應(yīng)力較大、易開裂的部位，分布在后澆帶中間，將樓板在縫的位置斷開成4段，各段最大長(zhǎng)度50.4 m(圖15、圖16)。

當(dāng)縱向拉應(yīng)力大到一定程度，此縫被拉開而釋放拉應(yīng)力，免于在其他部位開裂。

4.1.3 摻膨脹劑和抗裂纖維

對(duì)受溫度荷載影響較大的樓層(一層、屋面層及屋面下一層)樓板混凝土中加入膨脹劑及抗裂纖維，聚丙烯纖維摻量為每m3混凝土0.9 kg，纖維長(zhǎng)度應(yīng)不小于19 mm。

圖15 誘導(dǎo)縫布置

(a)帶縫梁處板配筋示意 (b)帶縫梁配筋示意 (c)次梁與帶縫梁交接示意 圖16 誘導(dǎo)縫構(gòu)造

4.1.4 增設(shè)附加溫度鋼筋

對(duì)沿平面尺寸超長(zhǎng)的方向梁腰筋及樓板鋼筋(包括下部鋼筋)均按受拉搭接和錨固，且對(duì)于跨中無(wú)負(fù)筋處均設(shè)置上部附加溫度鋼筋。

4.2 施工措施要求

(1)加強(qiáng)振搗，對(duì)混凝土進(jìn)行測(cè)溫，采取措施嚴(yán)格控制水灰比、摻加劑及塌落度并進(jìn)行測(cè)定。用水化熱低的水泥，嚴(yán)格控制混凝土粗細(xì)骨料的含泥量，配置混凝土?xí)r可摻入適量Ⅰ級(jí)粉煤灰(摻量不大于30%)以減少水泥用量。

(2)底板、樓板施工完畢后，需及時(shí)(澆筑后12 h以內(nèi))加強(qiáng)保濕、保溫養(yǎng)護(hù)措施,減小日照、濕度、風(fēng)速的影響?？刹捎盟芰媳∧せ驀婐B(yǎng)護(hù)劑及掛草簾等保濕、保溫養(yǎng)護(hù)14 d，對(duì)于墻側(cè)及板底、梁側(cè)梁底不易養(yǎng)護(hù)的地方，應(yīng)配置專人定時(shí)噴水養(yǎng)護(hù)，并加強(qiáng)對(duì)大體積混凝土的溫度監(jiān)控工作。

(3)側(cè)墻施工分段澆筑混凝土，后澆帶用鋼絲網(wǎng)攔截，并用鋼板止水帶；混凝土澆筑完成2 d后，松開模板螺栓，頂端及兩側(cè)澆水養(yǎng)護(hù)，7 d后拆除模板，采用淋水或掛麻袋覆蓋，保濕、保溫不得少于14 d，以不見白為準(zhǔn)。

(4)降低混凝土的拌合溫度和澆筑溫度，減少水化熱和收縮，澆筑時(shí)間避開溫度最高的時(shí)段。

(5)養(yǎng)護(hù)期間必須有專人負(fù)責(zé)，避免出現(xiàn)干燥情況，并制定合理的養(yǎng)護(hù)制度。地下室頂板的回填土應(yīng)提前準(zhǔn)備好，頂板拆模養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后要及時(shí)回填。

5 結(jié)束語(yǔ)

超長(zhǎng)建筑不設(shè)縫是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文介紹了如何確定季節(jié)溫度荷載和收縮當(dāng)量溫差的大小，及如何考慮混凝土徐變對(duì)溫度荷載影響，并對(duì)結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，通過計(jì)算得出結(jié)構(gòu)不同部位的溫度應(yīng)力值，在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位采取不同的結(jié)構(gòu)措施。本工程主體封頂后一年內(nèi)針對(duì)混凝土進(jìn)行了多次檢查，可見裂縫很少，說明本文針對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的控制措施基本得當(dāng)，達(dá)到了預(yù)期目的。

[1] GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]

[2] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997

李劍群(1979～)，男，碩士研究生，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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[定稿日期]2015-03-04