劉金波
(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,遼寧 沈陽 110166)
云南墨江服務(wù)區(qū)跨線綜合樓位于云南省墨江市,總建筑面積約3 800 m2,地上3層,局部塔樓部分為4層,房屋總高度22.5 m。本工程平面形狀總體呈“L”型,東西向長(zhǎng)82.8 m,南北向長(zhǎng)73.5 m。建筑橫跨南北向敷設(shè)的高速公路,建筑功能包括餐飲、商場(chǎng)、辦公等功能用房及服務(wù)設(shè)施。
本工程平面形狀不規(guī)則,總體呈“L”型,兩個(gè)方向總長(zhǎng)度分別為83.1 m和73.5 m,通過設(shè)縫將結(jié)構(gòu)分成兩個(gè)“一”字型獨(dú)立單體,結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。
圖1 結(jié)構(gòu)平面圖
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù):7度抗震,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10 g,設(shè)計(jì)地震分組為第三組。
本工程建筑布置復(fù)雜,通過設(shè)縫分為南北兩個(gè)單體(南樓和北樓),南樓結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單(長(zhǎng)48 m,寬21 m),北樓(跨線部分)結(jié)構(gòu)形式相對(duì)復(fù)雜(長(zhǎng)82.8 m,寬25.5 m),南樓采用混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,北樓跨線部分采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu),其它部分采用混凝土框架結(jié)構(gòu)。
本工程北樓部分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,存在結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)、大跨度、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等情況,對(duì)該部分結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性控制成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)[1-2]。
圖2為北樓平面布置,并按表1對(duì)北樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)則性判別。
表1 北樓結(jié)構(gòu)規(guī)則性判別
圖2 北樓平面布置圖
經(jīng)上述計(jì)算分析可知本工程屬于一般不規(guī)則建筑。工程設(shè)計(jì)中采取了以下措施:(1)加大下部薄弱層的柱截面以減小相鄰層的剛度突變,同時(shí)加大薄弱層的板厚及配筋;(2)針對(duì)北樓中間跨線部分存在連續(xù)兩跨22.5 m大跨結(jié)構(gòu),對(duì)其補(bǔ)充豎向地震計(jì)算并對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì);(3)對(duì)結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)以提高結(jié)構(gòu)安全性。
結(jié)構(gòu)溫度荷載主要包括季節(jié)溫差、晝夜溫差和混凝土收縮當(dāng)量溫差三部分組成[3]。
本工程位于云南省玉溪市,其月平均最高氣溫為30 ℃,月平均最底氣溫為-1 ℃。本工程在2015年9月份主體合攏,因此地上結(jié)構(gòu)的合攏溫度近似取為19 ℃,進(jìn)入冬季前沒有投入使用,整個(gè)結(jié)構(gòu)裸露在室外,因此結(jié)構(gòu)的降溫溫差為-20 ℃,升溫溫差為11 ℃。
由于本工程屬于公共建筑,使用階段考慮空調(diào)的作用建筑物內(nèi)部基本恒溫。故晝夜溫差主要對(duì)結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生影響,且混凝土具有熱惰性,短時(shí)間內(nèi)的溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響很小,因此晝夜溫差作用可忽略[4]。
在計(jì)算混凝土收縮量時(shí),參考了王鐵夢(mèng)的《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[5]一書中的相關(guān)計(jì)算方法[1]。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。
ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…Mn
對(duì)本工程,按分段施工考慮,完成后3個(gè)月澆筑溫度后澆帶。經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)整體收縮溫差與混凝土膨脹補(bǔ)償溫差相當(dāng)。因此混凝土收縮效應(yīng)當(dāng)量溫差取0 ℃。
考慮溫度荷載作用共進(jìn)行了如下4種荷載工況組合計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果與考慮地震作用的工況對(duì)比進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì),見表2。
表2 考慮溫度荷載作用的工況組合
本工程采用MIDAS軟件進(jìn)行溫度應(yīng)力分析,為真實(shí)計(jì)算溫度作用樓板單元按彈性樓板考慮,分析中框架柱基礎(chǔ)按完全約束考慮,忽略基底與地基土間相對(duì)位移的有利因素。
由以上計(jì)算可得出如下結(jié)論:(1)溫度作用下5軸和7軸型鋼混凝土柱的剪力和彎矩最大,除此以外框架柱的剪力和彎矩從里向外逐漸增加;(2)框架梁在溫度荷載組合工況下底部樓層軸力最大,向上逐層減小,同一樓層框架梁軸力最大值出現(xiàn)在沿結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)方向型鋼混凝土柱旁第一跨處;(3)樓板在降溫工況下與框架梁共同受拉,且受力趨勢(shì)與梁相同。
溫度工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力特征是由該樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所致:結(jié)構(gòu)底部?jī)蓪?軸、6軸和7軸處為型鋼混凝土柱(截面尺寸為1 m×1 m),其他部分為0.6 m×0.8 m的鋼筋混凝土柱,3層處通過型鋼混凝土梁與5軸、6軸和7軸的型鋼混凝土柱連接,并在型鋼混凝土梁上起柱,以實(shí)現(xiàn)跨線部分的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。其中6軸位于北樓中間,受溫度效應(yīng)影響較小,5軸和7軸處的型鋼混凝土柱是抑制中間22.5 m大跨結(jié)構(gòu)變形的“第一道防線”,且其剛度較大,對(duì)結(jié)構(gòu)溫度變化時(shí)的變形約束較強(qiáng),因此5軸和7軸型鋼混凝土柱的剪力和彎矩最大??蚣芰汉桶宓臏囟葢?yīng)力特點(diǎn)比較好理解,溫差應(yīng)力本身是當(dāng)變形受到約束時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)力效應(yīng)。從豎向各樓層來看,越靠近基礎(chǔ)的樓層變形受到的約束越嚴(yán)重,其溫度效應(yīng)越明顯,并且溫度效應(yīng)隨樓層上升衰減迅速。
通過溫度工況與地震工況的計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較得出以下結(jié)論:(1)5軸和7軸處型鋼混凝土柱在溫度工況下的剪力較地震作用下略大,彎矩較地震作用下型鋼混凝土柱內(nèi)型鋼受剪已滿足要求;(2)底層部分框架梁溫度工況下軸力較地震作用下大,需增大腰筋和梁頂縱筋配筋量來抵抗溫度作用;(3)結(jié)構(gòu)底部?jī)蓪訕前宀贿B續(xù),在3層處樓板變形受到約束較小,總體而言樓板除部分角部以外溫度應(yīng)力較小,相應(yīng)的措施為在3層樓板處沿超長(zhǎng)方向通常配筋以抵抗溫度應(yīng)力。另外在施工方面還采取了以下措施:采用低水化熱水泥,控制結(jié)構(gòu)合攏溫度,加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù),基礎(chǔ)施工完成后及時(shí)回填以避免長(zhǎng)期暴露。
本工程雖然建筑規(guī)模不大,但結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜,存在結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)、大跨度、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等多種結(jié)構(gòu)不規(guī)則性。通過計(jì)算表明溫度效應(yīng)對(duì)框架柱,尤其是不規(guī)則建筑的特殊部位,豎向構(gòu)件產(chǎn)生的影響不能忽略。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)包含溫差荷載的工況進(jìn)行計(jì)算,仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)不同部位的溫度效應(yīng),并針對(duì)不同部位采取不同措施以有效地解決溫差效應(yīng)給結(jié)構(gòu)帶來的安全隱患,從而提高項(xiàng)目的合理性和經(jīng)濟(jì)性。