某超长混凝土结构温度效应下裂缝控制

杨维英

(福建省交通规划设计院有限公司,福州 350004)

城市建设突飞猛进，超长的公共建筑如雨后春笋般涌现，GB50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015版)[1]关于钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距(室内或土中)如下：框架结构为55 m，剪力墙结构为45 m，地下区域为30 m。在实际工程应用中，综合考虑使用功能、外观、防水性及耐久性等因素，要求无断缝设计的超长结构越来越多，超长结构设计必然要考虑裂缝控制，特别是温度效应作用下混凝土收缩产生的裂缝。

当前对于超长结构裂缝控制的研究主要集中于应用有限元软件及理论公式计算对裂缝产生原因和分布规律进行分析，辅以其他措施控制裂缝的发展。韩光翔[2]以一个超长框架为例进行计算，考虑混凝土收缩和徐变，分析温度应力变化规律，结果表明，后浇带闭合后的降温及收缩是温度应力的控制因素。范重等[3]对超长框架结构温度作用进行研究，给出结构计算时最大正负温差的取值方法，通过建立多层框架结构简化模型来分析温度内力沿结构的竖向变化规律。王铁梦[4]提出计算弹性温度应力分跨总和法，根据温度变化快慢程度建议应力松弛系数取0.3～0.5。彭英等[5]研究表明，混凝土徐变可以大幅度降低温度应力，温差效应计算时应合理考虑混凝土徐变引起的卸载效应，通过合理选择后浇带浇筑时温度来控制温差大小可以有效降低温差效应。陈尚志[6]等结合赣州西站站前广场项目，提出以缓粘结预应力为主的裂缝控制措施，取得良好的裂缝控制效果。

该文结合兴泉铁路永春站站前广场项目，采用PKPM程序软件建立温度应力作用下的超长混凝土结构模型，分析温度应力变化对结构造成的不利影响，并采取相应的抗裂措施，为类似的超长结构设计提供参考。

1 工程概况

站前广场位于永春县，框架结构，地上2层，无地下室，采用冲孔灌注桩基础，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度(0.10g),设防地震分组为三组，二类场地，标准设防，抗震等级为三级。基本风压为0.45 kN/m2。建筑面积为8 410 m2，建筑长度为160.1 m，二层宽度为24.45 m，屋顶层宽度为16.35 m，属超长结构。由于建筑使用功能的特殊性，不设置伸缩缝，长度远超规范规定的限值，因此必须考虑温度效应作用，采取相应措施减少温度应力造成的不利影响。

2 变形分析

根据作用原理不同，混凝土收缩主要分为[4]：碳化收缩、化学收缩、体积收缩和温度收缩，其中化学收缩和碳化收缩的量在整体收缩的占比较小，一般不予考虑。文献[7]将混凝土的体积收缩引起的变形换算成等效温度作用，与结构的温度变化相叠加，结合其他相关研究成果，混凝土体积收缩当量换算成等效温差温度取ΔT=-5 ℃。

超长结构在受到高于混凝土入模成型时的温度时产生膨胀变形，反之产生收缩变形。当变形受到基础刚度及整体框架约束的影响时，内部将产生应力，在升温效应作用下，混凝土自身体积膨胀内部将产生压应力，对裂缝起有利作用，在降温效应作用下，体积收缩内部产生拉应力，当产生的拉应力大于混凝土的轴心抗拉强度标准值时，将产生裂缝，结合国内外超长混凝土结构设计经验，该文主要分析梁板在降温情况下对构件内力的影响。

3 温度效应确定及模型分析

3.1 温度效应确定

永春地处福建东南部，年平均气温20 ℃，极端最低气温零下7 ℃，极端最高气温38.4 ℃，根据工程实际施工情况，预估后浇带封闭时的月平均气温为20 ℃。根据《建筑结构荷载规范》[8]，结构最大降温的工况，均匀温度作用标准值按式(1)计算

ΔTk=Ts,min-T0,max

(1)

站前广场四周开敞，无室内外温差，最低温度-7 ℃，后浇带浇筑温度为20 ℃，收缩当量换算温差-5 ℃，故最大降温温差为-32 ℃。混凝土材料具有热惰性质，温度荷载作用对于混凝土结构的影响是一个长期的过程，需考虑混凝土徐变带来的影响，由于混凝土徐变导致应力松弛，进而引起应力重分布，超长混凝土结构由于温差产生的实际伸缩变形会明显小于弹性计算的结果。考虑混凝土徐变的因素，按弹性计算的温差效应乘以松弛系数[9]。根据快慢取松弛0.3～0.5，该工程取0.3，在软件模型中输入。

3.2 模型分析

温度变化对结构构件的变形主要可以分为两部分，即沿构件的轴线方向的伸缩变形和绕中性轴的转动变形。构件轴向方向的伸缩变形即为构件的均匀升温或降温引起的变形，绕中性轴的转动变形即构件内外表面的温差造成的变形。变形如图1所示，其中α为材料的线膨胀系数，H为截面高度，ds为截面宽度，t1、t0、t2分别为截面上表面、截面中性轴、截面下表面温度。

采用PKPM软件计算温度应力，程序采用构件截面均匀受温均匀伸缩的温度加载方式，即不考虑杆件内外表面的温差影响，只考虑均匀受温引起的轴向变形，不考虑构件温差引起的弯曲变形。该工程为室外工程，基本符合程序假定。在温度荷载定义中输入最低降温-32 ℃，考虑混凝土徐变因素，砼构件温度效应折减系数取0.3，计算楼板应力时设置为弹性板6，梁柱计算时楼板设置弹性膜，采用有限元进行计算，计算结果如图2～图4，楼板应力单位为kN/m2。

梁板采用C35混凝土，轴心抗拉强度标准值为1.57 N/mm2，也即1 570 kN/m2。图2显示，在降温工况下，结构首层的变形远大于二层。图3及图4显示楼板应力分布在结构中部较为均匀，端部应力变化较大，最大应力分布在框架柱周边及楼板开洞边缘，这是由于框架柱刚度较大，楼板开洞造成应力突变引起的，屋面层楼板在温度应力作用下产生的拉应力在0.5 MPa以内，远小于混凝土轴心抗拉强度标准值，不需要特别采取防裂措施，二层楼面板温度应力较大，局部大于混凝土抗拉强度标准值，需要特别采取防裂措施。可以看出，超长混凝土结构由于温度效应产生的变形主要集中于结构底部，这是由于基础嵌固约束的影响，首层结构在温度效应作用下引起的内力和变形最大，二层由于约束减小，温度效应作用迅速减小，柱底嵌固对温度效应影响显著。

4 裂缝控制措施

4.1 设置后浇带

混凝土凝结初期由于水化作用，水分蒸发较大，导致混凝土收缩，为减小混凝土施工初期收缩带来的不利影响，该工程结合平面使用功能设置5道伸缩后浇带，后浇带的封闭时间两侧混凝土龄期达到2个月以后，待混凝土早期收缩大部分完成后再进行。后浇带的混凝土应采用无收缩混凝土，强度等级提高一级，且控制混凝土的入模温度不得高于两侧混凝土的浇捣温度，在夜间温度较低时浇捣混凝土，设定后浇带的浇筑温度不得高于20 ℃。

4.2 设置缓粘结预应力钢绞线

图3中二层楼板在X向温度应力局部大于混凝土轴心抗拉强度标准值1.57 MPa，需要采取抗裂措施，因此在二层楼板范围内长度方向设置少量缓粘结预应力钢绞线，用以抵抗温度应力。同传统预应力技术相比，缓粘结预应力不需要灌浆及穿波纹管，待缓粘结剂固化后，缓粘结预应力筋与周边混凝土协同变形工作，达到有粘结预应力的力学效果[10]。

采用1×7φs15.2预应力钢绞线作为预应力钢筋，fptk=1 860 MPa,σcon=0.70fptk=1 860×0.7=1 302 MPa，扣除锚具回缩变形、摩擦以及应力松弛引起的预应力损失后，单绞线有效拉应力为1 010.5 MPa。以200 mm楼板为例，若要在X向建立预压应力为2.0 MPa，则每米板中配置预应力筋根数为：n=(200 mm×1 000 mm×2.0 MPa)/(1 010.5 MPa×139 mm2)=2.85根，为在长度方向建立2 MPa预压应力，可在单位楼板宽度(1 m)范围内布置3×1×7φs15.2钢绞线。

4.3 其他措施

混凝土中加入抗裂纤维，提高其早期的抗裂性能，严格控制好配合比，选用活性较低的水泥，普通减水剂，细度及活性不高的掺和料，适当增加骨料含量，将水胶比控制在0.4～0.5之间。施工时宜在相对低温下浇筑，降低混凝土入模温度，制定合理的浇捣顺序和间隔时间，振捣时不应漏振、欠振和过振。拆模时尽可能广域晚拆模，且拆模时混凝土温度不能过高，以避免接触空气时降温过快而开裂，更不能在拆模时浇注凉水养护。

楼板钢筋采用细而密的双层双向拉通筋配置，并在支座处附加钢筋。对柱子的箍筋进行加密处理。对超长方向的梁均设置腰筋，按梁高间隔200 mm设置一道，并加强梁的上部钢筋。

加强楼板的保温隔热措施，设置60 mm厚绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板(燃烧性能等级为B1级)等高效保温材料，以减小温度梯度效应。

5 结 论

该文主要分析了超长混凝土结构考虑混凝土收缩当量温差、徐变情况下，构件在降温工况下的应力分布规律，结果表明：

a.由于基础刚度的影响，首层结构在温度作用下引起的变形和内力最大，二层结构温度效应迅速减小，超长结构温度效应的研究应主要集中在结构的首层。

b.楼板应力分布在结构中部较为均匀，端部应力变化较大，最大应力分布在框架柱周边及楼板开洞边缘。

c.采取设置后浇带，设置预应力钢筋等措施能有效控制温度效应产生的裂缝。