王 平,陳繁榮

(1.浙江華東城市建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司,浙江 杭州 310014；2.中國聯(lián)合工程公司,浙江 杭州 310051)

1 項目概況

本項目位于貴州省都勻經(jīng)濟開發(fā)區(qū),建設(shè)單位為黔南州文化和廣播電影電視局,建筑面積為15 498.6 m2,本期工程為1幢單體,呈環(huán)形,多層博物館,地下室1層,上部3層；地上為3邊圓環(huán)結(jié)構(gòu),展開面長約210 m,寬約20～22 m。長度約為90 m,高度17.40 m；主體外半徑為108 m,內(nèi)半徑為90 m,寬度18 m。建筑物設(shè)計使用年限100年,抗震設(shè)防烈度為6度,基本地震加速度值為0.05 g,所屬的設(shè)計地震分組為第1組,抗震設(shè)防類別為乙類。結(jié)構(gòu)體系采用帶少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)體系。剪力墻抗震等級為2級、框架抗震等級為2級,樓屋蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土肋梁樓蓋。見圖1～2。

圖1 黔南州博物館二層平面圖

2 溫度荷載分析

由于建筑功能要求,上部結(jié)構(gòu)不能設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。該結(jié)構(gòu)體型對整體抗扭較有利,但由于結(jié)構(gòu)環(huán)形展開長度大大超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010—2010)》第8.1.1條規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮的最大間距規(guī)定,因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮溫差收縮效應(yīng)。

溫度效應(yīng)包括豎向溫差效應(yīng)和水平溫差效應(yīng)。由于本工程的高度不高,但平面尺寸卻較大,豎向溫差不起控制作用,僅須考慮水平溫差效應(yīng)。本工程用于計算溫度應(yīng)力的溫差等于季節(jié)溫差加上混凝土收縮當(dāng)量溫差。

圖2 黔南州博物館效果圖

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009—2012)》和《貴州都勻市地形氣候水文基本概況》(取平均氣溫和極端氣溫中間值),本項目所在地基本氣溫最高為31 ℃,最低為-1.0 ℃,假定樓面后澆帶澆搗階段日平均氣溫為12 ℃?，F(xiàn)對本項目混凝土材料收縮引起的當(dāng)量溫差進行分析。

2.1 收縮當(dāng)量溫差的確定

方式一：

考慮混凝土收縮作用在工程設(shè)計計算時,可把混凝土的收縮值換算成相當(dāng)?shù)臏囟冉档椭?稱為當(dāng)量溫差ΔT,以便與結(jié)構(gòu)所受的溫差作用進行綜合計算[1]。

ΔT=-εY(t)/α.

(1)

式中α=1×10-5/℃為混凝土線膨脹系數(shù)。

通常情況下混凝土極限收縮應(yīng)變約為400×10-6,取60 d后澆帶封閉時混凝土收縮量占極限收縮60%,則混凝土的收縮應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εy=-400×10-6×40%=1.6×10-4.

(2)

本工程梁板采用補償收縮混凝土澆筑,這種混凝土的限制膨脹率為2.5×10-4,限制干縮率為1.5×10-4,取實際的膨脹率為1×10-4,則整體收縮應(yīng)變?yōu)?.6×10-4-1×10-4=0.6×10-4,故混凝土收縮當(dāng)量溫差為：

(3)

方式二:

王鐵夢《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》對計算混凝土收縮量提出了相關(guān)計算方法[2]。本工程參考這種方法,其原理是首先確定某種標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的最大收縮,任何其他狀態(tài)下的最大收縮應(yīng)用各種不同系數(shù)加以修正[3]。計算公式見式(4)：

ε∞=ε0M1M2M3…Mn.

(4)

式(4)中：ε∞為某種狀態(tài)下混凝土的最大收縮應(yīng)變或最終收縮應(yīng)變；

ε0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的最大收縮應(yīng)變或最終收縮應(yīng)變,對于任何強度等級的混凝土均為一固定值3.24×10-4；

Mi為各種相關(guān)的修正系數(shù),對于本工程,各修正系數(shù)乘積M1M2M3…Mn<1.0,取為1.0。

任意時間的混凝土收縮量εt按公式 (5)計算:

εt=ε∞(1-e-0.001t).

(5)

式(5)中t為時間,單位為d。

結(jié)構(gòu)各部分的收縮應(yīng)變可由式(4)、(5)算出。本工程后澆帶至少60 d之后才能澆筑,這時,結(jié)構(gòu)前60 d的結(jié)構(gòu)整體收縮應(yīng)變已釋放掉,應(yīng)扣除此60 d的收縮應(yīng)變,整體收縮應(yīng)變計算如下：

據(jù)式(4)及(5)得出：

ε∞=ε0M1M2M3…Mn=3.24×10-4.

ε(60d)=ε∞(1-e-0.001×60)=1.46×10-4.

則整體收縮應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε=ε∞-ε(60d)=1.78×10-4.

本工程梁板采用補償收縮混凝土澆筑,這種混凝土的限制膨脹率為2.5×10-4,限制干縮率為1.5×10-4,取實際的膨脹率為1×10-4,則整體收縮應(yīng)變?yōu)?.78×10-4-1×10-4=0.78×10-4,故各樓層混凝土收縮當(dāng)量溫差為:

ΔT=-εY(t)/α=-7.8℃.

(6)

式(6)中α=1×10-5/℃為混凝土線膨脹系數(shù)。

以上兩種計算方式,結(jié)果比較接近,綜合上述分析計算,本項目混凝土收縮效應(yīng)當(dāng)量溫差取-8 ℃進行設(shè)計。

2.2 軟件計算參數(shù)取值

在軟件計算中,溫度取值為:降溫-21 ℃(-1 ℃-12 ℃-8 ℃=-21 ℃),升溫為11℃(31-12-8=11℃) 根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009—2012)》要求,溫度效應(yīng)分項系數(shù)取值為1.4,組合值系數(shù)為0.6。同時考慮到徐變對內(nèi)力的影響,取徐變折減系數(shù)為0.3,見圖3。

另外,在結(jié)構(gòu)計算分析時樓板設(shè)置為彈性膜,模型中降溫輸入為負(fù)值。圖3為計算參數(shù)取值。

圖3 軟件計算

3 設(shè)計措施

1)配筋措施,設(shè)計中考慮到降溫的影響,按照有降溫荷載下的配筋文件進行梁、柱、樓板的配筋。增大高應(yīng)力區(qū)樓板配筋率,樓板可以考慮不小于0.3% 的配筋率,同時鋼筋網(wǎng)雙層雙向布置,加強雙梁的縱筋和腰筋,提高因樓板混凝土變形引起的梁側(cè)向受彎能力,加強屋面保溫隔熱措施,采用高效保溫材料,減少溫度梯度效應(yīng)。

圖4 控制帶構(gòu)造做法

2)在拉應(yīng)力較大位置設(shè)置后澆帶和控制帶,后澆帶間距控制在40 m 以內(nèi),后澆帶的澆筑時間要比兩側(cè)結(jié)構(gòu)晚澆至少60 d,以減小混凝土收縮當(dāng)量溫度應(yīng)力。樓板控制帶混凝土強度等級同該層樓板混凝土強度等級,并要求采用水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料XYPEX(賽栢斯)進行處理?？刂茙?gòu)造做法見圖4?？刂茙е虚g縫采用柔性材料填充,控制帶設(shè)計為凹槽形式,寬400 mm左右,控制帶板厚較其他樓板厚小20～40 mm。

3)控制后澆帶封閉氣溫,應(yīng)在一年中氣溫比較低的季節(jié)澆筑(合攏溫度控制在7～17 ℃之間),即當(dāng)?shù)卮呵锛竟?jié)。

4)控制帶、后澆帶處梁鋼筋貫通,板鋼筋斷開后搭接連接,搭接長度大于45 d；混凝土澆筑后潮濕養(yǎng)護不少于15 d,并務(wù)必采取有效的覆蓋隔熱措施,確保混凝土不裸露暴曬,室外部分混凝土板必須有覆土和保溫隔熱構(gòu)造措施。

5)抗裂防滲混凝土措施，梁板構(gòu)件全樓采用UEA補償收縮混凝土的限制膨脹率εy不低于2.5×10-4?；炷林心z凝材料(水泥、膨脹劑和摻合料的總量)不得小于350 kg/m3,其中水泥用量不應(yīng)小于280 kg/m3,水膠(水泥、摻合料和膨脹劑)比不宜大于0.5,不得大于0.55。確定混凝土膨脹劑摻量的正確方法是按照《混凝土膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(GBJ 50119—2003)》中的試驗方法,使用實際工程原材料,進行限制膨脹率試驗,以達到工程設(shè)計的限制膨脹率和強度指標(biāo)時的膨脹劑摻量為準(zhǔn)?？沽逊罎B混凝土的抗壓強度以及限制膨脹率和限制干縮率的試驗值均應(yīng)滿足設(shè)計要求,且檢測條件應(yīng)與施工條件相同。當(dāng)工程所用原材料或混凝土性能發(fā)生變化時,應(yīng)再進行試配試驗。

屋面層梁板同時采用摻聚丙烯抗裂纖維混凝土,聚丙烯抗裂纖維應(yīng)采用符合國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品。摻量根據(jù)需要調(diào)整,大概每立方米混凝土中摻入0.9 kg聚丙烯抗裂纖維,聚丙烯抗裂纖維與砂石水泥等同時加入,適當(dāng)延長攪拌時間30～50 s,施工和養(yǎng)護同其他抗裂混凝土,符合施工質(zhì)量要求。

4 結(jié) 語

設(shè)計時考慮如何將混凝土自身收縮轉(zhuǎn)化為當(dāng)量溫降,以及考慮徐變應(yīng)力松弛的等效溫差計算,并在設(shè)計措施方面采用如設(shè)置后澆帶與凹槽形控制帶等措施,從而有效控制超長混凝土結(jié)構(gòu)的溫度收縮變形,故可作為類似工程項目結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒的一種思路和方法。