某超长半敞开地下室结构温度作用分析与设计.pdf

四川建筑第43卷第4期建筑论坛与建筑设计某超长半敞开地下室结构温度作用分析与设计舒猛，纪鹏（四川省建筑设计研究院有限公司，四川成都6 1 0 0 0 0）【摘要】某超长半敬开地下室典型长宽为58 0 m240m，以其作为研究对象。通过混凝土收缩徐变分析、等效温差计算和楼板应力计算等，对温度作用进行了详细的分析和论述。分析表明降温工况是楼板设计的控制工况，温度作用下，最大应力主要出现在楼板的颈缩区和角部。通过采取合理设置预应力钢绞线、延长后浇带浇筑时间、提高楼板配筋率等有效措施后，楼板裂缝发展是可控的，超长结构是安全的。【关键词】超长结构；半敬开地下室；预应力；温度应力【中图分类号】TU375.21工程概况本工程地下室采用钢筋混凝土结构，楼板典型长宽为580m240m，沿长边单边开，另三面围合，如图1 所示。已超过CB50010-2010混凝土结构设计规范1 1（简称混规)中钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距的要求。由于建筑施工功能和造型需求，顶板结构中部设有3个钢木屋盖，屋盖下部无结构楼板，即地下室顶板中部设有3个喇叭形开洞，喇叭口部位于东侧，尺寸约1 1 0 m，将顶板西侧完全脱开，喇叭尾部位于西侧，尺寸约1 8 m，喇叭尾部至西侧结构边线最小净距约40 m，如图2 所示，图中左侧阴影部分为已建成的1 8 号线主体车站。同时，地铁站厅部分设有上下贯通的两处楼板大开洞、北侧下层庭院设有一处楼板大开洞。如此，地下室结构顶板除超长外，由于楼板开洞形成了多处瓶颈部分，在结构温度变化和混凝土收缩徐变等作用下产生的结构变形及因变形协调而产生的约束内力效应显著,应进行效应分析,并在此基础上采取相应的设计、构造和施工措施。地下室顶板楼板环境类别为二a类,负1 层楼板环境类别为一类,裂缝控制等级均为三级。图1 地下室敬开面透视图2温度作用分析2.1温差取值超长混凝土结构体型较大、热传导速率较慢、热容大，整体温度的变化缓慢，结构温度接近当地月平均气温，可直接采用50 年一遇的月平均最高气温和月平均最低气温作为基本气温，取值按GB50009-2012建筑结构荷载规范2 附【文献标志码】A（a）负1 层结构平面布置图2 地下室敬开面透视图录D取值,即-1 34。根据混凝土结构对季节性气温引起的结构温度场不同的特点，并考虑室内外温度的区别,定义混凝土结构可能遭遇的气候温度：室内Ts,min=10，Ts,max=30;室外 Ts,min=-1,T s,m a x=34。规定结构的合龙时间区段为1 0 4月，即后浇带浇筑时间避开5 9 月，合龙温度区间为：To,min=2,T o.ma x=2 2。可能引起的本工程升降温度：室内:升温T,=Ts.mx-To.m=30-2=28,降温 T s,=s mm-T o mx=1 0 -2 2 =-1 2 。室外:升温T,=T.smx-Tom=34-2=32,降温 T,=T s,mi n -T o.ma x =-1 -2 2 =-2 3 。对于本工程而言，由于地下室顶板开有较多大洞口，且3个喇叭形开口东侧完全开敞，故地下室顶板的T按室外取值。负1 层楼板部分位于室外、部分位于室内，可取室外室定稿日期 2 0 2 2 -0 7-1 2【作者简介 舒猛（1 9 9 1 一），男，本科,工程师，一级注册结构工程师，主要从事复杂结构、减隔震研究工作；纪鹏（1 9 7 7 一），男，本科，高级工程师，主要从事复杂结构及结构抗震研究工作。85（b）顶板结构平面布置建筑论坛与建筑设计内的平均值，即升温T=（2 8+32)/2=30，降温T=（-1 2-2 3)/2=-1 7.5，地下室底板受到地基土摩擦力的约束，不考虑温度作用。2.2混凝土收缩徐变分析参考工程结构裂缝控制3,现浇混凝土在浇筑完成后会产生各种收缩应变，累计限值可达（2 5）1 0-4,本工程取8 s=410-4,其主要影响因素有：水泥成分、细度、骨料材质、级配、含泥量、水灰比、水泥浆量、养护时间、环境温度和气流场、构件的尺寸效应、混凝土振捣质量、配筋率、外加剂等。当构件混凝土强度、水泥品种、截面及所处环境湿度确定后,其收缩应变主要与其龄期有关,可表征为：8,=(1-e-0 01).0式中：8。为龄期t(d)混凝土收缩应变；8 s0为混凝土极限收缩应变。由式(1)计算可得表1。混凝土前期收缩应变发展较快,9 0 d龄期混凝土的收缩应变约为6 0%的极限收缩应变，故设计图中将明确后浇带的浇筑时间应在主体施工完成后3个月,取=60%。表1 混凝土不同龄期的收缩应变比例混凝土龄期/d608./8.00.451混凝土的徐变特性有利于结构的应力重分布,使混凝土应力产生松弛，从而减小混凝土收缩变形产生的拉应力。徐变最终应变值约为初始瞬时应变的1 4倍。这种变形相当于混凝土弹性模量的折减，从而引起混凝土内应力的下降，参考相关文献，取由于徐变而引起的应力折减系数出=0.2857。混凝土线膨胀系数。=1 1 0 5/,顶板C35混凝土弹性模量E。=3.1 51 0*N/m m。则，考虑徐变的混凝土收缩应力：Ou=E.(1-)=1.44 N/mm工程在个温度伸缩缝之间的结构单元内设置了多条后浇带。后浇带浇筑之前，温度下降使混凝土向分块结构单元中心区域收缩，由于后浇带间结构单元长度较小,且竖向构件对楼盖的约束较弱，可以近似认为楼盖是自由变形的。这样混凝土中温度拉应力的大小就取决于后浇带浇筑时的温度和以后楼板降低的温差取值。温度变化引起的混凝土中产生的应力（拉应力为“+”，压应力为“-”）：降温T,=-17.5:,=5.51 N/m m 降温T,=-23.0 :0,=7.2 5 N/m m 升温T,=30.0 :,=-9.45 N/m m 升温T,=32.0:,=-1 0.0 8 N/m m 混凝土的收缩变形是一个长期的过程，混凝土在收缩过程中必然伴随着徐变变形，气温变化是一个缓慢的过程考虑最大温度变化周期约半年（1 8 0 天），参考相关文献和工程经验，取温度应力松弛系数为0.5。则，温度变化引起的考虑徐变的混凝土应力为：86四川建筑第43卷第4期降温T,=-17.5:0 z=2.7 57 N/m m 降温T,=-23.0 :z =3.6 2 3 N/m m 升温T,=30.0 :0,2 =-4.7 2 5 N/mm升温T,=32.0 :0 =-5.0 40 N/m m故，混凝土中由收缩和降温引起的综合应力为：降温T,=-17.5 :k=0 +g=4.197 N/mm降温T,=-23.0:0 k=g+g z=5.0 6 3N/m m 升温T,=30.0 :0 u=+=-3.2 8 5 N/m m 升温T,=32.0 :0 k=0 +z=-3.6 0 0 N/m m 2.3等效温差计算由于混凝土收缩和温度升降在楼盖内产生的拉应力的等效当量温差值：降温T,=-17.5:T _=-1 3.3 降温Tk=-23.0:T _=-1 6.1 升温T=30.0:T+=1 0.4升温Tk=32.0:T+=1 1.4综上，混凝土各层的等效当量温差值见表2。表2 混凝土各层的等效当量温差值楼层升温工况(+)903650.5930.974单位：降温工况（-）3650地下室顶板1.000-1层楼板底板2.4温度应力分析2.4.1负1 层楼板应力分析负1 层楼板分析表明，在升温1 0.4工况下，楼板绝大部分区域处于受压状态。X方向的压应力值约为-0.8-4.5MPa,Y方向的压应力值约为-0.5-7.0 MPa,均小于C35混凝土的抗压强度设计值1 6.7 MPa,说明升温工况对楼板的影响不大，如图3所示。但由于房屋纵向较长，温度变形的叠加效应明显,端部向外膨胀的温度强迫位移约有6mm,施工图设计时将充分考虑升温工况与地震、恒活等其他工况组合作用下对梁、墙、柱等构件配筋的不利影响。455.333.GTR5144665003.57190:00-9168.20XR:-9168.20图3负1 层楼板升温1 0.4工况楼板正应力（左侧为X向,右侧为Y向）在降温1 3.3工况下，楼板基本处于受拉状态，X方向影响相对较小，拉应力值为0 4MPa,Y方向的拉应力值为011.410.4不考虑40/71.2058.133ss.0114606.15424.3T1;-1699,1516.113.3不考虑舒猛，纪鹏：某超长半开地下室结构温度作用分析与设计8MPa,如图4所示。对于楼板应力小于C35混凝土的抗拉强度标准值2.2 0 MPa的区域（主要为X方向）只需加强梁板配筋即可。楼板应力大于2.2 MPa的区域主要为X向楼板的颈缩区、角部、1 8 号线车站主体结构Y向楼板、其余部分的Y向楼板。to.4077,62$:041226.544444.21602Lm09.19111.2-91T212491.451421.4563.45700,54-176L.56282.56382.576020.5146.17084.592125010278.5011340.60*12404.60RAE:555.46118:13404.00图5顶板楼板升温1 1.4工况楼板正应力（左侧为X向,右侧为Y向）度,若不能满足规范要求，则考虑在与1 8 号线主体车站的交界处设置双墙脱开。图4负1 层楼板降温1 3.3工况楼板正应力（左侧为X向,右侧为Y向）因1 8 号线车站主体结构已经施工完成，施工图设计时将验算温度荷载组合工况下的楼板裂缝宽度，若不能满足规范要求,则考虑在与1 8 号线主体车站的交界处设置双墙脱开。车站以外其余部分的楼板将考虑在主、次梁内施加预应力。负1 层楼板环境类别为一类,裂缝控制等级均为三级，采用预应力混凝土结构，Wlim=0.20mm,采用预应力后应使：式中：max为考虑温度作用的荷载标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度；lim为最大裂缝宽度限值,等于0.2 0 mm。同时由于房屋纵向较长，温度变形的叠加效应明显，端部向内收缩的温度强迫位移约有8 mm，施工图设计时将充分考虑降温工况与地震、恒活等其他工况组合作用下对梁、墙、柱等构件配筋的不利影响。2.4.2顶板应力分析顶板楼板分析表明，在升温1 1.4工况下，楼板绝大部分区域处于受压状态，X方向的压应力值为-0.5-4.0MPa,Y方向的压应力值为-0.7-8.0 MPa均小于C35混凝土的抗压强度设计值1 6.7 MPa，说明升温工况对楼板的影响不大，如图5所示。但由于地下室顶板楼板开洞和缺失严重，颈缩部位较多，施工图设计时将充分考虑升温工况与地震、恒活等其他工况组合作用下对梁、板、墙、柱等构件配筋的不利影响。在降温1 6.1 工况下，楼板基本处于受拉状态，X方向影响相对较小,拉应力值为0 2 MPa,小于C35混凝土的抗拉强度标准值2.2 0 MPa;Y方向的拉应力值为0 8.5MPa，其中应力较大处主要集中在西侧纵向连通的1 8 号线车站主体区域，如图6 所示。因1 8 号线车站主体结构已经施工完成，施工图设计时将验算温度荷载组合工况下的楼板裂缝宽4710732.71504.39.545162.44048.3729X.32120.25TO2o1331.923.83710.021I:-310.02仙Wmaxlim图6 顶板楼板降温1 6.1 工况楼板正应力（左侧为X向，右侧为Y向）车站以外其余部分的楼板对于楼板应力小于C35混凝土的抗拉强度标准值2.2 0 MPa的区域只需加强梁板配筋即可，楼板应力大于2.2 MPa的区域,将考虑在主、次梁内是施加预应力。地下室顶板楼板环境类别为一类，裂缝控制等级均为三级,采用预应力混凝土结构，采用预应力后应使：Qcq-Q pefik式中：c为考虑温度作用的荷载准永久组合下楼板混凝土法向应力；p。为扣除全部预应力损失后，楼板混凝土等效预压应力。同时，由于地下室顶板楼板开洞和缺失严重，颈缩部位较多,施工图设计时将充分考虑降温工况与地震、恒活等其他工况组合作用下对梁、板、墙、柱等构件配筋的不利影响。3超长混凝土结构设计与施工措施根据如前所述，对于超长混凝土结构,结构温度变化和混凝土收缩徐变等非直接荷载作用产生的结构变形及约束内力效应显著，影响不容忽视。结构设计应在承载力极限状态和正常使用极限状态设计时考虑等效温差作用下的结构内力,并以控制超长混凝土结构的裂缝为重点，采取相应的设计和使用措施。混凝土结构设计计算时，等效温差作用下的温度内力应参与荷载效应组合。楼层梁、板应采用考虑温度作用效应组8714512:046016.113010,16202.513312014.05021-33x.-5021.31建筑论坛与建筑设计合的内力按偏拉构件计算配筋和验算裂缝宽度，并与无温度作用效应组合计算进行包络设计。框架柱设计时相应考虑温度作用效应的约束内力参与组合和配筋。当预应力混凝土构件计算裂缝宽度时，考虑温度作用效应的受拉区纵向钢筋的等效应力按式(4)计算。sk=M,M,-Npo(z-e)+N,(z-yps)J/(A,+A,)z式中：M为考虑温度作用的标准组合弯矩值,Nk为温度作用产生的拉力标准值，其余参数详混规第7.1.4条。本工程针对超长混凝土结构所采取的主要设计措施包括：（1)采用高性能补偿收缩混凝土。混凝土应具有低水化热、低收缩应变、较低弹模、高极限拉伸率和高抗拉强度、合适的抗压强度和徐变特性等特点，混凝土的性能及附加特征要求在设计图纸中明确给定。(2)按一定间距设置施工后浇带，后浇带封闭时间至少为结构主体完工后3个月，且规定时间区段为1 0 4月，即后浇带浇筑时间避开5 9 月，合龙温度区间为：To.min=2，T o max=22 。（3对于楼板中温度应力小于混凝土抗拉强度标准值(fk=2.20MPa)的部位，相对开裂风险较小,结构设计考虑采用增大梁板纵向钢筋的方式抵抗温度作用的拉力。（4)对于1 8 号线车站主体结构，因其已经完成主体结构施工，施工图设计时将验算温度荷载组合工况下的楼板裂缝宽度，若不能满足规范要求，则考虑在与1 8 号线主体车站的交界处设置双墙脱开。(5)对于地下室顶板和负1 层的结构楼板,沿南北向全长和东西向楼板中温度应力大于混凝土抗拉强度标准值(fik=2.20MPa)的部位,结合结构平面布置的特点，在框架梁、次梁内设置连续的预应力钢绞线，预应力钢绞线主要采用直线型，对于大跨梁采用抛物线型，及其他特殊部位采用直线与抛物线相结合的形式，以适应不同跨度、不同荷载、不同温度应力区域的受力特点。（6)适当提高地下室底板、侧壁以及各层平面楼板水平钢筋的配筋率。地下室南北长向，配筋率不低于0.3%，东西短向，配筋率不低于0.2 5%。在温度应力较大处的梁中施加四川建筑第43卷第4期预应力。（7)在梁、板、墙配筋时,尽量采用细而密的配筋方式，并沿主要温度方向通长设置。4结论(1)对于超长混凝土结构,混凝土收缩徐变有利于结构的应力重分布，使混凝土应力产生松弛，从而减小混凝土收缩变形产生的拉应力。（2)延长后浇带的浇筑时间可明显改善超长结构的裂缝发展，混凝土6 0 d龄期的约为45%的极限收缩应变,9 0 d龄期混凝土的收缩应变约为6 0%的极限收缩应变,故对于超长地下室结构，可将后浇带的浇筑时间由主体施工完成后2 个月延长到3个月。（3）降温工况是楼板设计的控制工况。温度作用下，最大应力主要出现在楼板的颈缩区和角部，设计时应特别加强处理。当温度应力较大时，可采取设置预应力钢绞线等措施。（4)对于超长地下室结构，通过全面的分析计算,采用有效的加强措施后，楼板裂缝发展是可控的，超长结构是安全的。参考文献1混凝土结构设计规范：GB500102010S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 6.2建筑结构荷载规范：GB500092012S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 2.3王铁梦.工程结构裂缝控制M.2版.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 7.4建筑抗震设计规范：GB500112010S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 0.5陈永春.混凝土徐变问题的中值系数法J.建筑科学,1 9 9 1(2):3-8.6傅学怡,吴兵.混凝土结构温差收缩效应分析计算J.土木工程学报,2 0 0 7,40(1 0）：50-59.7黄冲，侯敏，宋林波，等.某地下综合换乘服务中心超长混凝土结构温度及应力实测研究J.四川建筑，2 0 2 1,41（6）：1 2 6-127+130.88