新疆吐鲁番地区超长混凝土结构设计实践.pdf

第 4 0卷第 1 期 2 0 1 4年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 6 9 新疆吐鲁番地区超长混凝土结构设计实践 乐风江 ， 郑强强 ， 王 健 ， 哈莉娅 达力列汗 ( 1 新疆大学建筑工程学院， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 8 ； 2 新疆大学建筑设计研究院， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 8 ) 摘要 ： 介绍了一幢位于新疆吐鲁番市的长 6 5 3 m的 6层现浇钢筋混凝土框架结构采用设置后浇带和配筋加强 来进行温度收缩裂缝控制的设计方法 ， 裂缝控制效果 良好， 表明在吐鲁番这样极端干热地区建设超长混凝土结构 房屋是可以做到的。 关键词： 干热地区； 超长结构； 裂缝控制； 温度收缩裂缝 ； 温度收缩应力 中图分类号： T U 3 7 5 4 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 6 9 0 4 Co n t r o n l o f c r a c k i n g o f a c o nc r e t e s t r u c t u r e wi t h l a r g e l o n g i t u d i na l l e ng t h i n Tu l u f a n Y U E F e n g j i a n g ， Z HE N G Q i a n g q i a n g ， WA N G J i a n ， H A L I Y A D a l i l i e h a n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， X i n j i a n g U n i v e r s i t y ， U r u m u q i 8 3 0 0 0 8 ， C h i n a ； 2 A r c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d R e s e a c h I n s t i t u t e o f X i n j i a n g U n i v e r s i t y ， U r u mu q i 8 3 0 0 0 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： D e s i g n me t h o d o f c o n t r o l o f c r a c k i n g c a u s i n g b y t e mp e r a t u r e v a ri a t i o n a n d s h ri n k a g e f o r a 6 5 3 m l e n g t h a n d 6 - s t o r e y c o n c r e t e s t r u c t u r e i s i n t r o d u c e d Us i n g t e c h n i q u e o f p o s t - c a s t s t ri p a n d e n h a n c i n g s t e e l r a t i o i s e ffi c i e n t I t i s p r o v e d t h a t l a r g e l o n g i t u d i n al l e n g t h c o n c r e t e s t r u c t u r e w i t h o u t e x p a n s i o n j o i n t s c a n b e u s e d i n T u l u f a n d i s t r i c k o f X i n j i a n g ， w h i c h h a s a h o t a n d a r i d c l i ma t e Ke y wo r d s ： a r i d c l i ma t e ； c o n c r e t e s t r u c t u r e ； c r a c k c o n t r o l ； t e mp e r a t u r e v a r i a t i o n s h rin k a g e； t h e r mal s t r e s s 1 工程概况 新疆吐鲁番盆地为我 国最干热地 区， 属典型 的 大陆性暖温带荒漠气候 。全年平均气温 1 3 9 ， 高 于 3 5 的炎热 日在 1 0 0天 以上 。每年的 6 、 7 、 8三 个月 ， 平均 日最高气温达 3 8 以上 。夏季极端最高 气温 4 7 6 ， 地表温度常达 6 0 以上 ， 冬季极端最 低气温 一2 8 7 ， 日温差和年温差均较大， 降雨稀 少， 年平均降水量仅有 1 6 4 m m， 而蒸发量较高 J 。 吐鲁番市位于吐鲁番盆地的 中部 ， 建筑结构型式 以 砖砌体( 含底框) 居多， 混凝土框架、 框剪较少。近 十年来 ， 砌体结构房屋 开裂严重 而普遍 _ 2 J ， 当地 建 设部门曾一度对 伸缩缝 间距 提 出了更 为严格 的要 求 ， 甚 至不同意在吐鲁番市建设超长结构房屋 。 吐鲁番市于 2 0 0 4年 3月 一 2 0 0 5年 5月建设一 办公楼 ， 地下一层 ， 地上 6层 ， 现浇钢筋混凝土框架 结构。抗震设防烈度为 7度 ( 第一组 ， 0 1 0 g ) 。一 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 8 - 2 8 作者简 介 ： 乐风江( 1 9 6 5一) ， 男 ， 新疆 昌吉人 ， 副教 授 ， 一级注册 结构 工程 师 ， 研 究方向为结构工程基本理论 。 Ema i l ： y u z x j 1 2 6 c o n 层平面见图 l ， 除顶层轴 轴为井字梁楼盖( 轴与、 轴相交处无柱) 外， 其余各层结构平面布 置相同， 层高均为 3 6 I T I 。框架柱混凝土强度等级 C 4 0 ， 梁、 楼板强度等级 C 3 0 ， 泵送混凝土浇筑。主体 结构平面尺寸为6 5 3 m1 3 8 in ， 由于建筑造型的 需要没有设置伸缩缝 ， 长度超规范 1 0 in。在吐鲁番 这样的地区建设超长结构房屋尚无经验 ， 因此 ， 如何 控制温度收缩裂缝是本工程设计的关键。 2 温度收缩裂缝控制方案 混凝土温度收缩裂缝是指混凝土 因为温度( 温 降差) 收缩变形和干燥收缩变形受到约束而引起 的 拉伸开裂 。框架结构 的混凝土干燥 收缩变形主 要与环境湿度及竖 向构件的约束程度有关 J 。由 于框架结构构件截 面尺寸不大 ， 浇筑过程中产生 的 水化热不大， 不属于大体积混凝土( 有文献称薄壁 小断面结构 ) ， 这里的温度 ( 温降差 ) 收缩变形主要 是指季节温差所引起的结构整体变形H j 。 吐鲁番市夏季气候极端干热 ， 在通常后 浇带保 留2 个月的条件下 ( 主体结构的主要施工期在夏 季 ) ，应能释放大部分干燥收缩变形及应力 J ， 但温 7 0 四川建筑科学研究 第4 0卷 昌 n 7 宕 篇 7 2 00 72 0 0 72 0 0 72 0 0 7 2 o0 7 2 0 0 7 2 00 7 20 0 7 2 0 0 6 4 80 0 图 1 一层平面 F i g 1 Th e p l a n o f t h e l n d flo o r 差变形释放不大， 温度应力降低不多。 本工程考虑在房屋长向的中部 轴问设置 一 条后浇带 ， 宽 1 m， 从 上 ( 顶层 楼板 ) 至下 ( 基 础 梁 ) 全部贯通 ， 钢筋不断 ， 要求后浇带保 留 2个 月。 实际操作时后浇带从下至上陆续封 闭， 最短保留 4 5 天 。温度收缩应力计算时不考虑干燥收缩变形的影 响， 认为干燥收缩变形影响被设置后浇带期 间释放 的大部分干燥收缩变形和小部分温差变形所抵消 ， 而仅考虑全部的温差作用影响。根据计算结果对荷 30 0 9 0 0 3 0 09 00 3 00 9 0 0 载作用下所得配筋进行加强处理 。采用王铁梦教授 的分跨组合法 计算温度应力并 考虑 了混凝 土的 徐变影响。 3 温度应力的计算 3 1 计算简图 仅考虑轴纵向框架。取顶部一层、 地上第 1 、 2层合并为 3层框架 ， 假定地下室顶 为嵌 固点。计 算简图和框架的几何尺寸如图 2所示。 6 00 7 0 0 6 O O， 70 O 3o 04 00 3o 040 0 3 00400 3 0o4o0 6 00 7 O 0 6 0 O 70 0 30 o4 00 3o o4 0 0 3 o0400 3 00 4 O O 60 o 7 0 0 6 70 0 3 6 0 0【3 6 0 0【 7 2 0 0 【 7 2 0 0 【 7 2 0 0 I_ 7 2 0 0 【3 6 0 0 l_ 3 6 0 0 I_ 7 2 0 0 l 7 2 0 0 l 7 2 0 0 注：其他未注明柱截面尺寸为5 0 0 5 0 0 ，梁3 0 0 6 0 0 图 2 框架 的几何尺寸 Fi g 2 The ge ome t r i c a l di m e ns i on o f t he f r a me s t r uc t ur e 3 2 确定计算温差 混凝 土浇筑期 在夏 季 ， 温度在 1 5 一4 7 之 间 ， 吐鲁番市月平均最高气温 3 2 2 C。按 当年主体 完工封闭考虑 ， 冬 季室 内月平均 最低温度 为 一 5 ( 未 采 暖 ) ， 则 最 不 利 温 差 3 2 2 C 一(一5 c c)= 3 7 2 C L 6 ，按 4 0 ( 降温 ) 计算 。 3 3 计算原理和计算结果 如图 3所示 的简单刚架 ， 其横梁 ( 跨 长 Z ) 在温 差 f 作用下产生 6=o f 的 自由变形 ， 为线膨胀 系数。设刚架柱 的抗侧 刚度分别 为 R 。 、 尺 ： ， 柱顶位 移分别为 6 、 6 2 ， 有 J ： 中 图3 刚架计算简图 Fi g 3 T h e c alc u l a t i o n d i a g r a m o f a rigi d f r ame d s t r uc t ur e 卢 梁左侧侧移变形分配系数； JB ： 梁右侧侧移变形分配系数。 对于多跨 刚架 ， 假设每一跨横梁 向左右两侧 的 实际位移与左右两侧各柱刚度之和成反 比， 并按此 侧移刚度分配于左右两端 ， 且左右两侧各 柱位移分 2 2 一 R R 一 1 一 l I + l + 一 R R 乐风江 ， 等： 新疆吐鲁番地区超长混凝土结构设计实践 7 1 别各 自相等 。这样每跨都算一次 ， 最后把每个节点 每次计算的位移叠加起来 ， 即得最后位移 。对于多 层多垮 ， 每层均按此计算 ， 然后 由柱上下端的位移差 值可确定固端位移， 再按二次弯矩分配法求得内 力 J 。其中， 框架柱的抗侧刚度和劲度通过松弛系 数 i t ( t ， 下 ) 来考虑徐变的影响。 框架柱抗侧刚度 和劲度 按下式计算 ： R： H K ： H 式中 柱的抗弯刚度， =T H ( t ， 丁 ) E 1= 0 8 5 0 5EI = 0 4 25 EI： 考虑材料弹塑性性能的折减 系数 ， 取 = 0 8 5； H( t ， 丁 )考虑徐变 影响 的松弛 系数 ， 取 H( t ， 7 - ) =0 5 ； 弹性抗弯刚度 ； 柱高； c 与节点约束条件及截面变化有关的 系数， 本工程每层均按与单层刚架相 同的约束条件考虑， 且均为等截面， 故取 l 。 计算过程略。 最终计算结果如图4 7 所示。 变形不动点 一 一 兽 。 。 0 0 - _ 器 卜 0 守 卜 吨 0 7 2 0 0 【 7 2 0 0 7 2 0 0 L 3 6 0 0 L 3 6 0 0 L 7 2 0 0 图 4各节点侧移 ( 单位 ： e m) Fi g 4 T he c a l c u l a t i o n d i a g r a m o f a r i g i d f r ame d s t r u c t u r e 3 6 0 0【 3 6 0 0 L 7 2 0 0 I 7 2 0 0 L 7 2 0 0 L 7 2 0 0 【3 6 0 0 L 3 6 0 0 L 7 2 0 0 图 5 弯 矩( 单位 ： k N m) Fi g 5 T h e 1 b e n d i n g mo m e n t d i a gr am o f t h e f r a me 5 2 6 42 5 3 4 6 0 3 2 8 0 8 1 2 2 1 8 5 2 4 5 3 2 5 4 3 4 l 2 3 1 。6【 93。4【 1595 698 。 3 43 。515 。704 I J L ， 3 6 0 0 l 3 6 0 0 J 7 2 0 0 J 7 2 0 0 I_ 7 2 0 0 l 7 2 0 0 I_ 3 6 0 0 I_3 6 0 0 l 7 2 0 0 L 7 2 0 0 l _ 7 2 0 0 图 6 框 架柱剪力 ( 单位 ： k N) F i g 6 Th e s h e ar i n g f o r c e d i a g r a m o f t h e f r ame 5 2 6 9 8 7 l 3 2 7 l 93 2 21 2 21 8 1 75 7 l 5 7 2 l 3 2 7 1 0 0 2 1 7 5 7 3 30 4 45 8 70 5 2 6 3 6 6 5 41 3 40 5 9 插 1 6 7 7 6 7 75 4 7 7 9 2 _ t _ r _ r 1 r 3 6 0 0 3 6 0 0 l 7 2 0 0 。 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 。 3 6 0 0 3 6 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 7 2 0 0 图7 框架横梁的轴力( 单位： k N) Fi g 7 Th e a xi al f or c e di a gr am o f t he f r am e 7 2 四川建筑科学研究 第 4 0卷 4配筋加强措施 5结论 采用较为精确计算模型的有限元分析所得一般 长向矩形平面布置的框架结构内力分布规律 与 图 5 7相同。温度 收缩 内力只对底部两层产生影 响， 两层 以上的部位 内力很小 。从 框架节点侧移 图 可以看出， 本结构的温度变形不动点在 轴间 ， 边柱侧 向收缩变形最大 ( 降温时 ) ， 达 1 5 mm。由于 升温差小于降温差 ， 因此 ， 升温变形小于 1 5 m m。 4 1 框架梁板配筋加强 从框架轴力图可以看出 ， 1 、 2层 中间段横梁轴 力 ( 拉力 ) 最 大 ， 1层 轴 间达 7 7 9 2 k N。为 此 ， 将 1 、 2、 3层 ( 3 5 2 、 7 1 2、 1 0 7 2标高 ) 纵 向框架 梁 、 连梁腰筋原每侧 1 1 4的增大为 2 1 4 ( 腹板 截面面积的0 4 ) ， 原每侧 1 1 2的增大为2 1 2 ( 腹板截面面积的 0 4 ) ， 单侧配筋率大于腹板截 面面积 0 4 的不再增大。同时， 将 1 、 2层 中部 范 围内( 轴) 板面增设 8 1 0 0钢筋网片与支 座负筋搭接。梁顶通筋原至少为 2 1 8 ， 考虑 到板 的帮助作用 ， 梁顶配筋不再加强。梁底配筋 本来就 较大也不再加强。 地下室顶板(一 0 0 8标高) 作为框架温度内力 计算的嵌固点本不应做加强处理， 考虑到地下室顶 板高出室外地面 1 2 m( 层高 3 6 m) ， 实际嵌固点 已移至下部 ， 为此 ， 将地下室顶板 、 梁做 了与 1 层 顶 ( 3 5 2标高) 相 同的加强处理 ， 且在两边跨板 面又增 设钢筋网片 8 2 0 0 。 4 2 框架柱配筋加强 从框架弯矩图来看， 除、 轴柱外， 底层边部 柱底弯矩较大， 中间部位柱底弯矩较小。将底层 轴、 轴 轴范围内柱子配筋由原来的每边 3 2 0或 4 l 8或 4 2 O均改为4 2 5 ( 每侧配筋 率达 0 4 7 )， 且沿全高设置。作者曾以此配筋量 进行温度 内力( 弯矩) 下抗裂度验算 ， 可 以满足规范 不开裂要求 ， 但此算法并不准确 ， 因为没有考虑与荷 载内力相组合 。轴 、 轴柱原配筋 已很 大 ( 顶部 为井字梁楼盖) ， 此处不再加强。 4 3顶 层 配筋 加强 由日照辐射下升温降温影响产生 的温度内力可 参照上面方法取 顶部两层计算 J 。作 者 曾实测在 气温 4 2 的情况下 ， 吐鲁番市在 中午 23个小 时 范围内， 屋面温度由于 日照升至 6 5 q C 以上， 但梁、 板 的底面( 背面) 的温度仍取决于气温。因而， 日照辐 射热的影响是局部的 、 表面的。本工程未作 日照辐 射下温度内力计算 ， 而将顶部 3层 的板面负筋予以 全部拉通 ， 同时， 梁两侧腰筋予 以加强， 使每侧腰筋 达腹板截面面积的 0 4 以上 ， 且顶层纵 向梁顶 通 筋仅有 2根拉通的改为 4根拉通 ， 最小配筋达 2 2 0 +2 1 8 ( 配筋率 0 6 ) 。 通过采取以上的设计措施 ， 同时施工 、 监理单位 加强管理 ， 严格要求保证混凝土的养护 时间和养护 质量， 该工程主体当年完工封闭， 2 0 0 5年 5月交付 使用 ， 2 0 0 6年 8月 回访调查 ， 未 见主体框架 出现裂 缝 。 已知温度内力， 如何据以进行配筋， 目前尚在研 究和探索之 中 。将温度 内力 ( 应力 ) 与荷 载引起 的内力直接叠加并应用“ 规范” 公式来计算配筋 ( 正 常使用极限状态下 ) 是不合理的 J 。以上 的配筋 加 强措施仍然是经验性 的调整 。作者认 为， 为防止 温 度收缩裂缝 的开展或开展过宽 ， 配筋量至少应满 足 “ 规范” 的构造要求但也无须过分增大， 在原荷载作 用下配筋 已很大 的情况下 ， 甚至可不作调整 。因为 正常使用状态下， 荷载作用引起的内力一般远小于 设计 内力 。文献 1 1 也提 出， 结构受拉配筋率应大 于 0 4 ， 配筋率大于 1 4 的结构 ， 其 混凝 土收缩 和季节温差下 的裂缝宽度可 以满足要求 ， 不必另行 计算和加强 ， 在这之间的配筋量应进行温度收缩应 力验算。 1 ) 在新疆吐鲁番这样的干热大温差地区 ， 可 以 采用超长混凝 土结 构。在长度超“ 规范” 不多 的情 况下 ， 可以采取仅设置后浇带并配合 配筋加强 的措 施 。 2 ) 当采用后 浇带 时， 在于热 地 区， 温度应 力计 算时 ， 可以忽略 由于干缩引起的收缩约束应力 ， 而仅 考虑温度差引起 的收缩约束应力。 3 ) 在吐鲁番地 区建设 超长混凝土结 构必须考 虑 日照辐射 的影响 ， 顶部 12层梁板 配筋应予加 强 。 参 考 文 献 ： 1 张学文 新疆气象手册 M 北京 ： 气象 出版社 ， 2 0 0 6 2 彭豫 ， 乐风江 ， 哈莉 娅 达力 列汗 吐鲁番 市某教 学楼 裂缝 调查及原因分析 J 山西建筑 ， 2 0 0 7， 3 3 ( 2 4 ) ： 2 0 - 2 1 3 富文权 ， 韩素芳 混凝土工程裂缝 分析与控 制 M + 北 京 ： 中 国 铁道出版社 ， 2 0 0 2 4 武俊燕 超长? 昆 凝土结构 的间接内力和裂缝 控制研 究 D 南 京 ： 东南大学 ， 2 0 0 6 5 孟少平 ， 韩重庆 ， 吴京 超 长混凝 土结构 设计 中基本 问题 的 研究 与工程 实践 J 工业建筑 ， 2 0 0 6， 3 6 ( 5 ) ： 1 _ 5 6 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北 京 ： 中 国建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 7 7 王庆龙 超长混凝土结构温度及收缩裂缝控制方法研究 D 南京 ： 东南 大学 ， 2 0 0 5 ， 8 金建 民 防止和减轻超 长混凝 土结 构温度 收缩 裂缝 的设计 建 议 J 工业建筑 ， 2 0 0 2， 3 2 ( 6) 9 张玉明 超长混凝 土框架 结构裂缝 控制研 究 D 南 京：东南 大学 ， 2 0 0 6 1 O 李 富民， 需 少平 超 长 R c 框架 梁板结 构温度 及收 缩钢筋 计 算 J 工业建筑 ， 2 0 0 5， 3 5 ( 7 ) ： 3 4 - 3 7 1 1 陆鹏 大 面 积混 凝 土梁 板结 构 温 度应 力 及 配筋 设计 研 究 D 南京 ： 东南大学 ， 2 0 0 1