楊維英

(福建省交通規(guī)劃設計院有限公司,福州 350004)

城市建設突飛猛進，超長的公共建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》(2015版)[1]關于鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距(室內或土中)如下：框架結構為55 m，剪力墻結構為45 m，地下區(qū)域為30 m。在實際工程應用中，綜合考慮使用功能、外觀、防水性及耐久性等因素，要求無斷縫設計的超長結構越來越多，超長結構設計必然要考慮裂縫控制，特別是溫度效應作用下混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫。

當前對于超長結構裂縫控制的研究主要集中于應用有限元軟件及理論公式計算對裂縫產(chǎn)生原因和分布規(guī)律進行分析，輔以其他措施控制裂縫的發(fā)展。韓光翔[2]以一個超長框架為例進行計算，考慮混凝土收縮和徐變，分析溫度應力變化規(guī)律，結果表明，后澆帶閉合后的降溫及收縮是溫度應力的控制因素。范重等[3]對超長框架結構溫度作用進行研究，給出結構計算時最大正負溫差的取值方法，通過建立多層框架結構簡化模型來分析溫度內力沿結構的豎向變化規(guī)律。王鐵夢[4]提出計算彈性溫度應力分跨總和法，根據(jù)溫度變化快慢程度建議應力松弛系數(shù)取0.3～0.5。彭英等[5]研究表明，混凝土徐變可以大幅度降低溫度應力，溫差效應計算時應合理考慮混凝土徐變引起的卸載效應，通過合理選擇后澆帶澆筑時溫度來控制溫差大小可以有效降低溫差效應。陳尚志[6]等結合贛州西站站前廣場項目，提出以緩粘結預應力為主的裂縫控制措施，取得良好的裂縫控制效果。

該文結合興泉鐵路永春站站前廣場項目，采用PKPM程序軟件建立溫度應力作用下的超長混凝土結構模型，分析溫度應力變化對結構造成的不利影響，并采取相應的抗裂措施，為類似的超長結構設計提供參考。

1 工程概況

站前廣場位于永春縣，框架結構，地上2層，無地下室，采用沖孔灌注樁基礎，建筑結構安全等級為二級，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度(0.10g),設防地震分組為三組，二類場地，標準設防，抗震等級為三級。基本風壓為0.45 kN/m2。建筑面積為8 410 m2，建筑長度為160.1 m，二層寬度為24.45 m，屋頂層寬度為16.35 m，屬超長結構。由于建筑使用功能的特殊性，不設置伸縮縫，長度遠超規(guī)范規(guī)定的限值，因此必須考慮溫度效應作用，采取相應措施減少溫度應力造成的不利影響。

2 變形分析

根據(jù)作用原理不同，混凝土收縮主要分為[4]：碳化收縮、化學收縮、體積收縮和溫度收縮，其中化學收縮和碳化收縮的量在整體收縮的占比較小，一般不予考慮。文獻[7]將混凝土的體積收縮引起的變形換算成等效溫度作用，與結構的溫度變化相疊加，結合其他相關研究成果，混凝土體積收縮當量換算成等效溫差溫度取ΔT=-5 ℃。

超長結構在受到高于混凝土入模成型時的溫度時產(chǎn)生膨脹變形，反之產(chǎn)生收縮變形。當變形受到基礎剛度及整體框架約束的影響時，內部將產(chǎn)生應力，在升溫效應作用下，混凝土自身體積膨脹內部將產(chǎn)生壓應力，對裂縫起有利作用，在降溫效應作用下，體積收縮內部產(chǎn)生拉應力，當產(chǎn)生的拉應力大于混凝土的軸心抗拉強度標準值時，將產(chǎn)生裂縫，結合國內外超長混凝土結構設計經(jīng)驗，該文主要分析梁板在降溫情況下對構件內力的影響。

3 溫度效應確定及模型分析

3.1 溫度效應確定

永春地處福建東南部，年平均氣溫20 ℃，極端最低氣溫零下7 ℃，極端最高氣溫38.4 ℃，根據(jù)工程實際施工情況，預估后澆帶封閉時的月平均氣溫為20 ℃。根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》[8]，結構最大降溫的工況，均勻溫度作用標準值按式(1)計算

ΔTk=Ts,min-T0,max

(1)

站前廣場四周開敞，無室內外溫差，最低溫度-7 ℃，后澆帶澆筑溫度為20 ℃，收縮當量換算溫差-5 ℃，故最大降溫溫差為-32 ℃?；炷敛牧暇哂袩岫栊再|，溫度荷載作用對于混凝土結構的影響是一個長期的過程，需考慮混凝土徐變帶來的影響，由于混凝土徐變導致應力松弛，進而引起應力重分布，超長混凝土結構由于溫差產(chǎn)生的實際伸縮變形會明顯小于彈性計算的結果?？紤]混凝土徐變的因素，按彈性計算的溫差效應乘以松弛系數(shù)[9]。根據(jù)快慢取松弛0.3～0.5，該工程取0.3，在軟件模型中輸入。

3.2 模型分析

溫度變化對結構構件的變形主要可以分為兩部分，即沿構件的軸線方向的伸縮變形和繞中性軸的轉動變形。構件軸向方向的伸縮變形即為構件的均勻升溫或降溫引起的變形，繞中性軸的轉動變形即構件內外表面的溫差造成的變形。變形如圖1所示，其中α為材料的線膨脹系數(shù)，H為截面高度，ds為截面寬度，t1、t0、t2分別為截面上表面、截面中性軸、截面下表面溫度。

采用PKPM軟件計算溫度應力，程序采用構件截面均勻受溫均勻伸縮的溫度加載方式，即不考慮桿件內外表面的溫差影響，只考慮均勻受溫引起的軸向變形，不考慮構件溫差引起的彎曲變形。該工程為室外工程，基本符合程序假定。在溫度荷載定義中輸入最低降溫-32 ℃，考慮混凝土徐變因素，砼構件溫度效應折減系數(shù)取0.3，計算樓板應力時設置為彈性板6，梁柱計算時樓板設置彈性膜，采用有限元進行計算，計算結果如圖2～圖4，樓板應力單位為kN/m2。

梁板采用C35混凝土，軸心抗拉強度標準值為1.57 N/mm2，也即1 570 kN/m2。圖2顯示，在降溫工況下，結構首層的變形遠大于二層。圖3及圖4顯示樓板應力分布在結構中部較為均勻，端部應力變化較大，最大應力分布在框架柱周邊及樓板開洞邊緣，這是由于框架柱剛度較大，樓板開洞造成應力突變引起的，屋面層樓板在溫度應力作用下產(chǎn)生的拉應力在0.5 MPa以內，遠小于混凝土軸心抗拉強度標準值，不需要特別采取防裂措施，二層樓面板溫度應力較大，局部大于混凝土抗拉強度標準值，需要特別采取防裂措施。可以看出，超長混凝土結構由于溫度效應產(chǎn)生的變形主要集中于結構底部，這是由于基礎嵌固約束的影響，首層結構在溫度效應作用下引起的內力和變形最大，二層由于約束減小，溫度效應作用迅速減小，柱底嵌固對溫度效應影響顯著。

4 裂縫控制措施

4.1 設置后澆帶

混凝土凝結初期由于水化作用，水分蒸發(fā)較大，導致混凝土收縮，為減小混凝土施工初期收縮帶來的不利影響，該工程結合平面使用功能設置5道伸縮后澆帶，后澆帶的封閉時間兩側混凝土齡期達到2個月以后，待混凝土早期收縮大部分完成后再進行。后澆帶的混凝土應采用無收縮混凝土，強度等級提高一級，且控制混凝土的入模溫度不得高于兩側混凝土的澆搗溫度，在夜間溫度較低時澆搗混凝土，設定后澆帶的澆筑溫度不得高于20 ℃。

4.2 設置緩粘結預應力鋼絞線

圖3中二層樓板在X向溫度應力局部大于混凝土軸心抗拉強度標準值1.57 MPa，需要采取抗裂措施，因此在二層樓板范圍內長度方向設置少量緩粘結預應力鋼絞線，用以抵抗溫度應力。同傳統(tǒng)預應力技術相比，緩粘結預應力不需要灌漿及穿波紋管，待緩粘結劑固化后，緩粘結預應力筋與周邊混凝土協(xié)同變形工作，達到有粘結預應力的力學效果[10]。

采用1×7φs15.2預應力鋼絞線作為預應力鋼筋，fptk=1 860 MPa,σcon=0.70fptk=1 860×0.7=1 302 MPa，扣除錨具回縮變形、摩擦以及應力松弛引起的預應力損失后，單絞線有效拉應力為1 010.5 MPa。以200 mm樓板為例，若要在X向建立預壓應力為2.0 MPa，則每米板中配置預應力筋根數(shù)為：n=(200 mm×1 000 mm×2.0 MPa)/(1 010.5 MPa×139 mm2)=2.85根，為在長度方向建立2 MPa預壓應力，可在單位樓板寬度(1 m)范圍內布置3×1×7φs15.2鋼絞線。

4.3 其他措施

混凝土中加入抗裂纖維，提高其早期的抗裂性能，嚴格控制好配合比，選用活性較低的水泥，普通減水劑，細度及活性不高的摻和料，適當增加骨料含量，將水膠比控制在0.4～0.5之間。施工時宜在相對低溫下澆筑，降低混凝土入模溫度，制定合理的澆搗順序和間隔時間，振搗時不應漏振、欠振和過振。拆模時盡可能廣域晚拆模，且拆模時混凝土溫度不能過高，以避免接觸空氣時降溫過快而開裂，更不能在拆模時澆注涼水養(yǎng)護。

樓板鋼筋采用細而密的雙層雙向拉通筋配置，并在支座處附加鋼筋。對柱子的箍筋進行加密處理。對超長方向的梁均設置腰筋，按梁高間隔200 mm設置一道，并加強梁的上部鋼筋。

加強樓板的保溫隔熱措施，設置60 mm厚絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板(燃燒性能等級為B1級)等高效保溫材料，以減小溫度梯度效應。

5 結 論

該文主要分析了超長混凝土結構考慮混凝土收縮當量溫差、徐變情況下，構件在降溫工況下的應力分布規(guī)律，結果表明：

a.由于基礎剛度的影響，首層結構在溫度作用下引起的變形和內力最大，二層結構溫度效應迅速減小，超長結構溫度效應的研究應主要集中在結構的首層。

b.樓板應力分布在結構中部較為均勻，端部應力變化較大，最大應力分布在框架柱周邊及樓板開洞邊緣。

c.采取設置后澆帶，設置預應力鋼筋等措施能有效控制溫度效應產(chǎn)生的裂縫。