某办公楼超长结构设计与施工

李剑群，刘宜丰

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041)

某办公楼超长结构设计与施工

李剑群，刘宜丰

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041)

位于贵州省遵义市的某办公楼，结构长度大大超过我国规范伸缩缝的最大间距，因超长产生的温度应力对结构的影响较为显著。文章结合该办公楼的超长特性，较全面地介绍了此类结构中如何考虑温度应力并通过详细的温度应力计算分析、设置后浇带、诱导缝、采用补偿收缩混凝土以及施工控制等技术措施，解决超长混凝土结构温度应力和混凝土收缩问题，文中方法可供类似工程参考。

超长结构； 温度应力； 诱导缝

随着近年我国城市化进程的加快，大型公共建筑得到蓬勃发展。虽然我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)对于钢筋混凝土结构设置伸缩缝的最大间距有明确要求，但在实际工程设计中，常常由于建筑师的要求或建筑物功能的需要，无法按规范要求设置伸缩缝，出现超出甚至远超现行规范所规定的伸缩缝间距的超长混凝土结构。

本文结合遵义市某超长钢筋混凝土办公楼项目结构设计，介绍此类结构中如何考虑温度应力并通过详细的温度应力计算分析、设置后浇带、诱导缝、采用补偿收缩混凝土以及施工控制等技术措施，解决了超长混凝土结构温度应力和混凝土收缩问题，并取得了预期的效果。

1 工程概况

本工程办公楼建筑地上部分为193 m×64 m，远超现行规范要求；地上总层数为11层，建筑高度46.8 m，入口大厅为5层通高，高度为21 m。立面设计的原则是要体现方正、庄严、大气恢弘及富有秩序感的建筑形象，因此建筑立面不允许设置永久变形缝(图1～图3)。由于结构超长，施工及使用阶段的温度变化和混凝土收缩产生的应力对结构的不利影响显著，设计中必须考虑温度应力问题。

图1 效果

图2 二～五层典型平面布置

图3 七层～屋面层典型平面布置

本文首先分析结构温度荷载的取值方法，然后采用有限元方法对结构的温度作用进行计算和分析。在此基础上，对结构有针对性的采用多种方法，从而实现结构不设缝的目的。

2 结构温度荷载的确定

确定结构温度荷载的首要环节是确定综合温差。综合温差包含的影响因素主要有环境温差、收缩当量温差及考虑徐变效应的折减系数三个方面。

2.1 环境温差的确定

环境温差分为施工阶段和使用阶段。一般认为施工阶段的温差影响可以通过一定的施工措施来解决，温差分析更多的是关注使用阶段的应力情况，故环境温差可取建筑物施工完成后可能遇到的最高或最低多年月平均温度与建筑物合拢时断面中心温度的差值。结合工程的实际情况，取月平均气温15 ℃为结构合拢时的温度(遵义地区冬暖夏凉，取此温度较为合适) ，基本气温根据荷载规范[1]取值：最高平均气温34 ℃、最低平均气温-2 ℃。据此可计算求得最大升温温差为19 ℃，最大降温温差为-17 ℃。

2.2 收缩当量温差的确定

收缩当量温差是将结构收缩产生的变形和降温时产生的变形进行等效换算所得的温差。文献[2]建议按下式进行计算:

式中:α为混凝土线膨胀系数，取为1×10-5/℃；εy(t) 为任意时间产生的收缩变形，按下式计算:

其中:ξy0为标准状态下最终收缩值，取值3.24×10-4;M1，M2，…，Mn为考虑各种非标准条件的修正系数。本工程综合考虑了水泥品种及细度、骨料类型、水灰比、水泥浆量、初期养护时间、使用环境湿度、构件水力半径、振捣操作方式及模量比和构件配筋率等因素来确定修正系数。工程设计时各结构单元内部都设置有温度后浇带，并考虑按60 d后封闭，计算出此时结构已经完成的收缩变形。取t=∞时的结构收缩变形为全部收缩变形，该变形量和后浇带封闭时已经完成收缩变形量的差值即为后期总的收缩变形。计算出后期总收缩变形量后，即可计算出当量温差。

60 d的收缩值εy(60)=8.28×10-5

最终收缩值为εy(∞)=1.84×10-5

从而得到后期收缩量的当量温差:

T=Ty(∞)-Ty(60)=10℃

2.3 考虑徐变效应的折减系数的确定

一般情况下，结构遭受的季节最大温差和收缩变形都是随时间变化比较缓慢的作用，混凝土徐变总是利用变形使结构内力朝着变小的方向发展；结构在正常使用状态下一般都是带裂缝工作的，裂缝的产生将使得结构刚度减小，内部温度应力部分得以释放；徐变产生的应力松弛，可大幅度降低弹性应力，结构中的实际应力会远远小于弹性分析的结果。考虑到这些有利的影响因素，可以考虑对综合温差进行相应的折减。文献[2]建议根据温差变化缓慢程度松弛系数可取为0.3～0.5，这里取0.3。

故综合总降温差为：

T=徐变应力松弛系数×(季节温差+收缩当量温差)

=0.3×(17+10)=8.1℃

升温时可不考虑和当量温差叠加，故综合总升温差为：

T=徐变应力松弛系数×季节温差=0.3×19=5.7℃

2.4 温度作用效应组合

根据荷载规范[1]，温度作用组合系数取为0.6，频遇值系数取0.5，准永久值系数取0.4，分项系数取1.4。

3 有限元分析

本工程采用了MIDASGen(V8.0) 进行温度应力弹性有限元计算，计算采用三维梁板墙单元模拟水平及竖向构件，按结构布置整体建模(图4)，并采用PMSAP(2012年6月版本)进行复核。以典型的一榀框架1-Q为例，全楼降温工况下分析主要结果如图5～图8。

图4 整体计算模型

图5 单榀框架(1-Q轴)梁轴力

图6 单榀框架(1-Q轴)梁弯矩

图7 单榀框架(1-Q轴)柱剪力

图8 单榀框架(1-Q轴)柱弯矩

根据分析得到以下结论：在降温工况下，温度应力对框架的影响主要集中在临近嵌固端的下面两层，温度影响在两层以上迅速衰减，结构产生的整体效应为顶部变形较大、附加内力较小，底部变形较小、附加内力较大；温度作用对于底层框架柱的影响最为明显，呈现出由边跨向中间跨逐渐减小的趋势，边柱所受弯矩和剪力均最大；对于第二层楼面框架梁而言，弯矩的影响相对柱要小，主要是受轴力的影响，并且呈现出由边跨向中间跨逐渐增大的趋势。本工程体型因长度中部下部几层架空，对于温度应力影响大的下部临近嵌固端的1～2层，自身条件相较一般的超长结构好。

本工程中降温工况下考虑松弛系数0.3后，构件最大内力如下：

(1)梁最大轴力为759.9 kN，出现在第二层建筑长向端头与剪力墙相连的梁中；

(2)梁最大弯矩490.2 kN·m，出现在第二层建筑长向端头与边柱相连的梁中；

(3)柱最大剪力为78.3 kN，出现在第一层建筑长向端头的边柱中；

(4)柱最大弯矩为250.5 kN·m，出现在第一层建筑长向端头的边柱的柱底。

楼板温度应力的计算结果如图9～图13。

图9 二层楼板收缩应力X向分布

图10 三层楼板收缩应力X向分布

图11 六层楼板收缩应力X向分布

图12 十一层楼板收缩应力X向分布

图13 屋面板收缩应力X向分布

楼板温度应力计算表明，由于温度作用引起的板内应力第二层楼面比较明显，第三层楼面及以上楼面非常小，几乎可以忽略不计，只有局部位置有应力集中的现象。

本工程中降温工况下考虑松弛系数0.3后，第二层楼板板内绝大部分都是拉应力，一般部位拉应力都在0.95 MPa以内，楼板局部最大拉应力出现在设置了混凝土墙的部位，由于混凝土墙的平面内刚度要比柱大很多，较大程度地限制了楼板的收缩，造成了较大的拉应力，最大达到1.65MPa，在此位置考虑楼板钢筋的作用，能抵抗此部分拉应力。

4 结构不设缝的技术措施

在前述计算分析的基础上，结构构件均按考虑温度荷载效应组合后的包络值进行设计。此外，还对结构有针对性的采用多种构造措施及施工要求来实现结构不设缝的目的。

4.1 构造措施

4.1.1 设置后浇带

后浇带能有效释放早期混凝土收缩应力。本工程平面尺寸超长的方向，设置了4条后浇带，后浇带最大间距48.7 m(图14)。

图14 温度后浇带布置

对于后浇带提出以下要求：

(1)温度后浇带应在60 d后选择气温低的天气(不高于15 °C)浇捣后浇带的混凝土，并采用强度等级高一级的微膨胀混凝土捣实；

(2)后浇带混凝土内应掺入适量高性能混凝土膨胀剂和聚丙烯纤维，混凝土水中养护14 d的限制膨胀率应不小于2.5×10-4。混凝土膨胀剂掺量应以试验为准(约为每m3混凝土中水泥用量的8%～10%)。聚丙烯纤维掺量为每m3混凝土0.9 kg，纤维长度应不小于19 mm，且应有良好的分散性；

(3)后浇带范围内，梁筋贯通不断，板筋断开搭接，搭接长度为60d(d为钢筋直径)。

4.1.2 设置诱导缝

在以前的民用建筑中很少有采用诱导缝的做法，本工程在平面尺寸超长的方向，设置了3条诱导缝。诱导缝的位置设在楼板拉应力较大、易开裂的部位，分布在后浇带中间，将楼板在缝的位置断开成4段，各段最大长度50.4 m(图15、图16)。

当纵向拉应力大到一定程度，此缝被拉开而释放拉应力，免于在其他部位开裂。

4.1.3 掺膨胀剂和抗裂纤维

对受温度荷载影响较大的楼层(一层、屋面层及屋面下一层)楼板混凝土中加入膨胀剂及抗裂纤维，聚丙烯纤维掺量为每m3混凝土0.9 kg，纤维长度应不小于19 mm。

图15 诱导缝布置

(a)带缝梁处板配筋示意 (b)带缝梁配筋示意 (c)次梁与带缝梁交接示意 图16 诱导缝构造

4.1.4 增设附加温度钢筋

对沿平面尺寸超长的方向梁腰筋及楼板钢筋(包括下部钢筋)均按受拉搭接和锚固，且对于跨中无负筋处均设置上部附加温度钢筋。

4.2 施工措施要求

(1)加强振捣，对混凝土进行测温，采取措施严格控制水灰比、掺加剂及塌落度并进行测定。用水化热低的水泥，严格控制混凝土粗细骨料的含泥量，配置混凝土时可掺入适量Ⅰ级粉煤灰(掺量不大于30%)以减少水泥用量。

(2)底板、楼板施工完毕后，需及时(浇筑后12 h以内)加强保湿、保温养护措施,减小日照、湿度、风速的影响。可采用塑料薄膜或喷养护剂及挂草帘等保湿、保温养护14 d，对于墙侧及板底、梁侧梁底不易养护的地方，应配置专人定时喷水养护，并加强对大体积混凝土的温度监控工作。

(3)侧墙施工分段浇筑混凝土，后浇带用钢丝网拦截，并用钢板止水带；混凝土浇筑完成2 d后，松开模板螺栓，顶端及两侧浇水养护，7 d后拆除模板，采用淋水或挂麻袋覆盖，保湿、保温不得少于14 d，以不见白为准。

(4)降低混凝土的拌合温度和浇筑温度，减少水化热和收缩，浇筑时间避开温度最高的时段。

(5)养护期间必须有专人负责，避免出现干燥情况，并制定合理的养护制度。地下室顶板的回填土应提前准备好，顶板拆模养护一定时间后要及时回填。

5 结束语

超长建筑不设缝是结构设计的难点，本文介绍了如何确定季节温度荷载和收缩当量温差的大小，及如何考虑混凝土徐变对温度荷载影响，并对结构建立三维有限元模型，通过计算得出结构不同部位的温度应力值，在此基础上，对不同的结构部位采取不同的结构措施。本工程主体封顶后一年内针对混凝土进行了多次检查，可见裂缝很少，说明本文针对超长混凝土结构的控制措施基本得当，达到了预期目的。

[1] GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S]

[2] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997

李剑群(1979～)，男，硕士研究生，一级注册结构工程师，工程师，从事结构设计工作。

TU359

B

[定稿日期]2015-03-04