超长钢筋混凝土结构设计控温效应的措施研究

张 瑾

(中核新能核工业工程有限责任公司,山西 太原 030012)

钢筋混凝土结构抗裂性差,裂缝问题是其普遍性问题。裂缝的出现,不但影响美观,还严重影响寿命。目前,随着我国建筑技术水平的提高,我国现已建成多座超长的混凝土结构。

1 温度应力理论

1.1 温度荷载的分类及特点

一般来看,引起混凝土结构温度应力的温度变化有季节温差、内外温差、骤然温差、日照温差四种,其影响因素分别为气候变化、冷热空气、太阳辐射和空气温度。其中,与其它三种温差相比,季节温差的影响时间具有长期性,影响范围具有整体性,影响程度具有均匀性,可使结构整体位移发生大的变化。而且,季节温差的温差应力具有不符合虎克定律,非线性分布,不断瞬时变等特点。因此,季节温差对超长结构裂缝的影响最为突出,为本文研究重点。

1.2 约束应力的产生

约束大致可分为内约束和外约束两类,其中,外约束可分为无约束、弹性约束和全约束。当钢筋混凝土结构在受到温差作用发生变形时,不同的构件之间(外约束)、构件内部不同的质点之间(内约束)便会相互制约,产生约束应力。

2 超长钢筋混凝土结构温度变形和温度应力分析

2.1 季节温差、温度荷载组合各系数的取值

混凝土是一种抗压能力较好而抗拉能力较差的材料。钢筋混凝土结构从冬季施工到夏季正式投入使用的过程中,整体上发生膨胀变形,总体受压为主。反之,则整体上发生缩小变形,总体受拉为主。因此,一般而言,钢筋混凝土结构季节温差一般可取结构使用中夏天的最高气温与冬天的最低气温之差。

由于温度对混凝土结构影响的不唯一性,混凝土结构在考虑温度荷载时,通常还需要考虑温度荷载组合系数、刚度折减系数和松弛系数等。其中,一般情况下,除有特殊要求(取值0.9),温度荷载组合系数φT建议取值0.7,分项系数γT建议取值1.2,准永久系数φ建议取值0；梁、拄的抗弯刚度应乘以折减系数0.85；松弛系数取值为0.3[1]。

2.2 基本模型的温度变形和温度应力的计算分析

目前,SAP在计算季节温度作用下结构的温度应力方面被广泛应用。SAP是一款结构分析通用有限元软件,其是根据材料的属性和温度的变化计算构件温度应力的。SAP温度荷载是指温变产生的热应变等于材料的热膨胀系数(来源于分析属性数据,由材料本身性质决定)和单元温度变化(由参考温度到荷载温度的改变)的乘积[2]。

2.3 建筑物长度变化、楼板厚度变化以及柱截面刚度变化对结构温度效应的影响

建立长度变化的一些模型可以分析建筑物长度变化对结构温度效应的影响。研究发现,随着建筑物长度的增大,各结构温度变形和内力将发生如下变化：①楼板变形和内力。楼板位移量以及拉应力最大值随着建筑物长度的增大而线性增加。且不同长度模型中,各层楼板以底层楼板的收缩变形最小；建筑物长度大于54m时,楼板变形最大,且温度应力增加最快；②梁温度效应分析。随着建筑物长度的增加,梁的轴力和弯矩极值逐渐增加。且长度大于54m时,温度效应增加最快,大于72m后,对梁轴力和弯矩的影响逐渐减小；③柱温度效应分析。建筑物长度的增加对柱子轴力增加值影响很小,可以不作重点考虑。因此,一般而言,现浇钢筋混凝土结构建筑物长度超过55m时,宜设置伸缩缝。

建立楼板厚度变化的一些模型可以分析楼板厚度变化对结构温度效应的影响。研究发现,随着楼板厚度的增加,各结构温度变形和内力将发生如下变化：①楼板温度变形和内力。增加板厚可以减少板底应力,却会增加板面应力；②梁温度效应分析。随着楼板厚度的增大,使板承担了更多的温度内力,梁的轴力降低了,弯矩增大了；③柱温度效应分析。随着楼板厚度的增大,板的刚度也增大,温度收缩内力增大,柱子的变形和内力也都有所增加。

建立柱刚度变化的一些模型可以分析柱截面刚度变化对结构温度效应的影响。研究发现,随着柱截面的增加,各结构温度变形和内力将发生如下变化：①楼板温度变形和内力。随着柱截面的增大,楼板温度变形不断减小,而楼板拉应力急剧增大；②梁温度效应分析。随着柱截面的增大,梁的轴力和弯矩都有所增加；③柱温度效应分析。随着柱截面的增大,柱的轴力和弯矩也都有所增加。因此,结构的约束刚度,对温度应力的影响较大,应控制边柱截面的大小。

3 超长钢筋混凝土结构设计采取控温效应的措施

3.1 设置伸缩缝或者后浇带

一般情况下,混凝土结构需采取能减小混凝土温度变化或收缩的措施,设置伸缩缝便是最常用的措施。设置伸缩缝可以将结构分成独立的温度区段,以使其自由伸缩。《混凝土结构设计规范》也对现浇钢筋混凝土结构在不同环境中,设置伸缩缝的结构长度现值与伸缩缝的间距等做了明确的规定,现浇钢筋混凝土结构处于露天环境和非露天环境下长度分别超过35m和55m时,宜设置伸缩缝；如有充分依据和可靠措施,伸缩缝间距可适当增大。综合考虑实际需要、各项成本和各建筑物特点,框架结构与屋顶设缝不宜设置伸缩缝。

现行规范的伸缩缝仅根据结构长度控制,而结构长度只是影响温度收缩应力的因素之一。根据资料和现场实际情况的调查,当建筑物过长时,在条件合适的时候可用后浇带方法来代替伸缩缝,以释放早期混凝土收缩应力,减小以收缩为主的变形。后浇带一般为700～1000mm宽,宜用微膨胀、比原结构提高一级强度的混凝土,在小跨梁中间或梁受力较小的部位每隔30～40m设置一道,在两侧混凝土龄期达到60天且温度较低时封闭。值得注意的是后浇带不等同于伸缩缝,不能解决温度应力。

3.2 采用预应力混凝土结构并加强构造配筋

预应力混凝土结构(如无粘结预应力筋)可抵消温度应力和收缩内力,使混凝土延迟开裂。从功能上讲,无粘结预应力筋能够减小温度应力的不利影响；从效果上来看,控制的效果主要取决于所布置无粘结筋的总量,在板上配置无粘结预应力筋比在主梁上配置好[3],在柱上板带集中布筋的效果稍好。值得注意的是,采用预应力混凝土结构的地方,应提高该处普通钢筋的配筋量。

温度配筋对结构抗裂影响很大,因此应加强温度构造配筋以控制温度裂缝的开展。如在纵向边柱交接处楼板宜配上下两层钢筋；在基础截面突然变化、转折部位等,增加斜向构造筋；对混凝土梁的腰部增配直径为8～14mm的构造钢筋等,使其能更好地满足变形和内力的要求。

3.3 降低约束刚度

约束内力与荷载内力的重要区别是,在变形作用条件下,结构的约束内力还与结构刚度有关。一般情况下,底层楼盖受到的约束作用大,温度应力也最大,而降低约束刚度是减小温度应力的有效措施。如可以在约束体与被约束体的接触面上设置隔离层,在超长结构采用较密柱网等降低约束刚度,减少温度应力。

3.4 其他

采用建筑物顶部局部伸缩缝方法也可以降低超长钢筋混凝土结构温度效应的发展。由于日照温差的影响,屋面出现裂缝的可能性大。利用一个底柱上起两个柱,将屋盖分成两部分,以减少顶层的长度,可以有效地防止顶层墙体及结构的温度裂缝的产生和发展。

此外,加强建筑物屋面的保温隔热性能,在屋面板内配置抗温度收缩钢筋,采取预留竖向插筋等方式加强砖砌女儿墙和混凝土构件直接的连接,加强屋顶层结构与顶层围护墙体之接的连接等,也是降低超长钢筋混凝土结构温度效应发展的有效措施。

4 结语

在建筑物形式越来越复杂、体形越来越大、长度越来越长的今天,采取一定的措施来减少或控制超长钢筋混凝土结构的温度应力和温度变形,增加其抗裂性、防水性、抗冻性等耐久性能,保证建筑物的使用寿命,对我国城镇现代化发展具有十分重要的意义,值得进一步思考与研究。

[1]华旦,吴杰,干钢.超长混凝土结构的温度应力分析与设计实践[J].建筑结构,2012(07)：56-59．

[2]罗华,吴金国.HEA用于超长钢筋混凝土结构施工[J].江西建材,2004(02)：11,15．

[3]彭全敏.超长混凝土结构收缩裂缝控制研究[D].天津大学,2012．