某现代物流配送中心超长钢筋混凝土结构的温度效应分析及裂缝控制措施*

朱浩川, 肖志斌, 邵剑文, 童根树

(1 浙江大学建筑工程学院，杭州 310027；2 浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310027)

0 引言

随着商品经济的飞速发展,与物流配送相关的大型中转仓储类建筑的应用也越来越多。此类建筑具有仓储量大、周转率高、广泛应用数字化信息化运输技术等诸多特点,对建筑结构提出了严格要求:建筑需拥有大平面尺度和高大空间以满足巨大的仓储需求;各类自动化信息化运输设备的频繁使用,要求楼地面平整,运行过程无颠簸,以保证运输精准快捷。在建筑结构中,较大的平面尺度将导致显著的温度效应等问题。工程上通常采用设置伸缩缝的方式,避免超长钢筋混凝土结构因温度应力过大致使构件开裂,伸缩缝设置间距限值在《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[1](简称《混规》)亦有明确规定。然而,因伸缩缝构造形式限制,结构在伸缩缝处采用柔性材料进行连接,工程中尚无法避免形成楼面冷缝,高精度的自动化运输设备在经过伸缩缝时势必因路面不平整而产生颠簸,导致行进速度降低、预定路线偏离,严重时甚至会引起运输物资倾覆,极大降低了周转效率,无法满足现代物流配送类建筑的使用需求。如何在保证楼板连续性及平整度的基础上,有效解决超长钢筋混凝土结构的温度效应问题,也成为此类工程的关键所在。

本文以某现代物流配送中心实际工程为例,利用大型通用有限元软件MIDAS Gen对超长钢筋混凝土结构温度效应进行数值模拟分析,明确结构温差、模型简化和关键参数的确定原则,最后基于数值模拟及实际工程应用提出有效的裂缝控制措施。

1 工程概况

本工程为浙江省绍兴地区某现代物流配送中心,地下1层,地上3层,均为仓储中转用房,工程实景见图1。地下室为框架+混凝土侧墙结构,平面尺寸为165.2m×260m,层高6.1m;地上为3层框架结构,各层层高7.5m,由两个南北对称的单体组成,单体平面尺寸155m×125m,间隔10m,一层为连续楼面(即地下室顶板),二层、三层通过钢结构连廊将南北单体相连;结构柱网尺寸11m×11m,采用井字梁体系布置,主梁截面650mm×900mm,次梁截面300mm×800mm,纵横向后浇带间距约40m,结构布置如图2所示。基础采用钻孔灌注桩+承台+防水板形式,桩径700mm,有效桩长约40m,以中风化凝灰岩为桩端持力层。

图1 工程实景图

图2 一层结构平面布置图

根据物流配送中心的建筑使用要求,本工程对楼板连续性及平整度有严格要求,无法设置伸缩缝,其纵向连续长度达260m,远超《混规》不设缝长度限值,为体型超长的混凝土结构。本文对该工程温度效应有限元分析方法及裂缝控制措施进行阐述。

2 结构计算温差

产生混凝土结构温度效应的计算温差主要由季节温差和混凝土收缩当量温差两部分组成,并应计入材料收缩徐变、构件开裂刚度折减的影响[2-4]。

2.1 季节温差

混凝土结构温度裂缝主要由降温工况下的收缩引起,使用期间结构的降温温差可按下式计算[5]:

ΔTs=Ts,min-T0,max

(1)

式中:ΔTs为结构降温温差;Ts,min为最低月平均温度;T0,max为结构最高初始平均温度。

可以看出,若选择在冬季最冷月份浇筑混凝土或闭合后浇带,T0,max值较小,可较大程度避免结构温度裂缝产生。考虑本工程超长混凝土结构的特殊性,对后浇带封闭时间进行严格控制,禁止夏季炎热季节闭合,设计时采用春季、秋季平均气温进行计算。本工程地下室顶板即为建筑室内一层楼面,无需考虑恒温土层[2]对地下结构温度效应的有利影响。

最终,季节温差按式(1)进行计算。本工程位于浙江省绍兴地区,紧邻杭州市萧山地区,综合考虑《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[6]附录E杭州地区数据及绍兴地区当地气象资料,冬季平均气温为4℃。因所有楼面均处于室内环境,适当考虑建筑的保温作用,Ts,min取为6℃。后浇带封闭温度T0,max取春、秋季较高月平均气温24℃,季节温差ΔTs按式(1)计算值为-18℃。

2.2 混凝土收缩当量温差

混凝土收缩产生结构裂缝的机理与季节温差相同,是超长混凝土结构温度裂缝的重要因素之一。由于混凝土收缩本身较难进行数值模拟,研究中通常将混凝土收缩应变转换为当量温差予以考虑,关系如下:

ΔTsh=-[εsh(∞)-εsh(t)]/α

(2)

εsh(∞)=3.24×10-4×M1M2…M10

(3)

εsh(t)=3.24×10-4×M1M2…M10×(1-e-0.01t)

(4)

式中:ΔTsh为混凝土收缩当量温差;εsh(∞)为混凝土最终收缩应变;εsh(t)为后浇带封闭时已完成的收缩应变;t为后浇带封闭时间,本工程取90d;α为混凝土线膨胀系数,取1×10-5/℃[1];M1、M2、…M10为各修正系数,采用文献[7]推荐方法结合工程实际情况进行取值,见表1。

表1 混凝土收缩当量温差参数取值

本工程各修正系数计算结果M1×M2…×M10=0.885 6。最终,εsh(∞)计算值为2.87×10-4,εsh(t)计算值为1.70×10-4,混凝土收缩当量温差ΔTsh计算值为-11.7℃。

2.3 材料收缩徐变和构件开裂刚度折减

温度效应属于荷载长期效应。由于混凝土具有收缩徐变的特性,构件在长期荷载作用下徐变变形不断开展,并产生应力松弛,可有效降低超长混凝土结构的温度效应[8]。材料收缩徐变对温度应力的影响参数用应力松弛系数表示,即徐变应力与弹性应力的比值,其随时间变化取值可参考文献[9],见表2。

表2 混凝土材料松弛系数

从表中结果可以看出,随时间增长,松弛系数趋于0.283(约为0.3)。因此,考虑混凝土的徐变和应力松弛影响后,由季节温差和混凝土收缩当量温差产生的温度应力降低为弹性应力的30%,即计算温差考虑材料收缩徐变的折减系数可取0.3。

混凝土材料在较大拉应力作用下(降温工况)会产生裂缝,构件开裂后刚度降低,可进一步缓解结构温度效应。然而,若在计算时采用非线性分析,考虑材料开裂引起的构件刚度变化,计算量巨大且结果难以控制。实际工程中可按弹性分析,并考虑构件开裂刚度折减系数,文献[10]通过比较分析,建议该折减系数取0.8。

综合考虑材料收缩徐变和构件开裂刚度折减影响后,结构的计算温差ΔT应按下式计算:

ΔT=0.3×0.8×(ΔTs+ΔTsh)

(5)

综上,本工程各层楼板计算温差ΔT按式(5)为0.24×(-18-11.7)=-7.1℃,将该值作为系统温度荷载施加于整体结构上,应用于后续有限元分析。

3 有限元模拟关键参数

3.1 单元选取

在进行有限元模拟分析时,构件单元类型对模型的运算效率和计算精确度有重要影响[11]。基于既有研究成果和实际工程经验,本文采用简化模型对超长混凝土结构温度效应进行初步判断,其中,楼板和剪力墙采用板单元模拟,框架梁和框架柱采用梁单元模拟,单元网格大小取1 200mm×1 200mm。

3.2 楼层模型简化及楼面高差

本工程平面布置以纵向中心线呈南北对称,为提高计算效率仅对北侧结构建模,并根据结构对称性及工程实际情况进行约束条件设置:一层楼面对称轴处为连续楼板,约束边界处Y向水平位移和绕X轴转角(即Y=0,RX=0);二层、三层局部形成连廊,通过简支钢梁连接,约束边界处Y向水平位移(即Y=0);四层为屋面,南北两楼无任何连接,边界处不设置约束。

一层楼面对称轴区域是一条宽度为10m的汽车通道,为满足室外地面建筑构造,该区域楼板较室内楼面降低500mm,形成一道横跨结构的高差带,如图2阴影区域。连续楼板在结构高差处划分为高差楼面,边界约束得到一定程度释放,温度效应可显著降低。因此在有限元分析时,对本工程一层楼面高差按照实际情况建模,高差梁采用实体单元模拟,节点与楼面板单元节点耦合,如图3所示。

图3 高差楼面有限元建模示意图(对称模型)

3.3 基础侧向刚度

本工程基础采用钻孔灌注桩,单桩直径d=700m,混凝土强度等级为C30。因桩基础具有一定水平变形能力,结构底部水平约束可采用弹簧模拟[12]。

结合地勘报告工程地质条件,本文采用《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[13]建议的m值法计算得到单桩平动刚度KHH=1.44×104kN/m,再根据承台实际布桩情况对结构底部施加弹簧约束(水平向刚度为nKHH,其中n为柱底承台对应桩数)。

3.4 有限元模拟结果

采用上述方法对本工程超长混凝土结构温度效应进行有限元模拟,各层楼板有效温度应力如图4、图5所示。

图4 一层楼板有效温度应力/MPa

图5 二层楼板有效温度应力/MPa

由图4计算结果可以看出,一层楼板虽然在对称轴处设有高差带,但因其连续长度过大,温度效应十分显著,楼板有效温度应力在2.0MPa以上;因地下室外墙的约束较强,结构侧边及角部区域的有效温度应力较大,局部甚至达到4.0MPa以上,其应力值远超混凝土材料抗拉强度,需进一步采取措施以减弱超长混凝土结构温度效应,避免温度裂缝产生。

除一层楼板外,地上各层楼板温度效应均较弱,且温度应力水平逐层减小。以图5所示二层楼板计算结果为例,该层有效温度应力整体处于0.25MPa以下,结构侧边和角部虽略高但尚未超过0.5MPa,其原因在于:地上各层楼板约束主要来源于框架柱,其约束程度远低于地下室混凝土外墙,且一层楼面已完成大部分温度收缩形变,致使地上各层温度效应并不显著。鉴于二层、三层及屋面楼板的温度应力水平远远低于混凝土抗拉强度,材料本身足以抵抗温度效应所产生的收缩应力而不致开裂,故对地上各层不采取裂缝控制措施。

4 超长混凝土结构温度裂缝控制措施

4.1 温度效应控制机理

传统的温度裂缝控制措施通过设置伸缩缝形成自由边界,释放楼板约束,减小楼板连续长度,从而降低超长结构温度效应。结构设缝后为满足建筑要求形成连续楼面,伸缩缝处尚需设置柔性材料进行连接。此种方式虽然能降低超长混凝土结构温度效应,但因其构造形式限制,无法避免连接处两侧楼板差异,难以满足现代物流配送类建筑对楼面连续性和平整度的严格要求。

本文结合结构平面布置特点提出“温度变形槽”,该裂缝控制措施在保证楼板连续、楼面平整的基础上,可对超长混凝土结构温度效应进行有效控制,具体构造方式为:在指定位置将同一柱跨内框架主梁分为两根设置,梁底由钢筋混凝土楼板连接,槽内采用憎水型膨胀珍珠岩制品或水泥砂浆回填找平,如图6所示。在温度效应作用下,“温度变形槽”两侧楼板因约束得到有效释放产生面内变形,温度应力得到有效释放。经分析此变形极小,仅在回填砂浆与框架梁接触处形成细微裂缝。结构采用此类构造措施,经槽内回填整平可使相邻板面无明显高差,细微裂缝对运输设备正常通行的影响微乎其微,足以满足现代物流配送类建筑对楼面平整度要求。且裂缝仅处于回填砂浆与框架梁接触面,对结构构件安全及耐久性无任何不利影响。即使在以后使用过程中细裂缝有一定程度开展,仅需采取简单的封闭处理即可恢复楼面平整度。

图6 “温度变形槽”构造及变形特点

4.2 结构布置

根据上述原理,在超长连续楼板上设置一定数量的“温度变形槽”,将楼板划分为长度较短的若干区段。本工程构件截面为:普通主梁截面650mm×900mm,变形槽两侧主梁截面为400mm×900mm,间距200mm;梁底连接楼板厚度为150mm,连接楼板横向配筋适当加强。

本工程平面尺寸为165.2m×260m,对称轴所处板跨因地面行车要求,设置了一道高差为500mm横向降板区域。综合考虑结构平面布置情况,设置纵向一条、横向两条“温度变形槽”,间距约为60～70m,将连续楼板划分为8个区域,见图7(黑色粗实线为温度变形槽,灰色阴影为结构中部降板区)。

图7 一层楼板“温度变形槽”布置

4.3 有限元分析及设计优化

结合结构布置及“温度变形槽”构造特点,本文在有限元模拟时,将变形槽相关的框架柱、双框架梁采用实体单元模拟,按构件实际尺寸建模,实体单元网格划分与整体结构一致,并与周边梁板单元节点耦合,如图8所示。有限元模拟结果见图9、10。

图8 “温度变形槽”梁柱构件实体单元建模

由图9计算结果可以看出,通过布置“温度变形槽”,连续楼板被划分为4个可独立变形的区域(对称半模型),各区域内楼板有效温度应力约为1.3MPa,温度效应较未采取措施时降低35%以上;区域边缘因框架梁柱节点约束形成应力集中,局部温度应力约为2.3MPa;整体结构侧边及角部因地下室外墙的约束较强,有效温度应力水平仍然较高,达到3.0MPa以上,但其应力值及分布范围较未采取措施前均有较大程度改善,设计时对结构角部楼板配筋进行加强。

图10(a)为一层楼板X向温度应力计算结果,可以看出结构被纵向“温度变形槽”分割为东西两个区域,每个区域X向温度呈中间大、东西两边小的变化趋势,楼板X向温度应力从中央部位约0.8MPa减小至两侧0.3MPa,低于混凝土抗拉强度设计值,材料强度足以抵抗水平向温度作用,无需因温度效应影响而增加X向楼板配筋。

图10 设“温度变形槽”的一层楼板温度应力/MPa

图10(b)为一层楼板Y向温度应力计算结果,因结构对称性仅对平面对称轴以北建模,图中北侧为结构边界,南侧为降板区域并设置对称约束条件。可以看出,对称模型被横向“温度变形槽”及对称轴处高差带划分为两个区域,每个区域Y向温度呈中间大、南北两边小的变化趋势,上部区域临近结构北侧边界,楼板温度应力约为1.0MPa;下部区域临近结构中部对称轴,楼板温度应力略高,约为1.5MPa;东西两侧边楼板受纵向地下室外墙的约束作用,边跨楼板温度效应较强,Y向温度应力约为2.0～2.5MPa,已接近混凝土材料抗拉强度,故设计时对东西两边跨楼板Y向配筋进行加强;“温度变形槽”相邻板跨及对称轴高差板带区域有一定程度应力集中现象,温度应力约为2.0MPa,设计时对上述区域楼板Y向配筋亦适当加强,以抵抗超长混凝土结构的温度效应,避免裂缝产生。

4.4 框架梁温度效应及预应力布置

通过布置“温度变形槽”,连续楼板划分为若干可独立变形的区域,引起结构温度应力重新分布。根据有限元计算结果显示,“温度变形槽”两侧相邻跨的框架梁在温度效应作用下产生较大拉力(1 000～2 000kN),约为其他区域框架梁拉力2～3倍。对称轴位置高差板带两侧纵向框架梁也因应力重分布导致拉力较大。

本工程对纵向、横向“温度变形槽”及高差板带两侧相邻框架梁采用无粘结预应力技术,在梁腹板中部区域设置高强度低松弛钢绞线预应力钢筋,同时增加腰筋配筋率,以控制温度效应下混凝土收缩产生的裂缝。一层楼面预应力框架梁布置如图11黑色粗实线所示。预应力钢筋设置数量根据有限元模拟得到的梁内拉力计算结果进行设计,部分梁截面预应力钢筋配置见图12,经验算满足《混规》相关要求。

图11 一层楼板预应力梁平面布置

图12 预应力梁截面构造

本工程于2019年施工完毕,现已投入使用。通过合理布置“温度变形槽”及预应力框架梁,连续楼板被划分为8个可独立变形的区域,结构连续长度大大减小,温度效应得到有效控制,平面尺寸165.2m×260m的楼面未发现温度收缩裂缝。与传统措施相比,本文提出的“温度变形槽”经回填整平可使相邻板面无明显高差,能够满足现代物流配送类建筑对超长混凝土结构不设缝、保证楼面平整度的严格要求。根据有限元分析结果,对指定区域内结构梁板进行针对性加强,有效避免温度效应影响下结构因应力集中、应力重分布引起的不利影响,极大提高了材料的利用效率。

5 结论

(1)温度效应计算温差由季节温差和收缩当量温差组成,且应考虑材料收缩徐变和构件开裂刚度折减;在进行有限元模拟时,尚应计入楼面高差及基础侧向刚度的影响。

(2)多层超长混凝土结构,首层楼面(即地下室顶板)温度效应较明显,需采用一定控制措施防止温度裂缝产生;除首层楼面外,地上各层楼面温度应力较小,混凝土材料强度足以抵抗因收缩变形所产生的应力而不致开裂,温度效应影响可以忽略。

(3)混凝土楼板温度效应呈中间大两边小的分布特征,墙柱等约束较强处会产生应力集中现象;在结构角部、地下室外墙范围等温度应力较为集中的区域,设计时也应对楼板予以加强。

(4)本文提出的“温度变形槽”,可在保证结构不设缝的情况下对温度效应进行有效控制。综合结构平面特点设置“温度变形槽”,将连续超长混凝土楼板划分为若干独立变形的区域,释放边界约束,楼板内有效温度应力降低幅度可达35%以上。

(5)“温度变形槽”引起结构温度应力重新分布,导致相邻跨的框架梁产生较大拉应力。本工程对相关范围框架梁设置预应力钢筋并增加腰筋配筋率,以抵抗局部温度效应,控制裂缝产生。