超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力及裂縫控制研究

潘福婷，王艷華，蔣亞瓊

(安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230088)

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超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力及裂縫控制研究

潘福婷，王艷華，蔣亞瓊

(安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230088)

摘要：溫度應(yīng)力是超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中所要考慮的關(guān)鍵問題?？偨Y(jié)了解決溫度應(yīng)力和裂縫控制的常用方法后，通過工程實例對比分析了“抗”與“放”兩種溫度應(yīng)力控制方法的優(yōu)劣。結(jié)果表明，添加滑動支座可以有效地降低混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力，是裂縫控制的有效方法。

關(guān)鍵詞：超長混凝土結(jié)構(gòu);溫度應(yīng)力;預(yù)應(yīng)力;滑動支座

近年來，隨著中國在建筑設(shè)計、施工技術(shù)等方面的迅猛發(fā)展，各種大跨、大空間的建筑結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。一般認(rèn)為，現(xiàn)澆混凝土樓面結(jié)構(gòu)的長度或?qū)挾瘸^《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)規(guī)定的設(shè)縫限制要求即可認(rèn)為是超長混凝土結(jié)構(gòu)。對于超長混凝土結(jié)構(gòu)體系，由于混凝土自身的收縮和徐變、結(jié)構(gòu)的不均勻沉降以及溫度變化等的影響，一些構(gòu)件的變形受到其它構(gòu)件的約束作用而開裂，通常收縮和溫度應(yīng)力是超長混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的主要原因，占開裂總數(shù)的80%以上。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮溫度應(yīng)力的不利影響。

1溫度應(yīng)力

自然環(huán)境中的所有建筑物，從開始施工到正式投入使用都將遭受各類不利自然環(huán)境條件的影響，這與結(jié)構(gòu)物所處的地理位置、方位與朝向、季節(jié)變化特征、晝夜溫差變化、太陽輻射強(qiáng)度及天氣變化等有關(guān)。一般而言，引起混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的溫差有以下3種類型(表1)，其中季節(jié)溫差對結(jié)構(gòu)裂縫和變形的影響較大，其他2種溫差作用可以采取保溫隔熱和相關(guān)局部構(gòu)造措施等予以解決。

表1　3種溫度變化及其特點(diǎn)

由于溫差作用，柱、墻等構(gòu)件主要發(fā)生豎向變形，相對比較自由；而橫向構(gòu)件(梁、板)的變形就會受到柱和墻等豎向構(gòu)件的約束，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力，即為溫度應(yīng)力。眾所周知，混凝土是抗壓不抗拉的材料，當(dāng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時即會產(chǎn)生裂縫，這在超長混凝土結(jié)構(gòu)中尤為常見。混凝土結(jié)構(gòu)越長，溫度變形越大，約束內(nèi)力也就越大，這往往會引起結(jié)構(gòu)性開裂。

2溫度應(yīng)力和裂縫的控制措施

2.1“抗”

“抗”就是使結(jié)構(gòu)材料具有足夠的抗拉強(qiáng)度和一定的抗拉伸能力來抵抗溫度應(yīng)力。主要借助以下措施[3,4]：

(1)提高混凝土的強(qiáng)度、鋼筋的配筋率等措施，使得結(jié)構(gòu)材料具有足夠的抗拉強(qiáng)度來抵抗溫度應(yīng)力，這往往會增加結(jié)構(gòu)自重；

(2)通過施加預(yù)應(yīng)力來抵消部分溫度應(yīng)力，這樣不僅可以提高結(jié)構(gòu)的承載力，還能有效地控制混凝土的開裂，是解決混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的一個常用手段，但往往造價較高；

(3)在混凝土中添加一定的膨脹劑，利用混凝土產(chǎn)生的適度微膨脹來補(bǔ)償其自身因溫差而產(chǎn)生的收縮，防止早期裂縫的產(chǎn)生。但這種方法對后期收縮和溫度變形引起的裂縫效果不明顯，如若使用不當(dāng)，則難以達(dá)到理想的效果。

2.2“放”

“放”的理念就是減小各構(gòu)件之間的相互約束，使結(jié)構(gòu)具有較大的變形能力，從而避免在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生過大的內(nèi)力而開裂。主要有以下方法[5-8]：

(1)設(shè)置伸縮縫：目前在國內(nèi)及其他一些國家的設(shè)計規(guī)范中對于伸縮縫的間距都有明確的規(guī)定。雖然設(shè)置永久性的伸縮縫可以防止超長混凝土結(jié)構(gòu)的開裂或破壞，但帶來了許多弊端，如影響建筑平面布局、施工復(fù)雜、容易形成滲漏、填縫材料易于老化、結(jié)構(gòu)整體性差、不利于抗震等；

(2)設(shè)置后澆帶：設(shè)置后澆帶可以釋放施工階段的溫度應(yīng)力和減少溫度收縮裂縫，但對結(jié)構(gòu)在使用階段出現(xiàn)的收縮和溫度應(yīng)力控制效果不明顯，施工周期也相對較長；

(3)安裝滑動支座：在豎向受力構(gòu)件與梁板之間添加滑動支座，以降低其對橫向構(gòu)件的約束作用；

(4)減小構(gòu)件尺寸以減小約束：減小豎向構(gòu)件的尺寸，以降低其對梁板結(jié)構(gòu)的約束剛度，從而減小約束應(yīng)力，但這會降低結(jié)構(gòu)的整體剛度。

2.3“抗”與“放”結(jié)合

如果單純采用“抗”的措施來解決溫度應(yīng)力問題，不但可能達(dá)不到預(yù)期控制效果，往往造價相對較高。因此，實際工程中往往是兩種方法的綜合應(yīng)用。通過優(yōu)化混凝土配合比、科學(xué)的施工工藝、外加劑的摻入、后澆帶的留設(shè)、預(yù)應(yīng)力筋的合理布置及滑動支座的設(shè)置等，經(jīng)濟(jì)有效地控制溫度應(yīng)力和收縮裂縫的產(chǎn)生。比如南京奧體中心等工程[9-11]，設(shè)計時主要采取了施加預(yù)應(yīng)力的方法控制溫度應(yīng)力，輔以預(yù)留后澆帶、伸縮縫等措施。

3工程實例應(yīng)用

3.1基本概況

圖1　屋頂結(jié)構(gòu)圖

某兩棟3層框架結(jié)構(gòu)商業(yè)建筑，平面軸線尺寸為88 m×88 m，柱網(wǎng)尺寸為8 m×8 m，樓屋蓋采用雙向交叉梁系來抵抗外荷載作用，屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。根據(jù)建筑設(shè)計需要，該工程伸縮縫的設(shè)置距離超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的限值，因此需要對溫度應(yīng)力進(jìn)行專門計算，并提出解決方案。

3.2溫度應(yīng)力計算

在這個結(jié)構(gòu)中，中間各樓層受到的溫差作用相差不大，因此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也較小。但對于頂層樓蓋來說，在受到陽光直曬作用后，遭受了與相鄰一層樓蓋相差較大溫度的作用，從而導(dǎo)致了屋蓋與相鄰層樓蓋的脹縮冷縮變形不一致，在結(jié)構(gòu)各構(gòu)件中產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，甚至可能導(dǎo)致混凝土開裂，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全度。因此，分析計算的重點(diǎn)放在頂層結(jié)構(gòu)。

對該結(jié)構(gòu)的頂層樓蓋與下層樓蓋在10 ℃負(fù)溫差作用下進(jìn)行有限元分析，計算結(jié)果見表2。結(jié)果表明，樓蓋中部板中的拉應(yīng)力并不大，但在邊跨附近的樓板和梁柱截面上存在很大的拉應(yīng)力，在正溫差作用下，將會同樣在梁、板、柱截面的對稱位置上產(chǎn)生同樣大小的拉應(yīng)力，因此，必須采取相應(yīng)的措施降低溫度應(yīng)力，以控制裂縫的開展。

表2　負(fù)溫差作用下各構(gòu)件最大應(yīng)力

方案一：采取在樓面結(jié)構(gòu)(梁、板)中施加預(yù)應(yīng)力的方法。從表2中可以看出，在樓蓋結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力后雖然可以減小梁、板自身的拉應(yīng)力，但施加的預(yù)應(yīng)力會使柱子在承受外力之前就已經(jīng)有了一定的側(cè)向變形，這將與負(fù)溫差產(chǎn)生的側(cè)向變形相疊加，從而使柱內(nèi)的應(yīng)力有了一定程度的增大。

方案二：采取在柱頂設(shè)置滑動支座的方法，滑動支座布置如圖2所示。從表2中可以看出，各構(gòu)件(梁、板、柱)的溫度應(yīng)力均有了大幅減小。滑動支座的設(shè)置有效減小了柱子對樓蓋的側(cè)向約束，從而大幅減小結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力。

圖2　滑動支座布置圖(A、B、　　　C、D代表滑動支座類型)

4結(jié)論

超長混凝土結(jié)構(gòu)中豎向構(gòu)件(柱和墻)的豎向變形是比較自由的，一般不會引起內(nèi)力，而水平構(gòu)件(梁和板)的橫向變形會受到豎向構(gòu)件的約束，從而在各構(gòu)件內(nèi)形成溫度應(yīng)力，而且約束作用越強(qiáng)應(yīng)力越大。

在負(fù)溫差作用下，在水平結(jié)構(gòu)內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力雖然會降低梁板內(nèi)的溫度應(yīng)力，但會使得柱內(nèi)的應(yīng)力增加。因此，預(yù)應(yīng)力技術(shù)不能解決柱的應(yīng)力問題。

在柱頂布置滑動支座，以減小柱對梁板結(jié)構(gòu)的約束作用，從而達(dá)到降低溫度應(yīng)力的做法是切實可行的。

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[責(zé)任編輯：王榮榮英文編輯：劉彥哲]

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

中圖分類號：TU 375

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：潘福婷(1983-)，女，江蘇揚(yáng)州人，安徽新華學(xué)院，講師，碩士。

來稿日期：2015-09-08