大型商业中心超长结构设计方案研究

董朝专

摘 要：文章结合工程实例，主要针对大型商业中心超长结构设计中相关要点进行了总结与分析，主要从结构布置、温度应力、技术措施等方面进行了论述，以供参考。

关键词：超长结构；温度作用；框架内力

1 工程概况

沈阳华强城市广场位于沈阳市沈河区青年大街西侧，南一经街的东侧，十三纬路的两侧地块内。其中商业B区裙楼地面以下4层，主要为停车库及商业用房；地面以上6层，建筑面积约9.5万m2，主要为各种业态的商业店和电影院，主屋面为钢梁玻璃屋面。各塔楼地上部分在与商业B区裙楼交接位置处设变形缝分开，地下室不设缝。裙楼建筑平面最长处为170米，最宽处为115米。

2 结构布置

本工程主体结构采用框架—剪力墙结构，结构典型柱网尺寸为8.4 m×8.4m，2～6层北部、中部、东部设有中庭，中间用一端铰接，一端滑移的钢连廊连接，以释放部分温度及收缩应力。因建筑使用功能要求，平面上无法设置变形缝将其断开，结构平面超长且不规则，平面上每隔50m设置一道温度沟。

3 超长结构设计

本工程建筑平面最长处为170米，最宽处为115米，平面尺寸均远超出《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）中框架—剪力墙结构伸缩缝的最大间距55m的要求，属典型的超长结构。其中二层商业部分平面在建筑平面中长度最长，且受到底层柱的约束，温度应力对结构内力的影响尤为突出。本文主要针对首层框架柱与二层楼板、梁温度内力及变形问题进行分析，介绍超长结构温度作用分析与结构处理技术措施。

3.1 温度分析

外界温度变化会引起热胀冷缩，产生约束应力，引起结构内力重分布。温度收缩应力是超长混凝土结构设计中需要解决的主要问题，钢筋混凝土结构因自然环境变化，引起的温差荷载效应可分为三种类型： 季节温差、日照温差和骤降温差。由于长期温度荷载作用下的稳态温度效应对结构起控制作用，骤降温差和日照温差引起的短期温度作用只考虑温度场趋于稳定后的温度效应。因此，本文结构温差荷载取值按季节性温差计算，取日平均极限高温、日平均极限低温与结构成型时温度的差值作为荷载作用计算，极限日平均温度取30年一遇值，结构成型时温度取月平均气温。在正常使用情况下，室内温度约保持在25 ℃，最低温度暂定为-5℃。

3.1.1混凝土收缩变形与徐变

结构合拢时混凝土未完成的收缩量为8.61 ×10-5，其混凝土当量温差为8.6℃。参照王铁梦《工程结构裂缝控制》中提供的数据，松弛系数为0.3，在计算弹性应力后乘以松弛系数作为截面设计的应力。

3.1.2计算温差取值

考虑季节温差，混凝土收缩变形的当量温差与补偿收缩混凝土的补偿作用当量温差，正常使用阶段温差取值详表下表。

3.2 温度作用下的框架内力

框架柱内力分布特点：角部的框架柱内力较大，内框架柱由于温度效应较小，内力相对较小。柱最大拉力为9839KN，最大弯矩为3687 KN·m。考虑到混凝土结构带裂缝工作，采用刚度折减系数0.6、温度作用组合系数0.7、分项系数1.3进行结构整体分析。当考虑温度工况进行设计时，靠近边跨的柱内力增加，配筋率提高，符合上文分析的内力变化趋势。柱配筋变化如表1所示，由配筋率可以看出，部分柱配筋的增幅较大，可见对超长结构进行温度作用分析是非常必要的。

3.3 温度作用下的梁应力

梁轴向拉应力为1.8MPa， 温度所需配筋率为0.15%。楼层含有钢梁和型钢混凝土梁，在温度作用下结构整体协调，导致钢结构部分的应力比混凝土部分的应力高，但均低于钢材设计应力值的25%。混凝土部分，因为温度沟的设置，温度应力大部分集中于横跨温度沟的框梁上，所以着重考虑横跨温度沟的砼梁（应力集中处）的温度应力，以满足受力和使用要求。

3.4 温度作用下的楼板应力

温度对楼板的作用主要表现为降温工况下楼板内产生的拉应力，采用有限元软件进行整体建模，分析其在降温工况下楼板的温度应力，降温工况下的楼板最大主应力见图1。

楼板温度应力分布特点为：拉应力在中部大，四周小，长方向大，短方向小，降温工况在端柱位置形成负应力区，其为整体协调变形的结果。楼板在开洞边、转折凹凸位置产生应力突变，在应力集中部位设置加强区。因楼板温度筋由降温工况控制，考虑降温工况下的效应与0.3的應力松弛系数，进行楼板温度应力下的构件设计。

3.5超长结构其它技术处理措施

（1）材料 采用补偿收缩混凝土，以提高结构自身抗裂性能，控制裂缝开展。选用质量稳定、低水化热和含碱量较低的水泥和坚固耐久、级配合格、粒形良好的骨料；尽量降低拌和水的用量，控制砂率0.35～0.42，水胶比不宜大于0.5；粉煤灰掺量不宜超过胶凝材料用量的40%，矿渣粉的掺量不宜超过胶凝材料用量的50%。

（2）施工 每隔40m左右设置800mm宽的收缩后浇带，从基础直到屋面。该后浇带在其两侧结构施工完两个月后，采用比相应构件部位混凝土强度等级高一级的微膨胀混凝土进行补浇。采用有效的保温保湿措施，砼入模温度不大于28℃，控制混凝土内外温差不超过25℃，温度陡降不超过10℃，以部分抵消混凝土收缩和温度应力对结构的不利影响。在混凝土浇筑施工中，采取二次振捣措施，并加强混凝土养护，特别是前期养护。

4 结论

（1）针对结构的整体特征，选取了面积最大、长度最长的一层进行分析，并得到了具有代表性的结果，对于整体结构设计具有指导作用。

（2）通过对超长结构在温度作用下的内力分析，得到了温度内力的分布情况，并对应力较大的部位进行了加强。这种做法既保证了结构的承载力要求，又创造了较好的经济效益。

（3）对于结构材料与施工，也采取了相应的措施，如采用在混凝土中掺入膨胀剂与设置施工后浇带等，以保证超长结构的工作性能，并降低结构产生裂缝的风险。

参考文献

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

[2] 卢先军.深圳北站东广场超长结构设计[J].建筑结构，2012，42（4）：44-64.

[3] 王铁梦.《工程结构裂缝控制》 北京：中国建筑工业出版社，2006.