国内某航站楼超长结构整体温差计算分析

李 鹏

(湖南省建筑设计院有限公司，湖南 长沙 410011)

0 引言

国内某机场航站楼,地下两层,地上为到达层和出发层,采用超长框架结构方案,结构单体最大长度达378 m,大幅超过现行国家规范所规定的设置伸缩缝的最大间距。结构在温度收缩作用下有可能产生过大的约束变形,导致混凝土梁板、柱及装修构件的开裂破坏等严重后果。因此,机场新航站楼自施工至使用生命全过程的各楼层的整体温差取值进行精细分析。分析各影响因素对整体温差的影响规律,并据此提出降低温差的设计、施工建议。对施工阶段、使用阶段的结构进行温度收缩作用效应的计算,并对计算结果进行分析。

1 整体温差的影响因素分析

1.1 自然环境

结构构件施工阶段所经历的温度变化等于实际变化的气温与构件合拢温度的差值。

温差计算采用工程所在地区的气象统计资料较为适宜。本工程采用当地1971年—2000年气象统计资料[1],如表1所示。

表1 气象统计(1971年—2000年)

1.2 土体的保温隔热效应

地下结构所处的周围土体具有保温隔热效应,地下室主体结构施工完毕后,周围土体应尽早回填,以降低地下结构的温度收缩作用效应。地下室周围土体回填后,可将地下室环境温度在室外环境温度的基础上予以调整,为简化计算,对夏季最高环境温度折减10 ℃，冬季最低环境温度增加5 ℃[2]。

1.3 围护结构的保温隔热效应

由于外围护结构具有保温隔热作用,可降低结构的温度收缩作用效应,因此,主体结构完工后,宜立即进行围护结构的安装,围护结构安装完毕后,主体结构处于室内环境,可将室内环境温度在室外环境温度的基础上予以调整,夏季最高环境温度折减5 ℃；冬季最低环境温度增加5 ℃。

1.4 混凝土的收缩、徐变时随性能

1)收缩。计算混凝土结构温度收缩作用效应时需考虑混凝土的收缩时随特性,根据文献[3]的相关规定计算各个龄期混凝土的收缩变形,并将其等效成温差。

εsh,∞=780γcpγλγhγsγψγcγα，其中，γcp为初始养护条件的校正系数,考虑3 d潮湿养护,取值为1.1；γλ为环境相对湿度校正系数,γλ=1.4-0.010×80=0.6；γh为平均厚度校正系数,平均厚度取为楼板厚度250 mm；γh=1.17-0.001 14×250=0.885；γs为坍落度校正系数,坍落度取值为180 mm；γs=0.89+0.001 61×180=1.179 8；γψ为细骨料含量校正系数,令ψ=30%<50%,γψ=0.30+0.014×30=0.72；γc为水泥含量校正系数,水泥含量为400 kg/m3，γc=0.75+0.000 61×400=0.994；γα为空气含量校正系数,空气含量，%,不掺外加剂的混凝土,当骨料最大粒径为20 mm时,可取2%;40 mm时可取1%;80 mm和150 mm时可忽略不计,根据该工程可能采取的混凝土配合比情况,暂假定α=3%，γα=0.95+0.008×3=0.974。

εsh,∞=780×10-6×γcpγλγhγsγφγcγα=780×10-6×1.1×0.6×0.885×1.179 8×0.72×0.994×0.974=374.68×10-6。

2)混凝土的徐变。混凝土徐变是随时间而增加的沿应力方向的应变,其大小与作用的应力大小成正比。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。

根据文献[4],混凝土前期徐变速率较快,徐变效应是一个长期过程,且构件弹性应力、应变随时间不断变化。

混凝土的徐变与约束应变同向,混凝土徐变将导致结构约束应力、约束应变不断减小,国内外有关研究表明,徐变可削减应力峰值达50%～80%,降低约束应变达20%～40%。根据文献[4],考虑徐变对温度收缩作用效应的折减效应,取折减系数为0.7[5-6]。

1.5 后浇带的设置

合理设置后浇带,确定出各层后浇带的最佳封闭时间。综合考虑了结构整体施工进度安排、环境温差、土体保温效应、混凝土的收缩变形等因素,进行了施工及使用过程中的正、负温差取值的计算。经试算得知,后浇带宜在各楼层混凝土工程施工结束后1个半月时封闭,对应的混凝土早期收缩持续时间为45 d。

2 整体温差的确定[7]

由于季节变化、太阳辐射等造成的结构温差可以分为两类:一类是局部温差——外表构件自身内外表面的温差;另一类是整体温差——构件中面所经历的温差。局部温差一般可通过施工覆盖措施予以降低,且影响较小。建筑从施工到使用,结构构件所经历的整体温差影响较大,特别是负温差,影响混凝土结构开裂,需要进行分析。

2.1 收缩温差计算

收缩温差根据后浇带合拢后的收缩变形差来计算,后浇带合拢天数取45 d,第一个月(30 d)尚未合拢,不计入收缩等效温差:

第二个月(60 d)收缩等效温差:

第三个月(90 d)收缩等效温差:

第四个月(120 d)收缩等效温差:

第五个月(150 d)收缩等效温差:

如此类推,可以计算得出各个阶段收缩等效温差如表2所示。

表2 各阶段收缩等效温差

2.2 总温差计算

从地下室-2层结构开始施工直至投入使用,施工时间约为12个月,每个月各层楼板的温差可以如下计算所得:

各层负温差=经历月最低气温-合拢温度(后浇带封闭当月平均气温);

各层总温差=各层负温差-收缩等效温差。

考虑混凝土的徐变的折减效应,收缩等效温差应乘以折减系数0.7。

各个施工阶段的总温差计算如下所示:

1)结构施工地下2层(2月)。

2)结构施工地下1层(3月)。

3)结构施工到达层(含夹层)(4月):4月中旬地下2层后浇带合拢,地下室周围土体回填,温差计算如表3所示。

表3 第3)阶段温差计算表

4)结构施工出发层(5月):5月中旬地下1层后浇带封闭,温差计算如表4所示。

表4 第4)阶段温差计算表

5)装修阶段(6月):6月中旬到达层后浇带封闭,温差计算如表5所示。

表5 第5)阶段温差计算表

6)装修阶段(7月):7月中旬出发层后浇带封闭,温差计算如表6所示。

表6 第6)阶段温差计算表

7)装修阶段(8月),温差计算如表7所示。

表7 第7)阶段温差计算表

8)装修阶段(9月),温差计算如表8所示。

表8 第8)阶段温差计算表

9)内部设备安装阶段(10月):外围护结构安装完毕,室内温度高出室外5 ℃,温差计算如表9所示。

表9 第9)阶段温差计算表

10)设备安装阶段(11月):鉴于施工过程已经结束,机场航站楼良好的保温措施,室内温度高于室外环境温度,取室内最低温度为10 ℃。温差计算如表10所示。

表10 第10)阶段温差计算表

11)设备安装阶段(12月):鉴于施工过程已经结束,机场航站楼良好的保温措施,室内温度高于室外环境温度,取室内最低温度为10 ℃。温差计算如表11所示。

12)使用阶段:建筑物装修完毕,投入使用后,由于所处环境条件不同,各结构构件的使用温度亦不同,可据下述方法确定[7]:

室内构件:有空调采暖:夏季25 ℃,冬季15 ℃,室内构件所经历的最大负温差=15 ℃-合拢温度-收缩等效温差,温差计算如表12所示。

表12 第12)阶段温差计算表

综上,可确定结构各阶段的各层最不利负温差,如表13所示。

表13 各层最不利正、负整体温差

3 结论

通过各个阶段的温度计算可以看出:

1)地下室外土体对地下室有保温作用,为减小地下室结构温差,地下室外墙应及时回填。

2)外围护结构对到达层和出发层有较好保温作用,应尽快完成围护结构。

3)合拢温度对温差影响较为明显,为减小负温差,建议选择气温较低时浇筑后浇带。

4)收缩和徐变产生的等效温差也是影响总温差的重要因素,应充分利用后浇带,减少收缩产生的等效负温差。

总之,为减小总的负温差,应合理安排项目工期及进度,特别是后浇带的封闭时机。