超长无缝混凝土框架结构的实用设计.pdf

8 2 m J l l 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 第 3 8卷第 3期 2 0 1 2年 6月 超长无缝混凝土框架结构的实用设计 李健 ， 王水华， 牛 彝 ( 中国市政工程西南设计研究总院， 四川 成都6 1 0 0 8 1 ) 摘要： 结合实际工程， 介绍了超长无缝混凝土框架结构的计算要点及构造措施 ， 供设计人员参考。 关键词： 超长混凝土结构 ； 温度应力； 构造措施； 后浇带 中图分类号： T U 3 7 5 4 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 8 2 0 3 U 刖 昌 近年来随着生产厂房规模的不断扩大 ， 单栋此 类厂房 占地面积越来越大 ， 长度也越来越长。由于 工艺布置等的要求， 此类厂房常会被设计成超长无 缝的混凝土结构。 国际工程设计界对超长混凝土结构的处理历来 就存在设缝与不设缝两种流派 ， 英 、 美 、 法、 日等国的 混凝土结构设计规范对伸缩缝 间距无 明确规定 ， 只 要求超过一定长度后计算温度应力并采取必要的措 施； 我国现行规范沿袭前苏联的做法， 仍对各种类别 的钢筋混凝土结构 规定 了最大伸缩缝 间距 ， 但不作 强制要求 ， 也提出“ 当增大伸缩缝问距时 ， 尚应考虑 温度变化和混凝土收缩对结构的影响。 ” 实际上， 国 内已出现长度超过 2 0 0 m不设缝的混凝土结构。这 些也是设计方说服欧美等外方业主， 以采取对所有 跨缝管道设置柔性接头等措施为代价 ， 未设置结构 伸缩缝的原因。 笔者近来参与设计的某水 厂项 目， 为长 2 0 0 m 的生产厂房 ， 采用不设缝 的混凝土结构。 1 温度应力的计算 混凝土在固结过程中会产生收缩 ， 温度变化时 会热胀冷缩 ， 这两种变形受到结构约束后 ， 在结构 内 部就会产生相应的收缩应力和温度应力。 混凝 土收缩可以用收缩 当量温差来表示 ， 将 收 缩值换算为当量温差， 永远是负值， 应力为拉应力。 一 般混凝 土最终收缩应变约为 ( 35 )1 0 ， 其特 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 - 2 1 作者简介： 李健( 1 9 7 0一 ) ， 女， I l J l 成都人， 高级工程师， 主要从事 市政工程设计 。 E ma i l ： 51 0 6 4 61 5 6 q q e o m 点是早期收缩快 ， 前半年内可完成第 1年收缩量的 8 0 一 9 0 ， 1年后仍发展但 已不 明显 ， 其影响因素 主要有混凝土强度等级、 水泥品种 、 水灰 比、 坍落度、 养护 、 保温、 保湿和体表比等。混凝土收缩可以通过 设置施工缝、 加强养护等措施来有效地大幅度降低 其对结构的影响， 而且在时间上是单调递减的。 温度变形发生在混凝土从浇筑 、 固结到使用过 程中， 影响因素有季节温差 、 内外温差 和 日照温差。 本文主要讨论季节温差 ， 它是随时间周期性变化的。 长度超过规范限值很多 的结构 ， 往往即使采取有效 的构造措施 ， 温度应力也是不能忽略的 ， 必须通过计 算考虑其对结构的影响。 基于上述原因， 作者对厂房进行了温度应力的 计算 ， 但仅考虑了季节温差的影响。 1 1 计算软件 现有的结构分析软件一般都能够对温度应力进 行计算， 比如 P K P M系列软件中的S A T WE ， T A T和 P MS A P模块 ， 它们 对温 度应力 的程序 实现不尽 相 同， 可分别参考最新的软件用户手册。 1 2 温差的取值 程序会要求输入升温和降温 的温差值 ， 这些值 受到很多因素的影响， 比如当地的气候 、 混凝土的浇 筑时问、 围护结构 的保温特性与空调 等。由于设计 方往往无法控制混凝土浇筑的时间， 笔者在计算时 大致 的选取当地的最冷、 最热月的平均温度差作为 升温和降温的温差值输入程序， 这对结构显然是偏 于安全的。 1 3 温度应力的折减与组合 季节温差造成的温度应力是一个以年为周期缓 慢变化 的时间函数 ， 混凝土的徐 变以及混凝 土框架 结构柱底并非理想的嵌固约束端等因素会使得它实 际比程序计算值小很多， 笔者认为按上述 1 2条取 李健， 等： 超长无缝混凝土框架结构的实用设计 8 3 温差值时温度应力折减到 0 3 0 5甚至更低 ， 都是 可 以接受的。 温度荷载显然是一种可变荷载 ， 应作 为可变荷 载的一种参加荷载组合。但是由于它的特殊性， 笔 者认为可不考虑它与地震荷载的组合。 以上都可以通过计算程序中类似 “ 自定义荷载 工况” 的菜单实现。 1 4 注意事项 需要注意的是 ， 无论采用 哪种软件计算温度应 力 ， 都必须将结构楼面定义为弹性楼板 。刚性楼板 假定 中， 同一层楼面上任意两点的相对位置永远不 变 ， 无法计算出温差造成 的伸长或缩短产生的温度 应力。 正因为如此 ， 也相应带来一些实际问题 ， 比如由 于降温荷载的计算 和弹性楼板假定 ， 所有梁构件都 出现 了拉 力 ， 无 论 拉 力 多 大 ， 程 序 自动 全 部 按 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0混凝土结构设计规范 中 6 3 1 4条 作抗剪计算。而此条公式 与 6 3 4条公式本身不连 续， 就可能造成不论拉力多小的梁 ， 计算箍筋值都 比 不考虑温度应力计算时剪力相同、 没有拉应力的同 一 根梁显著加大的情况 。这需要设计者 自己对计算 结果进行分析 比较后 自行掌握 。 由此笔者建议在作温度应力计算时 ， 应就遇到 的问题与软件编制方随时沟通， 避免 由于软件使用 不当造成计算偏差 。 1 5 计算结果分析 对温度应力的计算结果 ， 应定性分析其合理性 ， 并根据定量的结果对结构构件尺寸及温度应力的折 减系数进行调整后反复计算。厂房一榀纵向框架在 升温荷载下的应力图如图 1 3 所示。 图 1 弯矩 图 图 2 剪力图 图3 轴力图 2 构造措施 对地震、 温度这些难以精确定量计算的作用， 从 概念设计上作考虑 ， 采取合理可行 的构造措施是非 常重要的。 2 1 结构布置 结构布置应尽量规则整齐， 保证温度应力传递 通畅， 避免应力集中。侧向刚度大的构件( 如剪力 墙 ) 应尽量布置在结构平面中部。 但实际工程 中有时很难做到上述要求 ， 比如结 构平面中的楼梯间是不可避免的， 它使得结构在局 部极大地削弱， 温度应力 的应力流会 出现集 中的情 况 ， 如图4所示。 图 4 结构布 置与温度应 力流 设计时， 把边框梁 K L在 图 4中标明的跨断 面 从4 0 09 0 0加大到6 0 0 9 0 0， 上下各配 l 2 2 5 ， 腰 筋配 6 2 0 ， 并将楼板钢筋在楼梯间处切断的部分 作为附加钢筋增加到阴影部分 的楼板。 2 2后浇带的设置 后浇带是列人 J C ； J 3 2 0 0 2 高层 建筑混凝土结 构技术规程 ( 以下简称“ 高规” ) 中的目 前设计人员 常用的方法。它利用 了混凝土早期 收缩量大 的特 性 ， 主要作用是释放早期混凝土收缩应力 以减小 以 收缩为主的变形。笔者结合“ 高规” 及实 际工程应 用对后浇带的具体做法， 提出以下建议和看法。 1 ) 间距 “ 高规” 规定为 3 O 4 0 1T I ， 建议具体工程应结合 建筑物长度及气候环境特点综合考虑， 一般应控制 在 3 0 m左右。 2 ) 位置 布置在小跨梁开间或受力较小的部位， 一般 可在梁跨 1 3处 ； 平面布置时应尽量避免梁截断太多； 视具体情况可沿平面曲折通过。 四川建筑科学研究 第 3 8卷 3 ) 浇筑时间 “ 高规” 要求宜在 2个 月后 。由于混凝土早期 收缩量 大， 相 对 1年 的收缩量 ， 半 月约 占 3 0 一 4 0 ， 1 个 月约 占 4 5 5 5 ， 2个月 约 占 6 5 一 7 5 ， 半年约占8 0 一 9 0 ， 故应按规范执行， 一般 应保证 2个月后浇筑。 4 ) 后浇混凝土 采用无收缩或微膨胀混凝土， 强度较主体混凝 土提高 C 5级 。 5 ) 施工要点 后浇带两侧宜设钢筋网片， 防止主体混凝土 流人后浇带； 在浇筑后浇混凝土前 ， 应认真清理凿毛， 浇筑 时要振捣密实 ； 后浇带 昆 凝土浇筑完毕后应采取带模保温保 湿条件下的养护 ， 应按规范规定 ， 浇水养护时间一般 混凝土不得少于 7天 ， 掺外加剂或有抗渗要求 的混 凝土不得少于 1 4天 ； 后浇带两侧支撑应保证稳定可靠， 后浇带混 凝土达到设计强度时方可拆除。 2 3 有针对性地采取控制和抵抗温度收缩应力的 措施 1 ) 尽量采用外包的外墙 ， 加强屋面保温 隔热措 施 ， 采用高效保温材料 ， 严 格满足建筑 节能设计标 准 。 2 ) 加大纵 向梁板 ， 尤其 是屋面 纵 向梁板 的配 筋。由前面关于温度应力的计算可以看出， 即使做 了这样的计算 ， 也并未考虑到屋面结构承受的 日照 温差及内外 温差产生 的温度应力。本项 目屋 面板 ( 平 面情况参见图 4) 厚 1 5 0 m m， 纵 向配双层通长 1 0 1 5 0， 施工过程中局部仍然出现了横 向水平裂 缝 。 3 ) 控制现浇板的混凝土强度等级不超过 C 3 5 。 2 4其它施 工要求 1 ) 确保混凝土施工质量。混凝 土的施 工质量 对超长不设缝混凝土结构是否开裂十分重要 。确保 混凝土施工质量的措施如减小水灰 比、 降低水泥用 量、 保证砂石质量、 加强养护等。 2 ) 屋面保温等构造层， 应在可能的情况下尽快 施工 ， 避免屋面板长期暴露 ， 上述 2 3条中提到的屋 面板局部出现裂缝就与其屋面设备基础临时改动造 成屋面保温层等构造迟迟无法施工有着密切关系。 3 ) 可能的话 ， 应尽量将施工混凝土时间安排在 较冷的季节。如上述 ， 混凝土的收缩 当量温差永远 是负值 ， 应力为拉应力 ， 它与降温产生的温度应力为 叠加关系， 而与升温产生的温度应力则会部分抵消。 另外 ， 在处理超长无缝混凝土结构时 ， 还常采用 U E A补偿混凝 土、 施加 预应 力抵抗温 度应力 等措 施 ， 在此不再赘述。 参 考 文 献： 1 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0混凝土结构设计规范 s 2 J G J 3 2 O 0 2高层建筑混凝土结构技术规程 s