曹皓

（廣東南雅建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)形式日趨大型化、復(fù)雜化，質(zhì)量要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。人們對(duì)建筑物的造型及使用要求不斷提高。相比普通結(jié)構(gòu)，超長(zhǎng)無(wú)縫混凝土結(jié)構(gòu)具有外立面美觀、保溫、水密性好、設(shè)備管線布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。但因超長(zhǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)也不小，比較突出的是結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比較大及混凝土收縮、徐變、溫度作用顯著，如何解決這兩個(gè)難題，是超長(zhǎng)無(wú)縫混凝土結(jié)構(gòu)成功與否的關(guān)鍵。下面將結(jié)合具體工程案例來(lái)探討應(yīng)對(duì)方案。

1 工程概況

汕頭國(guó)際海上風(fēng)電培訓(xùn)中心位于廣東省汕頭市。建筑占地面積8026.1m2，總建筑面積約20338.82m2；其中北側(cè)培訓(xùn)綜合樓建面約13422m2，主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用灌注樁。地上6 層，無(wú)地下室，建筑高度23.8m。

該單結(jié)構(gòu)平面尺寸：2～4 層為128.5m×23.15（17.3）m，5 至屋面層為112m×17.3m。結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度遠(yuǎn)超規(guī)范限值，如果按規(guī)范要求設(shè)置伸縮縫會(huì)影響建筑物的美觀及使用功能，不設(shè)置伸縮縫又會(huì)因施工或使用階段的溫差作用使樓板產(chǎn)生過(guò)大的收縮裂縫。這些裂縫將直接影響樓板結(jié)構(gòu)的使用功能，混凝土結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)裂縫就極難修復(fù)。而且超長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比過(guò)大，地震波輸入的位相差而產(chǎn)生的不規(guī)則震動(dòng)所引起的震害也必須引起注意。2 層結(jié)構(gòu)平面如圖1 所示。

圖1 2 層結(jié)構(gòu)平面

2 抗震分析

本工程場(chǎng)地土類型為中軟土，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，根據(jù)地勘報(bào)告揭露，自上至下（巖）土層分別為：素填土、細(xì)砂、淤泥、砂質(zhì)黏性土、全（強(qiáng)）風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖層。場(chǎng)地特征周期為0.55s?？拐鹪O(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g。

該項(xiàng)目首、二層層高分別為5.0m、4.1m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.6m。典型柱截面：600mm×800mm、600mm×900mm、700mm×900mm，典型梁截面：400mm×700mm、400mm×600mm、350mm×700mm、300mm×700mm、300mm×600mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)如下：豎向構(gòu)件為C30～C40，水平構(gòu)件為C30?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，框架抗震等級(jí)為二級(jí)。因結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比較大，為保證雙向抗側(cè)剛度接近，框架柱均采用長(zhǎng)矩形布置（較大柱高沿Y 向布置），沿Y 向框架梁采用較大截面以加強(qiáng)該方向的豎向構(gòu)件連接，增大Y 向抗側(cè)剛度。

該項(xiàng)目計(jì)算分析選用北京構(gòu)力科技有限公司的PKPM 的SATWE 模塊，整體計(jì)算模型如圖2 所示，并利用北京筑信達(dá)工程咨詢有限公司的ETABS 軟件對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，驗(yàn)算了底部剪力、周期、最大層間位移角等主要性能指標(biāo)。底部剪力對(duì)比如表1 所示。周期對(duì)比如表2 所示。層間位移角對(duì)比如表3 所示。通過(guò)對(duì)比計(jì)算可知，該框架整體指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，證明加強(qiáng)Y 向抗側(cè)剛度的整體思路是正確的，該項(xiàng)目主要采用以下3 種措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表1 底部剪力對(duì)比

表2 周期對(duì)比

表3 層間位移角對(duì)比

圖2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

（1）布置長(zhǎng)矩形框架柱以加大Y 向抗側(cè)剛度，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證兩個(gè)平動(dòng)方向的周期接近，結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近。

（2）Y 向框架采用強(qiáng)框梁連接（結(jié)合建筑布置采用單向板，以Y 向框架為主要豎向承重體系）。

（3）平面右側(cè)有兩層通高報(bào)告廳，結(jié)構(gòu)跨度約17m，大跨框梁截面為500mm×1250mm，柱截面為800mm×800mm，大跨區(qū)域框架采用抗震性能設(shè)計(jì)，框架梁、柱均按中震抗剪彈性、抗彎不屈服進(jìn)行復(fù)核加強(qiáng)。

3 溫度應(yīng)力分析

由于本工程X 向長(zhǎng)度達(dá)128.5m（5 至屋面層縮減至112m），將近規(guī)范最大間距55m[1]的2.4 倍。上部樓蓋在溫度作用下會(huì)產(chǎn)生變形，但因其受到豎向構(gòu)件的約束，無(wú)法自由地膨脹或收縮，會(huì)在樓板產(chǎn)生約束應(yīng)力并導(dǎo)致開裂。

3.1 確定綜合溫差

根據(jù)汕頭市的氣象資料分析，夏季平均氣溫約27℃，夏季最高氣溫約32℃，冬季平均氣溫約17℃，東季最低氣溫約13℃，年平均溫差約10℃。另混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中，由于各種原因會(huì)出現(xiàn)體積縮小現(xiàn)象，其影響因素較為復(fù)雜，包括水灰比、材料、環(huán)境及養(yǎng)護(hù)條件等。混凝土收縮與溫降收縮類似，工程中常采用收縮當(dāng)量溫度來(lái)近似處理?；炷潦湛s相對(duì)變形值的當(dāng)量溫度計(jì)算[2]如式（1）和式（2）所示。

式中：TY（t）——齡期為t 時(shí)，混凝土收縮值當(dāng)量溫度；α——混凝土的線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5；εy（t）——齡期為t 時(shí)，混凝土收縮引起的相對(duì)變形值；——在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)狀態(tài)下混凝土最終收縮的相對(duì)變形值，取4.0×10-4；M1，M2，…，M11——混凝土收縮變形不同條件影響修正系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算，并結(jié)合考慮混凝土外加劑、后澆帶等有利作用，本工程收縮當(dāng)量溫度近似取10℃，溫升作用下混凝土受壓，對(duì)混凝土作用不明顯，不會(huì)導(dǎo)致樓板開裂，故僅對(duì)溫降工況進(jìn)行分析。綜合計(jì)算溫差為10℃（降溫溫差）+10℃（混凝土收縮當(dāng)量溫差）=20℃，考慮到室內(nèi)采用空調(diào)設(shè)備，在使用過(guò)程中年均溫差將更小，結(jié)合上述幾點(diǎn)，確定工程綜合計(jì)算溫差為18℃。

3.2 溫度應(yīng)力分布

該項(xiàng)目選用北京構(gòu)力科技有限公司的PKPM 的PMSAP 模塊進(jìn)行溫降工況分析，需要注意的是在計(jì)算分析前，應(yīng)將默認(rèn)的剛性板屬性改為彈性膜或彈性板6，這兩種屬性板均可反應(yīng)板的面內(nèi)剛度，但彈性板6 還會(huì)考慮板的面外剛度[3]，會(huì)導(dǎo)致一部分豎向荷載通過(guò)樓板直接傳遞給框柱，和剛性板相比，梁的配筋會(huì)相應(yīng)減小。該項(xiàng)目采用彈性板6，梁柱配筋按剛性板和彈性板6 進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。2 層溫降工況下溫度應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 2 層溫降工況下溫度應(yīng)力分布（單位：kN/m2）

從應(yīng)力分布圖可知，溫降工況下，溫度應(yīng)力由兩端向中心變形，端部?jī)煽缂爸虚g區(qū)域應(yīng)力較大，并在框架柱周邊及開洞區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力接近2.0MPa，該項(xiàng)目樓（屋）面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，拉應(yīng)力峰值雖未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa，但卻大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43MPa。

4 防裂措施

結(jié)合上述分析數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目主要采取以下措施進(jìn)行加強(qiáng)。

4.1 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

（1）合理選用混凝土強(qiáng)度等級(jí)，高強(qiáng)混凝土雖有利于減小截面尺寸。但過(guò)高的強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致混凝土收縮和溫度應(yīng)力過(guò)大。對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)建議不要超過(guò)C35，該項(xiàng)目水平構(gòu)件均采用C30。

（2）板厚適當(dāng)加厚，樓層板板厚不小于120mm，屋面板板厚不小于140mm。

（3）樓（屋）面板進(jìn)行拉通配筋，并加大沿超長(zhǎng)方向的貫通筋配筋率，標(biāo)準(zhǔn)層不小于0.2%，屋面層不小于0.25%（參考中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司編著的《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)措施》確定）[4]。

（4）加強(qiáng)梁內(nèi)貫通筋及腰筋，其搭接及錨固均應(yīng)滿足受拉筋要求，腰筋與主筋及腰筋間距不大于200mm?？蚣芰毫喉斂缰性O(shè)置不小于兩根通長(zhǎng)筋，該項(xiàng)目采用兩端支座筋直通，次梁梁頂跨中按照跨度選用不小于2根d14 的貫通筋，并與梁兩端支座按受拉搭接設(shè)計(jì)。

（5）應(yīng)力較大區(qū)域板厚適當(dāng)加厚，并按有限元分析結(jié)果配置抗拉鋼筋。

（6）在合理位置留設(shè)后澆帶，本工程在長(zhǎng)度方向1/3位置留設(shè)了兩道后澆帶，盡量釋放混凝土的早期收縮變形。

4.2 施工加強(qiáng)措施

（1）混凝土中加入適當(dāng)比例的粉煤灰摻合料以減少水泥用量，降低水化熱，本工程屋面混凝土要求摻入12%的粉煤灰。

（2）加入一定量的微膨脹劑，微膨脹劑大概能產(chǎn)生0.2MPa～0.7MPa 的預(yù)壓應(yīng)力[5]，以較大膨脹應(yīng)力補(bǔ)償部分溫差、干燥收縮應(yīng)力，本工程屋面層混凝土摻入8%的SY-K 型膨脹纖維抗裂防水劑，后澆帶的摻量為12%。

（3）加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，保證合適的溫度和濕度，落實(shí)專人專責(zé)并適當(dāng)延長(zhǎng)拆模時(shí)間。

（4）控制混凝土入模溫度，盡量保證在較低溫度下入模，低溫下合攏。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)工程師在碰到超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)不能設(shè)縫的情況下，應(yīng)細(xì)致分析其可能帶來(lái)的不利影響，如抗震性能、溫差荷載等，根據(jù)汕頭國(guó)際海上風(fēng)電培訓(xùn)中心項(xiàng)目的計(jì)算分析結(jié)果，當(dāng)結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，可從結(jié)構(gòu)布置入手消除其不利影響，該項(xiàng)目通過(guò)合理布置豎向構(gòu)件很好地改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能。溫差荷載應(yīng)結(jié)合環(huán)境溫差、混凝土收縮、徐變等綜合考慮，采用“抗”“放”結(jié)合的方式來(lái)控制結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。并采取合適的施工和構(gòu)造措施，有效防止混凝土的開裂。