云南某跨线综合楼超长结构温度分析

刘金波

(辽宁省交通规划设计院，辽宁 沈阳 110166)

1 工程概况

云南墨江服务区跨线综合楼位于云南省墨江市，总建筑面积约3 800 m2，地上3层，局部塔楼部分为4层，房屋总高度22.5 m。本工程平面形状总体呈“L”型，东西向长82.8 m，南北向长73.5 m。建筑横跨南北向敷设的高速公路，建筑功能包括餐饮、商场、办公等功能用房及服务设施。

本工程平面形状不规则，总体呈“L”型，两个方向总长度分别为83.1 m和73.5 m，通过设缝将结构分成两个“一”字型独立单体，结构平面布置见图1。

图1 结构平面图

结构设计参数：7度抗震，设计基本地震加速度0.10 g，设计地震分组为第三组。

2 结构选型

本工程建筑布置复杂，通过设缝分为南北两个单体(南楼和北楼)，南楼结构形式相对简单(长48 m，宽21 m)，北楼(跨线部分)结构形式相对复杂(长82.8 m，宽25.5 m)，南楼采用混凝土框架结构体系，北楼跨线部分采用型钢混凝土框架结构，其它部分采用混凝土框架结构。

3 结构规则性判别

本工程北楼部分结构较复杂，存在结构超长、大跨度、竖向抗侧力构件不连续等情况，对该部分结构的不规则性控制成为设计重点[1-2]。

图2为北楼平面布置，并按表1对北楼进行结构规则性判别。

表1 北楼结构规则性判别

图2 北楼平面布置图

经上述计算分析可知本工程属于一般不规则建筑。工程设计中采取了以下措施：(1)加大下部薄弱层的柱截面以减小相邻层的刚度突变，同时加大薄弱层的板厚及配筋；(2)针对北楼中间跨线部分存在连续两跨22.5 m大跨结构，对其补充竖向地震计算并对各构件进行包络设计；(3)对结构主要受力构件的抗震构造措施进行加强以提高结构安全性。

4 结构温度应力计算

结构温度荷载主要包括季节温差、昼夜温差和混凝土收缩当量温差三部分组成[3]。

4.1 季节温差

本工程位于云南省玉溪市，其月平均最高气温为30 ℃，月平均最底气温为-1 ℃。本工程在2015年9月份主体合拢，因此地上结构的合拢温度近似取为19 ℃，进入冬季前没有投入使用，整个结构裸露在室外，因此结构的降温温差为-20 ℃，升温温差为11 ℃。

4.2 昼夜温差

由于本工程属于公共建筑，使用阶段考虑空调的作用建筑物内部基本恒温。故昼夜温差主要对结构表面产生影响，且混凝土具有热惰性，短时间内的温度变化对结构影响很小，因此昼夜温差作用可忽略[4]。

4.3 混凝土收缩当量温差

在计算混凝土收缩量时，参考了王铁梦的《工程结构裂缝控制》[5]一书中的相关计算方法[1]。先确定某种标准状态下混凝土的最大收缩，任何其他状态下的最大收缩应用各种不同系数加以修正。

ε(∞)=ε0(∞)·M1·M2·M3…Mn

对本工程，按分段施工考虑，完成后3个月浇筑温度后浇带。经计算结构整体收缩温差与混凝土膨胀补偿温差相当。因此混凝土收缩效应当量温差取0 ℃。

4.4 温度工况组合

考虑温度荷载作用共进行了如下4种荷载工况组合计算，并对计算结果与考虑地震作用的工况对比进行包络设计，见表2。

表2 考虑温度荷载作用的工况组合

4.5 温度应力计算结果

本工程采用MIDAS软件进行温度应力分析，为真实计算温度作用楼板单元按弹性楼板考虑，分析中框架柱基础按完全约束考虑，忽略基底与地基土间相对位移的有利因素。

由以上计算可得出如下结论：(1)温度作用下5轴和7轴型钢混凝土柱的剪力和弯矩最大，除此以外框架柱的剪力和弯矩从里向外逐渐增加；(2)框架梁在温度荷载组合工况下底部楼层轴力最大，向上逐层减小，同一楼层框架梁轴力最大值出现在沿结构超长方向型钢混凝土柱旁第一跨处；(3)楼板在降温工况下与框架梁共同受拉，且受力趋势与梁相同。

温度工况下结构的应力特征是由该楼结构特点所致：结构底部两层5轴、6轴和7轴处为型钢混凝土柱(截面尺寸为1 m×1 m)，其他部分为0.6 m×0.8 m的钢筋混凝土柱，3层处通过型钢混凝土梁与5轴、6轴和7轴的型钢混凝土柱连接，并在型钢混凝土梁上起柱，以实现跨线部分的结构转换。其中6轴位于北楼中间，受温度效应影响较小，5轴和7轴处的型钢混凝土柱是抑制中间22.5 m大跨结构变形的“第一道防线”，且其刚度较大，对结构温度变化时的变形约束较强，因此5轴和7轴型钢混凝土柱的剪力和弯矩最大。框架梁和板的温度应力特点比较好理解，温差应力本身是当变形受到约束时所产生的内力效应。从竖向各楼层来看，越靠近基础的楼层变形受到的约束越严重，其温度效应越明显，并且温度效应随楼层上升衰减迅速。

通过温度工况与地震工况的计算结构进行比较得出以下结论：(1)5轴和7轴处型钢混凝土柱在温度工况下的剪力较地震作用下略大，弯矩较地震作用下型钢混凝土柱内型钢受剪已满足要求；(2)底层部分框架梁温度工况下轴力较地震作用下大，需增大腰筋和梁顶纵筋配筋量来抵抗温度作用；(3)结构底部两层楼板不连续，在3层处楼板变形受到约束较小，总体而言楼板除部分角部以外温度应力较小，相应的措施为在3层楼板处沿超长方向通常配筋以抵抗温度应力。另外在施工方面还采取了以下措施：采用低水化热水泥，控制结构合拢温度，加强混凝土的养护，基础施工完成后及时回填以避免长期暴露。

5 结 语

本工程虽然建筑规模不大，但结构形式较复杂，存在结构超长、大跨度、竖向抗侧力构件不连续等多种结构不规则性。通过计算表明温度效应对框架柱，尤其是不规则建筑的特殊部位，竖向构件产生的影响不能忽略。结构设计时应对包含温差荷载的工况进行计算，仔细分析结构不同部位的温度效应，并针对不同部位采取不同措施以有效地解决温差效应给结构带来的安全隐患，从而提高项目的合理性和经济性。