楊維英

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司,福州 350004)

城市建設(shè)突飛猛進(jìn)，超長的公共建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015版)[1]關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距(室內(nèi)或土中)如下：框架結(jié)構(gòu)為55 m，剪力墻結(jié)構(gòu)為45 m，地下區(qū)域為30 m。在實際工程應(yīng)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(shè)計的超長結(jié)構(gòu)越來越多，超長結(jié)構(gòu)設(shè)計必然要考慮裂縫控制，特別是溫度效應(yīng)作用下混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫。

當(dāng)前對于超長結(jié)構(gòu)裂縫控制的研究主要集中于應(yīng)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(jìn)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(jìn)行計算，考慮混凝土收縮和徐變，分析溫度應(yīng)力變化規(guī)律，結(jié)果表明，后澆帶閉合后的降溫及收縮是溫度應(yīng)力的控制因素。范重等[3]對超長框架結(jié)構(gòu)溫度作用進(jìn)行研究，給出結(jié)構(gòu)計算時最大正負(fù)溫差的取值方法，通過建立多層框架結(jié)構(gòu)簡化模型來分析溫度內(nèi)力沿結(jié)構(gòu)的豎向變化規(guī)律。王鐵夢[4]提出計算彈性溫度應(yīng)力分跨總和法，根據(jù)溫度變化快慢程度建議應(yīng)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(yīng)力，溫差效應(yīng)計算時應(yīng)合理考慮混凝土徐變引起的卸載效應(yīng)，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(yīng)。陳尚志[6]等結(jié)合贛州西站站前廣場項目，提出以緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力為主的裂縫控制措施，取得良好的裂縫控制效果。

該文結(jié)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(yīng)力作用下的超長混凝土結(jié)構(gòu)模型，分析溫度應(yīng)力變化對結(jié)構(gòu)造成的不利影響，并采取相應(yīng)的抗裂措施，為類似的超長結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 工程概況

站前廣場位于永春縣，框架結(jié)構(gòu)，地上2層，無地下室，采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)防地震分組為三組，二類場地，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，抗震等級為三級。基本風(fēng)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(jié)構(gòu)。由于建筑使用功能的特殊性，不設(shè)置伸縮縫，長度遠(yuǎn)超規(guī)范規(guī)定的限值，因此必須考慮溫度效應(yīng)作用，采取相應(yīng)措施減少溫度應(yīng)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(xué)收縮、體積收縮和溫度收縮，其中化學(xué)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(xiàn)[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(jié)構(gòu)的溫度變化相疊加，結(jié)合其他相關(guān)研究成果，混凝土體積收縮當(dāng)量換算成等效溫差溫度取ΔT=-5 ℃。

超長結(jié)構(gòu)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(dāng)變形受到基礎(chǔ)剛度及整體框架約束的影響時，內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，在升溫效應(yīng)作用下，混凝土自身體積膨脹內(nèi)部將產(chǎn)生壓應(yīng)力，對裂縫起有利作用，在降溫效應(yīng)作用下，體積收縮內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土的軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值時，將產(chǎn)生裂縫，結(jié)合國內(nèi)外超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，該文主要分析梁板在降溫情況下對構(gòu)件內(nèi)力的影響。

3 溫度效應(yīng)確定及模型分析

3.1 溫度效應(yīng)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(yù)估后澆帶封閉時的月平均氣溫為20 ℃。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]，結(jié)構(gòu)最大降溫的工況，均勻溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值按式(1)計算

ΔTk=Ts,min-T0,max

(1)

站前廣場四周開敞，無室內(nèi)外溫差，最低溫度-7 ℃，后澆帶澆筑溫度為20 ℃，收縮當(dāng)量換算溫差-5 ℃，故最大降溫溫差為-32 ℃。混凝土材料具有熱惰性質(zhì)，溫度荷載作用對于混凝土結(jié)構(gòu)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(dǎo)致應(yīng)力松弛，進(jìn)而引起應(yīng)力重分布，超長混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)果?？紤]混凝土徐變的因素，按彈性計算的溫差效應(yīng)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形主要可以分為兩部分，即沿構(gòu)件的軸線方向的伸縮變形和繞中性軸的轉(zhuǎn)動變形。構(gòu)件軸向方向的伸縮變形即為構(gòu)件的均勻升溫或降溫引起的變形，繞中性軸的轉(zhuǎn)動變形即構(gòu)件內(nèi)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(yīng)力，程序采用構(gòu)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(nèi)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(gòu)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(gòu)件溫度效應(yīng)折減系數(shù)取0.3，計算樓板應(yīng)力時設(shè)置為彈性板6，梁柱計算時樓板設(shè)置彈性膜，采用有限元進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖2～圖4，樓板應(yīng)力單位為kN/m2。

梁板采用C35混凝土，軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1.57 N/mm2，也即1 570 kN/m2。圖2顯示，在降溫工況下，結(jié)構(gòu)首層的變形遠(yuǎn)大于二層。圖3及圖4顯示樓板應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)中部較為均勻，端部應(yīng)力變化較大，最大應(yīng)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(yīng)力突變引起的，屋面層樓板在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力在0.5 MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)小于混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，不需要特別采取防裂措施，二層樓面板溫度應(yīng)力較大，局部大于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，需要特別采取防裂措施?？梢钥闯?，超長混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度效應(yīng)產(chǎn)生的變形主要集中于結(jié)構(gòu)底部，這是由于基礎(chǔ)嵌固約束的影響，首層結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)作用下引起的內(nèi)力和變形最大，二層由于約束減小，溫度效應(yīng)作用迅速減小，柱底嵌固對溫度效應(yīng)影響顯著。

4 裂縫控制措施

4.1 設(shè)置后澆帶

混凝土凝結(jié)初期由于水化作用，水分蒸發(fā)較大，導(dǎo)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(jié)合平面使用功能設(shè)置5道伸縮后澆帶，后澆帶的封閉時間兩側(cè)混凝土齡期達(dá)到2個月以后，待混凝土早期收縮大部分完成后再進(jìn)行。后澆帶的混凝土應(yīng)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(cè)混凝土的澆搗溫度，在夜間溫度較低時澆搗混凝土，設(shè)定后澆帶的澆筑溫度不得高于20 ℃。

4.2 設(shè)置緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線

圖3中二層樓板在X向溫度應(yīng)力局部大于混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1.57 MPa，需要采取抗裂措施，因此在二層樓板范圍內(nèi)長度方向設(shè)置少量緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，用以抵抗溫度應(yīng)力。同傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)相比，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力不需要灌漿及穿波紋管，待緩粘結(jié)劑固化后，緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與周邊混凝土協(xié)同變形工作，達(dá)到有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的力學(xué)效果[10]。

采用1×7φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為預(yù)應(yīng)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(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失后，單絞線有效拉應(yīng)力為1 010.5 MPa。以200 mm樓板為例，若要在X向建立預(yù)壓應(yīng)力為2.0 MPa，則每米板中配置預(yù)應(yīng)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(yù)壓應(yīng)力，可在單位樓板寬度(1 m)范圍內(nèi)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(yán)格控制好配合比，選用活性較低的水泥，普通減水劑，細(xì)度及活性不高的摻和料，適當(dāng)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(yīng)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(hù)。

樓板鋼筋采用細(xì)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(jìn)行加密處理。對超長方向的梁均設(shè)置腰筋，按梁高間隔200 mm設(shè)置一道，并加強梁的上部鋼筋。

加強樓板的保溫隔熱措施，設(shè)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(yīng)。

5 結(jié) 論

該文主要分析了超長混凝土結(jié)構(gòu)考慮混凝土收縮當(dāng)量溫差、徐變情況下，構(gòu)件在降溫工況下的應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明：

a.由于基礎(chǔ)剛度的影響，首層結(jié)構(gòu)在溫度作用下引起的變形和內(nèi)力最大，二層結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)迅速減小，超長結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的研究應(yīng)主要集中在結(jié)構(gòu)的首層。

b.樓板應(yīng)力分布在結(jié)構(gòu)中部較為均勻，端部應(yīng)力變化較大，最大應(yīng)力分布在框架柱周邊及樓板開洞邊緣。

c.采取設(shè)置后澆帶，設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋等措施能有效控制溫度效應(yīng)產(chǎn)生的裂縫。