超长混凝土结构温度应力分析与设计措施_赵楠.pdf

第 29 卷第 6 期2013 年 12 月结构工程师Structural EngineersVol 29，No 6Dec 2013收稿日期:2013 04 15*联系作者，Email:zhaonan snnlay cn超长混凝土结构温度应力分析与设计措施赵楠1，*马凯2(1 北京三磊建筑设计有限公司，北京 100048;2 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)摘要环境温差、混凝土收缩、徐变等是影响超长混凝土结构温度应力分布的主要因素，在核心筒等竖向刚度较大的区域会出现明显的应力集中现象，不利于控制结构裂缝。通过采用设置温度后浇带、控制混凝土入模温度及采用适当添加剂等技术措施，可以有效降低收缩应力，限制结构裂缝开展。关键词超长混凝土结构，收缩应力，等效温差Temperature Stress Analysis and Control Practice ona Long Span Concrete StructureZHAO Nan1，*MA Kai2(1 Beijing Sunlay Ltd，Beijing 100048，China;2 Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045，China)AbstractEnvironment temperature difference，concrete shrinkage and creep are major factors that affect dis-tribution of temperature stress for long span concrete structures It increases difficulties in structural crack con-trol since obvious stress concentration in area with larger vertical stiffness such as core tube occurs By settingthe latter pouring belt，controlling casting temperature of concrete and using suitable additives，shrinkagestress can be reduced effectively;and the development of structural crack can be limitedKeywordslong span concrete structure，shrinkage stress，equivalent temperature difference1引言超长混凝土结构是指结构单元长度大大超过混凝土结构设计规范(GB 500102010)1(以下简称 混凝土规范)对混凝土结构的伸缩缝间距规定的限值。规范建议，当采取低收缩混凝土材料、设置后浇、采用预应力措施等情况下可以适当增加结构单元长度。目前我国建筑业新技术的不断发展，为解决收缩应力和温度应力问题提供了有利条件。如设置温度后浇带、添加膨胀剂(如 UEA)和施加预应力技术，前者体现了先“放”后“抗”的思想，后两种技术集中体现了“抗”的变形效应控制思想。设置温度后浇带可以削减施工阶段的收缩和温度应力;添加膨胀剂可以比较明显地降低变形效应的应力峰值;预应力技术是解决混凝土结构收缩和温度应力的一个有效手段，它可以较好地控制混凝土的温度裂缝，但相对造价偏高。我国尽管已经出现了许多不设温度伸缩缝的超长混凝土结构工程，积累了一定的实践经验，但理论研究却滞后于工程实践。本文结合实际工程，对超长混凝土结构的设计措施进行了探讨。2工程概况北京某办公楼，地下两层、地上三层，结构体系为框架剪力墙，基础为平板式筏型基础。建筑物平面尺寸约为 32 1 m 411 6 m，地上设置防震缝，而地下部分由于建筑功能需求不能设置伸缩缝，为整体地下室，因此长度方向远远大于混凝土规范 的要求，属于超长混凝土结构。结构平面示意图如图 1 所示。图 1地下平面示意图(单位:m)Fig 1Sketch of basement level(Unit:m)图 2工程效果图Fig 2endering of the building本工程长度远远超出混凝土规范 的规定，需对混凝土拉应力问题进行重点分析研究。关键技术主要是确定温度应力分析时的温差荷载，并制订合理的技术措施，满足经济性原则。梁板混凝土强度等级为 C30，外墙及框架柱混凝土强度等级为 C40，内部剪力墙混凝土强度等级为 C30。3温度裂缝的特点温度裂缝具有以下特点:(1)温度裂缝与材料的韧性有很大关系。温度裂缝的起因是结构首先要求变形，当变形得不到满足时才引起应力，只有当应力超过一定数值才引起裂缝。裂缝出现后，变形得到满足或部分满足，应力就发生松弛。某些结构，虽然材料强度不高，但有良好的韧性，也可适应变形的要求，抗裂性较高。因此，如何提高混凝土承受变形的能力，即提高其极限拉应变的大小，是混凝土温度裂缝控制的主要措施之一。(2)温度裂缝具有时间性。混凝土结构温度作用，从温度的变化、变形的产生，到约束应力的形成，裂缝的出现和扩展等都不是在同一时间瞬时发生的，它有一个“时间过程”即一个多次产生和发展的过程。应尽量延长温度作用的时间。(3)温度裂缝处钢筋的应力较小，按现行设计规范验算机械荷载作用下的裂缝时，当裂缝超过 1 mm 以上时，钢筋应力早已达到屈服极限。而实测结果表明，有的温度裂缝即使达到 7 mm，钢筋应力也只有 300 MPa 左右;在尚未出现裂缝的地方，钢筋应力一般只有 20 30 MPa，温度裂缝出现后，尽管裂缝宽度达到 1 2 mm，钢筋应力也有 100 200 MPa2。(4)温度裂缝分为浅层裂缝、深层裂缝和贯穿性裂缝。区分这三种裂缝，对其温控标准和温控措施有重要的意义。对于浅层裂缝及深层裂缝，温控标准主要是限制其内外温差，尽量降低温度变化的梯度，温控措施主要是采取保温蓄热法;对于贯穿性裂缝，温控标准应是均匀温差，尽量降低其最高和最低温度，温控措施主要是采取降低水化热、设施工缝等。(5)温度应力和温度应变不再符合简单的胡克定律，但平面变形规律仍然适用。温度应力与平面变形后所保留的温度应变和温度自由应变差成正比。因此，为了减小温度应力，应尽量使结构能满足温度变形的要求。4超长混凝土结构设计措施(1)设置施工后浇带及工艺缝，后浇带间距40 60 m，后浇带应在结构封顶 60 天，并待沉降稳定满足规范规定后，将两侧的混凝土表面凿毛，再浇筑比设计混凝土强度等级提高一级的混凝土(采用补偿收缩混凝土)，振捣密实，并加强养护。后浇带间设一道工艺缝(微膨胀混凝土)，工艺缝随本层混凝土浇筑。(2)由于本工程超出混凝土规范 对结构伸缩缝最大间距的要求，当环境温度发生变化时，构件会受温度应力而产生裂缝，为缓解裂缝的产生，控制施工阶段、使用阶段混凝土结构裂缝的出现和开展，施工中应特别注意以下几点:51设计方法研究结构工程师第 29 卷第 6 期 选用水化热低和凝结时间长的水泥，配置大体积混凝土所用水泥 7 d 的水化热不应大于250 kJ/kg。选用含泥量小且级配良好的骨料。掺用缓凝剂、减水剂和减小水泥水化热的掺和料。在保证混凝土强度和坍落度要求的前提下，适当提高掺和料和骨料的含量，降低每立方米混凝土的水泥用量，减小水灰比。严格按施工验收规范的要求做好混凝土养护工作，在混凝土水化热较高的部位及重要构件应用麻袋或薄膜等材料覆盖养护，保持混凝土表面湿润，防止这些部位出现裂缝。采取有效措施，减少现场浇筑混凝土构件的内外温差，构件中心和外表面的最大温差应严格控制在 25 以内，总降温差应低于 30。温差梯度应不大于 1 5。控制现浇混凝土的入模温度在 23 28，并应根据配合比试配、施工条件最终确定。施工组织设计时，采用跳仓工艺浇筑。(3)设温度钢筋。除板受力钢筋外，板分布钢筋考虑为温度钢筋，与板受力钢筋搭接。(4)结构端部框架梁腰筋适当加密。(5)建筑物端部二次结构可设钢筋网片抗裂。(6)地下部分混凝土强度等级采用 60 d强度。5综合温差荷载的确定温度荷载是当混凝土结构产生温度变形受到约束时产生的应力，就是温度应力。温度应力对工程结构有着重要的影响，因此对结构温度变化(温差)有必要进行较详细的研究。影响混凝土结构的温度种类包括季节温差、日照温差、骤降温差和混凝土收缩当量温差等，并且应考虑混凝土徐变对收缩变形的影响2。5 1环境温差在确定结构构件整体温差取值时，对结构构件所处的环境温度应有合理估计，应充分考虑结构构件所处的环境条件，据此确定其环境温度取值。目前，我国现行设计规范尚缺乏该方面的规定，可考虑工程所在地的实际条件进行适当调整，确定温度参数3-5。(1)施工阶段:房屋在地面以上的结构构件所处环境温度取决于施工过程中工程所在地的环境温度，因此，在实际工程的温度收缩效应分析过程中应依据工程所在地区的气象统计资料确定环境温度。(2)使用阶段:建筑物施工完毕，投入使用后，结构构件所处环境条件不同，使用温度亦不同，可据下述方法确定:室内构件:有空调采暖 夏季 Tin=25，冬季 Tin=15。无空调采暖 夏季 Tin=30，冬季取 Tin=5。室外构件:环境温度同施工阶段。5 2混凝土收缩当量温差由于混凝土收缩是引起超长大面积混凝土结构开裂的主要原因之一，因此必须考虑混凝土收缩对超长结构的影响。混凝土收缩应变值通常超过混凝土轴心受拉峰值应变的 3 5 倍，一般可达(300 600)106，泵送流态混凝土收缩变形约为(600 800)106。混凝土收缩计算中还应考虑温度后浇带的影响6，一般混凝土浇筑后 10 30 d 内完成的收缩占总收缩量的 15%25%，60 d 完成的收缩占总收缩量的 30%50%，90 d 完成的收缩占总收缩量的 60%80%，1 年后完成的收缩占总收缩量的 95%左右。混凝土的收缩应变与施工质量、添加剂及配合比等因素有直接关系，因此分析时通常将混凝土的收缩值换算成等效温差，即收缩当量温差，与结构的实际温度变化值叠加得到计算温差，然后按计算温差对结构进行温度应力分析。收缩当量温差按下式计算:T2=sh式中sh 混凝土收缩值;混凝土的温度线膨胀系数，取 1 105(1/)。5 3徐变作用下温度效应折减系数混凝土徐变是在持续恒定应力作用下应变不断变化的一种现象，沿应力方向应变随时间而增加，其大小与作用的应力成正比，同时混凝土徐变还与构件加载时混凝土龄期、尺寸效应、所处环境相对湿度等因素有关。混凝土的徐变与约束应变61Structural Engineers Vol 29，No 6Study of Design Method同向，混凝土徐变将导致结构约束应力、约束应变不断减小。在分析混凝土结构的温度收缩效应时，应考虑混凝土徐变的折减效应。5 3 1徐变作用下的混凝土收缩效应折减系数考虑混凝土徐变的收缩应力折减系数既能反映混凝土龄期，也能反映混凝土徐变度 C(t，)对收缩应力随时间而变化的规律的影响，是时间 t的单调折减函数。文献 7 提出了混凝土结构温度收缩作用效应的力学计算模型，并提出了徐变作用下混凝土收缩和温度变化效应的折减系数计算公式:2=1 enn(1)式中，n为混凝土最终徐变系数，与水泥品种和标号、水灰比、水泥浆含量、截面尺寸、空气相对湿度、加载龄期等因素有关，考虑到我国大部分地区年平均相对湿度 55%80%，取 n=20，按公式计算可得 2=0 45。5 3 2徐变作用下温差效应折减系数根据老化理论8 可知，随着混凝土龄期的增长，计算温度变化时的徐变影响将削弱，建议徐变系数 n取为 0 5，根据公式(1)可计算求得温度应力徐变折减系数 1=0 787。5 4综合温差结构构件的温度分布主要取决于外界气候与内部使用状况，当影响结构温度分布的因素发生变化时，结构构件所产生的温差可由下述三个分量组成:引起结构构件的伸长或缩短的均匀分布的整体温差分量;引起结构构件弯曲线性变化的局部温差分量;非线性变化的自平衡温差分量。其中，局部温差分量及自平衡温差分量对结构整体的变形及受力影响较小，并且在施工及使用过程中可采取措施避免或降低其负面影响，而整体温差对结构影响较大，需其进行计算分析。整体温差效应包含的基本参数有:结构闭合阶段的初始温度;结构在使用及施工阶段经历的月平均最高及最低气温;混凝土收缩及徐变的影响。在温度变化、混凝土收缩和徐变共同作用下，进行温度收缩作用效应分析时，综合计算温差可按下式确定:T=1T1+2T2(2)式中T1 月最高(低)气温(按室内有空调构件确定)与结构闭合阶段的初始温度的差值，本工程取为18;T2 考虑泵送混凝土，混凝土收缩变形考虑为 700 106，结合后浇带的设置及各项技术措施，可认为40%的收缩在施工阶段完成，则考虑后浇带影响时使用阶段温差取为 42，不考虑后浇带影响时使用阶段温差取为 70;1 温度效应下的徐变折减系数，取0 787;2 混凝土收缩效应下的徐变折减系数，取 0 45。按式(2)计算，本工程在结合后浇带并考虑混凝土收缩及徐变共同作用下的综合温差为5，不 考 虑 后 浇 带 影 响 时 的 综 合 温 差 为18。6温度效应有限元分析结果根据确定的综合温差，采用有限元程序SAP2000 对工程建立模型进行分析。其中，墙板采用薄壳单元模拟，梁柱按线单元模拟。在有限元分析模型中，把钢筋混凝土视为均质材料，为了考虑钢筋对混凝土弹性模量和密度的影响，可将混凝土和钢筋的弹性模量和密度进行综合处理，得到等效的弹性模量和密度。混凝土本构关系采用规范建议，但不考虑下降段影响。图 2 为地下二层顶板长方向温度应力图(局部)，从图中可知，温度收缩基本呈现由两端向中心变形，在端部及内部核心筒周边出现了较大的图 3地下二层顶板长向温度应力分布示意图(整体结构最右侧局部)Fig 3Schematic diagram of temperature stress distribution of the basement roof71设计方法研究结构工程师第 29 卷第 6 期应力集中。拉应力峰值如表 1 所示，当不考虑技术措施影响时，拉应力峰值远超混凝土抗拉强度标准值，会对混凝土的耐久性及建筑美观产生较大的不利影响。考虑各项技术措施之后，拉应力峰值明显降低，小于混凝土抗拉强度设计值，通过配置适当的抗拉钢筋可以满足要求。表 1综合温差工况下的拉应力峰值Table 1Peak tensile stress difference intemperature conditions参数不考虑技术措施考虑技术措施拉应力峰值/MPa6 2147结论本工程结构单元的长向距离远超规范的限值建议，建筑功能及结构方案设计中均无法设置伸缩缝，在设计过程中必须对温度应力进行合理分析并采用相应的技术措施，避免出现大面积的裂缝影响混凝土耐久性及建筑美观。温差荷载应考虑环境温差、混凝土收缩及混凝土徐变等因素，密切结合工程所在区域的温度统计，并合理运用已有的研究成果确定综合温差。在采取超长混凝土结构设计措施后，大部分不利变形均发生在施工阶段，使用阶段只要考虑环境温差、部分收缩变形，并应考虑徐变影响。经有限元分析，考虑各项技术措施后，结构在综合温差荷载作用下的拉应力峰值只有不考虑措施情况的 22%，小于混凝土抗拉强度设计值，可满足耐久性要求。工程投入使用后，经持续观测，未见超出规范允许的裂缝。参考文献1 中华人民共和国建设部 GB 500102010 混凝土结构设计规范S 北京:中国建筑工业出版社，2010Ministry of Construction of the Peoples epublic ofChina GB 500102010 Code for design of concretestructures S Beijing:China Architecture andBuilding Press，2010(in Chinese)2 郑晓芬 超长预应力混凝土梁板结构温度收缩裂缝控制研究 D 上海:同济大学，2003Zheng Xiaofen esearch on crack control for temper-ature and shrinkage of prestressed concrete beam-slabstructure of 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