超长无缝钢筋混凝土框架结构设计与分析

曹皓

（广东南雅建筑工程设计有限公司，广东广州 510000）

0 引言

随着社会经济的快速发展，工程建设规模不断扩大，结构形式日趋大型化、复杂化，质量要求也越来越严苛。人们对建筑物的造型及使用要求不断提高。相比普通结构，超长无缝混凝土结构具有外立面美观、保温、水密性好、设备管线布置灵活等优点。但因超长带来的挑战也不小，比较突出的是结构长宽比较大及混凝土收缩、徐变、温度作用显著，如何解决这两个难题，是超长无缝混凝土结构成功与否的关键。下面将结合具体工程案例来探讨应对方案。

1 工程概况

汕头国际海上风电培训中心位于广东省汕头市。建筑占地面积8026.1m2，总建筑面积约20338.82m2；其中北侧培训综合楼建面约13422m2，主体为钢筋混凝土框架结构，基础采用灌注桩。地上6 层，无地下室，建筑高度23.8m。

该单结构平面尺寸：2～4 层为128.5m×23.15（17.3）m，5 至屋面层为112m×17.3m。结构单元长度远超规范限值，如果按规范要求设置伸缩缝会影响建筑物的美观及使用功能，不设置伸缩缝又会因施工或使用阶段的温差作用使楼板产生过大的收缩裂缝。这些裂缝将直接影响楼板结构的使用功能，混凝土结构一旦出现裂缝就极难修复。而且超长的结构单元长度会导致结构的长宽比过大，地震波输入的位相差而产生的不规则震动所引起的震害也必须引起注意。2 层结构平面如图1 所示。

图1 2 层结构平面

2 抗震分析

本工程场地土类型为中软土，建筑场地类别为Ⅱ类，根据地勘报告揭露，自上至下（岩）土层分别为：素填土、细砂、淤泥、砂质黏性土、全（强）风化花岗岩、中风化花岗岩层。场地特征周期为0.55s。抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度0.20g。

该项目首、二层层高分别为5.0m、4.1m，标准层层高为3.6m。典型柱截面：600mm×800mm、600mm×900mm、700mm×900mm，典型梁截面：400mm×700mm、400mm×600mm、350mm×700mm、300mm×700mm、300mm×600mm，混凝土强度等级如下：竖向构件为C30～C40，水平构件为C30。抗震设防类别为丙类，框架抗震等级为二级。因结构长宽比较大，为保证双向抗侧刚度接近，框架柱均采用长矩形布置（较大柱高沿Y 向布置），沿Y 向框架梁采用较大截面以加强该方向的竖向构件连接，增大Y 向抗侧刚度。

该项目计算分析选用北京构力科技有限公司的PKPM 的SATWE 模块，整体计算模型如图2 所示，并利用北京筑信达工程咨询有限公司的ETABS 软件对比分析了结构的地震响应，验算了底部剪力、周期、最大层间位移角等主要性能指标。底部剪力对比如表1 所示。周期对比如表2 所示。层间位移角对比如表3 所示。通过对比计算可知，该框架整体指标均能满足规范要求，证明加强Y 向抗侧刚度的整体思路是正确的，该项目主要采用以下3 种措施来提高结构的抗震性能。

表1 底部剪力对比

表2 周期对比

表3 层间位移角对比

图2 结构整体计算模型

（1）布置长矩形框架柱以加大Y 向抗侧刚度，经计算验证两个平动方向的周期接近，结构在两个主轴方向的动力特性相近。

（2）Y 向框架采用强框梁连接（结合建筑布置采用单向板，以Y 向框架为主要竖向承重体系）。

（3）平面右侧有两层通高报告厅，结构跨度约17m，大跨框梁截面为500mm×1250mm，柱截面为800mm×800mm，大跨区域框架采用抗震性能设计，框架梁、柱均按中震抗剪弹性、抗弯不屈服进行复核加强。

3 温度应力分析

由于本工程X 向长度达128.5m（5 至屋面层缩减至112m），将近规范最大间距55m[1]的2.4 倍。上部楼盖在温度作用下会产生变形，但因其受到竖向构件的约束，无法自由地膨胀或收缩，会在楼板产生约束应力并导致开裂。

3.1 确定综合温差

根据汕头市的气象资料分析，夏季平均气温约27℃，夏季最高气温约32℃，冬季平均气温约17℃，东季最低气温约13℃，年平均温差约10℃。另混凝土在凝结硬化过程中，由于各种原因会出现体积缩小现象，其影响因素较为复杂，包括水灰比、材料、环境及养护条件等。混凝土收缩与温降收缩类似，工程中常采用收缩当量温度来近似处理。混凝土收缩相对变形值的当量温度计算[2]如式（1）和式（2）所示。

式中：TY（t）——龄期为t 时，混凝土收缩值当量温度；α——混凝土的线膨胀系数，取1.0×10-5；εy（t）——龄期为t 时，混凝土收缩引起的相对变形值；——在标准试验状态下混凝土最终收缩的相对变形值，取4.0×10-4；M1，M2，…，M11——混凝土收缩变形不同条件影响修正系数。

根据计算，并结合考虑混凝土外加剂、后浇带等有利作用，本工程收缩当量温度近似取10℃，温升作用下混凝土受压，对混凝土作用不明显，不会导致楼板开裂，故仅对温降工况进行分析。综合计算温差为10℃（降温温差）+10℃（混凝土收缩当量温差）=20℃，考虑到室内采用空调设备，在使用过程中年均温差将更小，结合上述几点，确定工程综合计算温差为18℃。

3.2 温度应力分布

该项目选用北京构力科技有限公司的PKPM 的PMSAP 模块进行温降工况分析，需要注意的是在计算分析前，应将默认的刚性板属性改为弹性膜或弹性板6，这两种属性板均可反应板的面内刚度，但弹性板6 还会考虑板的面外刚度[3]，会导致一部分竖向荷载通过楼板直接传递给框柱，和刚性板相比，梁的配筋会相应减小。该项目采用弹性板6，梁柱配筋按刚性板和弹性板6 进行包络设计。2 层温降工况下温度应力分布如图3所示。

图3 2 层温降工况下温度应力分布（单位：kN/m2）

从应力分布图可知，温降工况下，温度应力由两端向中心变形，端部两跨及中间区域应力较大，并在框架柱周边及开洞区域出现应力集中，最大应力接近2.0MPa，该项目楼（屋）面板混凝土强度等级均为C30，拉应力峰值虽未超过混凝土抗拉强度标准值2.01MPa，但却大于混凝土抗拉强度设计值1.43MPa。

4 防裂措施

结合上述分析数据，该项目主要采取以下措施进行加强。

4.1 结构加强措施

（1）合理选用混凝土强度等级，高强混凝土虽有利于减小截面尺寸。但过高的强度会导致混凝土收缩和温度应力过大。对超长结构水平构件的混凝土强度等级建议不要超过C35，该项目水平构件均采用C30。

（2）板厚适当加厚，楼层板板厚不小于120mm，屋面板板厚不小于140mm。

（3）楼（屋）面板进行拉通配筋，并加大沿超长方向的贯通筋配筋率，标准层不小于0.2%，屋面层不小于0.25%（参考中国建筑西南设计研究院有限公司编著的《结构设计统一技术措施》确定）[4]。

（4）加强梁内贯通筋及腰筋，其搭接及锚固均应满足受拉筋要求，腰筋与主筋及腰筋间距不大于200mm。框架梁梁顶跨中设置不小于两根通长筋，该项目采用两端支座筋直通，次梁梁顶跨中按照跨度选用不小于2根d14 的贯通筋，并与梁两端支座按受拉搭接设计。

（5）应力较大区域板厚适当加厚，并按有限元分析结果配置抗拉钢筋。

（6）在合理位置留设后浇带，本工程在长度方向1/3位置留设了两道后浇带，尽量释放混凝土的早期收缩变形。

4.2 施工加强措施

（1）混凝土中加入适当比例的粉煤灰掺合料以减少水泥用量，降低水化热，本工程屋面混凝土要求掺入12%的粉煤灰。

（2）加入一定量的微膨胀剂，微膨胀剂大概能产生0.2MPa～0.7MPa 的预压应力[5]，以较大膨胀应力补偿部分温差、干燥收缩应力，本工程屋面层混凝土掺入8%的SY-K 型膨胀纤维抗裂防水剂，后浇带的掺量为12%。

（3）加强混凝土养护，保证合适的温度和湿度，落实专人专责并适当延长拆模时间。

（4）控制混凝土入模温度，尽量保证在较低温度下入模，低温下合拢。

5 结语

结构工程师在碰到超长结构不能设缝的情况下，应细致分析其可能带来的不利影响，如抗震性能、温差荷载等，根据汕头国际海上风电培训中心项目的计算分析结果，当结构单元长度过长时，可从结构布置入手消除其不利影响，该项目通过合理布置竖向构件很好地改善了结构的抗震性能。温差荷载应结合环境温差、混凝土收缩、徐变等综合考虑，采用“抗”“放”结合的方式来控制结构裂缝的产生。并采取合适的施工和构造措施，有效防止混凝土的开裂。