浅谈混凝土超长结构温度应力分析和设计措施

浅谈混凝土超长结构温度应力分析和设计措施

吕庆甫

(中城科泽工程设计集团有限责任公司广东分公司，广东中山 528403)

摘要：在温度荷载作用下，超长混凝土结构产生的变形和内力一直是工程实践中需要解决的主要问题。本文为笔者在超长混凝土结构设计中采用的计算方法和经验总结，希望对大家有所帮助。

关键词：超长混凝土结构、温度应力分析、处理措施

0引言

随着现代建筑向多功能发展，越来越多的建筑为了满足使用功能和结构的整体性，通常减少伸缩缝的设置甚至不设缝，从而导致建筑长度超过了规范要求的伸缩缝限制，称为超长混凝土结构。对于超长混凝土结构，结构将产生变形和内力，裂缝也常因温度应力产生，可能会影响建筑正常使用，所以研究超长混凝土结构的温度效应的计算和处理措施非常重要。

1工程概况

广东珠三角某工业厂房项目，高度49.8m，长度108m，宽度36m，采用钢筋混凝土框架结构。因工艺要求，中间不能做抗震缝，故本项目属于超长混凝土结构，应补充计算温度应力分析。

本工程温度应力分析包括施工阶段和使用阶段。根据广东省《建筑结构荷载规范》8.3节和附录E表E.4.4 确定，本工程基本气温最高值Tmax=35℃，最低值Tmin=7℃。根据本项目施工组织安排，后浇带封闭时间的气温在15~25℃之间。

根据业主和暖通专业需求，建筑屋面均有保温层，本项目在使用阶段的夏季室内温度为26℃，冬季为15℃。

2项目施工阶段温度对混凝土构件影响

本项目施工阶段温降工况温差为7-25=-18℃，温升工况温差为35-15=20℃；本项目使用阶段温降工况温差为15-25=-10℃，温升工况温差为26-15=11℃；综上所述，施工阶段的温差较大，起控制作用。

另外，应考虑混凝土长期收缩的影响。混凝土构件在硬化过程中会产生收缩，这是一个长期的过程，其最终收缩量与其材料构成、构件尺寸、使用环境以及施工养护等多方面因素有关。混凝土的收缩再混凝土内产生拉应力，可把后浇带封闭后的残余收缩变形等效为整体降温。考虑90天后浇带封闭，残余收缩应变等效降温为-8℃。因此温度分析时温降工况总温差为-18-8=-26℃，温升工况温差为20℃。

温差均有缓慢的温度变化产生，通过对变形的约束使构件受力，可以考虑混凝土的徐变应力松弛特性。为简化计算，根据有关参考文献，松弛系数取0.3~0.4。计算时，将混凝土部分弹性计算的温差乘以松弛系数，所得的温差数据作为程序计算输入温差。

混凝土是弹塑性材料，实际混凝土结构在竖向、水平荷载作用下，应考虑混凝土塑性及裂缝的影响。混凝土构件刚度可考虑0.85的折减系数，钢结构构架不折减。

2混凝土超长结构分析及计算设计参数

1） 按照<建筑结构可靠度设计统一标准>的要求，温度作用的荷载分项系数1.5，组合系数取0.6；

2） 本项目梁和楼板的混凝土强度：C30；弹性模量：3x104N/mm2；

3） 混凝土徐变松弛系数：0.35；

4） 混凝土热膨胀系数：1x10-5/℃；

5） 室内楼板的最大裂缝控制限值：0.3mm，室外楼板的最大裂缝控制限值：0.2mm；

6） 楼板钢筋种类：HRB400，弹性模量：2x105N/mm2。

采用YJK对结构进行温差变化(温升按20℃，温降按-26℃考虑)的温度应力分析。程序采用有限元法计算温度效应，程序将节点温差转换为等效荷载，结构位移和内力的计算与其他荷载的分析完全一致。在软件中，最高升温和最低降温作为两个独立的工况与恒、活、地震、风等作用一样进行计算。

3基本操作步骤 

1） 参数设置中点选生成等值线数据和计算温度荷载，折减系数0.35x0.85=0.2975，取0.3；

2） 楼板属性定义为弹性膜或弹性板6；

3） 温度荷载：温差定义(升温和降温)、温度荷载布置、当无地下室时可全楼布置；

4） 执行生成数据和计算。计算结果查看降温单工况下，内力调整后的应力。

4项目计算结果

结果表明：最大拉应力为0.9N/mm2,小于C30混凝土抗拉强度标准值2.01 N/mm2，不用做加强处理。本项目屋面可按超长结构构造布置，屋面板厚取150mm，双层双向配筋，每个方向配筋率不小于0.25%。

当楼板最大拉应力超过混凝土轴心抗拉标准值时，楼板配筋计算方法：

1） 计算温度工况下楼板配筋A1。取1m板宽计算，混凝土面积A=1x板厚，As=F/fy=σx1x板厚/fy；

2） 计算恒+活下的楼板配筋A2；

3） 根据荷载组合工况进行设计：1.3恒载+1.5活载+0.6x1.5降温或1.3恒载+0.7x1.5活载+1.5降温。

对于大体量超长混凝土结构楼板，在温度作用下产生的温度应力足以引起楼板开裂等工程质量问题，需要引起工程设计人员的重视，在设计阶段即加以分析并采取有效的技术手段和措施加以解决。

5 超长混凝土结构可减少楼板开裂的措施

1） 合理安排结构混凝土的浇筑时间，最大限度的降低结构因季节温差产生的温度效用；

2） 推迟后浇带封堵时间，减少混凝土残余收缩变形的影响；推迟至4~6个月为宜；

3） 设置膨胀加强带，使用添加UEA的补偿收缩混凝土；

4） 通过后浇带的补偿收缩混凝土产生的膨胀应力补偿结构合拢后温度收缩应力；

5） 提高混凝土养护质量、采用收缩小的水泥、减小水灰比和水泥浆量、再混凝土中加入适量的外加剂，改善水泥和砂石骨料的质量，降低混凝土终凝时间，注重施工过程中的保温和保湿，提高施工质量，减少混凝土收缩应力；

6） 设置钢筋加强区域，提高结构抵抗温度、收缩效应、地震作用的能力；

7） 在结构的构件配筋时，宜选用小直径钢筋和小间距的配筋方式，双向拉通常设置钢筋，；

8） 建筑采用可靠的保温隔热措施；

9） 在楼板局部温度应力较大位置，合理设置预应力，用以抵消温度拉应力。

超长混凝土结构材料选择建议：在满足混凝土强度要求的情况下，宜尽量降低水泥用量，普通强度等级的混凝土水泥用量宜为270~450kg/m3，高强混凝土中的水泥 及掺合料总量应不大于550 kg/m3。混凝土的水胶比过大或过小，都会劣化混凝土的抗裂性能，水胶比宜为0.4~0.55。在满足施工要求的条件下，宜采用较小的混凝土塌落度，以防止混凝土的离析和泌水导致混凝土表面产生裂缝。混凝土中宜加入水泥用量20%~30%的Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，改善混凝土的抗裂性能。当需掺入磨细矿渣时，宜与粉煤灰双惨。

结束语：

根据工程实践总结，我们了解到要控制超长混凝土结构产生裂缝必须采取综合有效措施，从设计到施工都要做饭认真把好每一关。针对不同项目要求，采用合理的设计和施工方法，使结构中的应力和应变小于混凝土的抗裂能力，使工程既安全又经济。

参考文献：

[1] GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2012

[2] GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2010

[3] GB50068-2018,建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社.2018

[4]DBJT15-101-2022,广东省建筑结构荷载规范[S].北京:中国计划出版社.2022.

[5]王铁梦.工程结构裂缝控制[M]. 北京:中国建筑工业出版社.2017.

[6]边明钊.建筑结构设计疑难问题解析与实例[M]. 北京:中国建筑工业出版社.2022.