李俊兰
[上海浦东轨道交通开发投资(集团)有限公司,上海200127]
摘要:对上海某超长商业建筑实际工程案例进行温度应力分析,根据计算结果分析温度效应对结构的影响,并给出相应的设计、施工措施,可供类似工程参考。
关键词:超长建筑;温度应力;结构分析
中图分类号:TU111.19 文章编号:1004-4655( 2016) 02-0066-04
通过对上海某超长商业建筑实际工程案例进行温度应力分析,根据分析结果介绍温度效应对结构的影响,给出相应的设计、施工措施,可供类似工程案例参考。
1项目介绍
上海某超长商业建筑位于松江区,地上面积60 550 m2,地下面积15 829 m2,地上四层,地下一层,中庭多处大开洞。平面X向总长约为226 m,Y向总长约70 m,一层平面示意图见图1。
2设计参数取值
2.1温差取值
施工阶段和使用阶段的温差根据本项目施工进度安排及上海地区温度资料取值如下。
1)施工阶段的合龙温度为20℃。施工阶段最低温度为首层及以上最低温度取0℃,地下一层最低温度取5℃;首层及以上各层的最大负温差(△T t)为-20 K,地下一层最大负温差(△Tt)为-15 K。
2)正常使用阶段(正常使用阶段时结构均为室内)。
(1)实际温差。使用阶段最低温度:地上各层5℃,地下室10℃;首层及以上各层的最大负温差为-15 K,地下一层的最大负温差为-10 K。
综上可知,正常使用阶段温差均小于施工阶段温差,计算时取施工阶段温差为最不利温差。
(2)混凝土收缩当量温差。计算混凝土收缩量时,先确定某种标准状态下混凝土的最大收缩量,实际状态的最大收缩量用各种不同系数加以修正。计算公式见式(1)。
各修正系数的取值和对应的影响因素取值见表1。
2.2松弛系数
温差内力来源于温差变形受到约束。对于因变形受到约束产生的内力,应当考虑混凝土的徐变应力松弛特性。为简化计算,将弹性计算的温差内力乘以徐变应力松弛系数作为实际温差内力标准值进行设计。忽略混凝土龄期影响的松弛系数见表2。
本项目设计计算时松弛系数取为0.3。
2.3刚度折减
钢筋混凝土结构在垂直、水平荷载及温差效应作用下,应计及构件截面裂缝影响,本项目计算时梁柱构件混凝土截面弹性刚度折减系数按0.85考虑。
2.4材料设计参数取值
混凝土强度等级及弹性模量取值:C30=3×104 N/mm2; C35=3.15×104 N/mm2; C40=
3.25×104 N/mm2;C45=3.35×104 N/mm2;混凝土热膨胀系数为1×10-5/℃;混凝土泊松比为0.2。
2.5组合系数
温度作用按可变作用考虑,其荷载分项系数取1.4。温度作用的组合值系数、频遇值系数和准永久值系数分别取0.6,0.5和0.4。
由GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》相关规定可知,温度作用效应与恒荷载效应组合表达式见式(3)。
使用阶段与施工阶段组合效应按相同荷载组合值取用(见表3)。
3结构计算分析
结构体系为框架结构,结构沿Y,向布置双次梁,地上部分楼板厚度为120 mm。本工程采用MIDASGen软件进行分析。典型截面尺寸见表4,典型结构平面布置图见图2。
混凝土材料强度见表5,钢筋材料强度为HRB400,考虑裂缝控制因素,温度效应下梁、板温度应力钢筋强度适当降低,按200 M Pa取用。
3.1柱内力分析
图3为降温工况结构的水平变形示意图。地上一层竖向构件变形最为明显,随楼层增高,结构的变形逐渐趋于平缓。温度作用下的最大侧向位移8.9 mm。同一楼层,周边的柱子变形大于中间柱子。地下部分有变形,但明显小于地上一层。
混凝土柱在组合工况作用下为压弯构件。取底层典型柱验算承载力,截面分别为800 mm×800 mm及800 mm X1000 mm。轴力P作用下的P-M x、P-My曲线见图4、图5,图中的点为非地震组合工况(包括温度荷载效应)下柱的内力设计值。结果显示,实际配筋均满足温度作用工况的设计要求。
3.2梁内力分析
降温工况下,楼层梁和楼板共同承担水平拉力,随楼层的增加,梁的应力相应减小,对于同一楼层的梁,位于X向中部及平面洞口边缘应力偏大,其余部分梁应力分布较均匀。
为保证结构安全,对降温工况轴力较大梁设置温度钢筋,同时为了控制梁两侧出现枣核形裂缝,须适当增加梁侧腰筋。
通过计算得出所需抵抗温度收缩的钢筋面积。温度钢筋根据面积相等原则,分布在梁顶面、梁底面及梁侧面。根据分楼层统计结果,应力最大在第二层。第二层梁除个别应力集中位置外,基本不超过0.9 M Pa,按400 mm×700 mm框架主梁计算,沿长向每根梁增加的纵筋和腰筋面积≤1260 mm2。平面Y向长度70 m,除按规范构造要求外,楼面梁可不增设温度筋。各层梁温差、收缩轴向总应力统计见表6。
3.3楼板应力分析
降温工况下,各楼层楼板承受拉力,根据各楼层楼板应力图可以看出,二层楼板拉应力最大,随楼层增加,楼板拉应力减小。同一楼层楼板,拉应力较大一般分布在洞口角部附近及靠近平面周边。降温工况二层楼板最大主应力云图见图6。
各层楼板温差、收缩总应力统计见表7。
4设计及施工措施
4.1设计措施
1)二层板的楼板温度收缩应力较大。应考虑温度收缩应力需要增加的钢筋面积,并将这部分配筋面积与恒活载工况所需的钢筋面积叠加。考虑温度影响,X向板顶配置ɸ10 mm@200 mm通长钢筋ɸ8 mm@ 200 mm支座附加钢筋,X向板底配置ɸ10 mm@150 mm通长钢筋,y向上下层双向配置ɸ8 mm@200 mm通长钢筋。
2)顶层在使用阶段可能温度变化较大,屋面板实际配置ɸ8 mm@150 mm双层双向钢筋。
3)实际配筋时X向梁的腰筋≥6D16。
4)温度荷载可能对超长结构竖向墙、柱构件的受力产生影响,结构分析时不能忽略。柱配筋时采用各工况包络配筋值,适当加强端部框架柱的配筋。
5)控制应力集中产生的裂缝宽度,对孔洞周边板按计算需要增加斜向附加钢筋。
6)地下室外墙容易产生竖向裂缝,单层水平分布筋配筋率按0.25%控制。
4.2施工措施
除设计措施以外,需采取严格的施工措施控制裂缝的出现和发展。针对以上超长楼板的应力分析,在施工中拟采用以下加强措施,抵抗或减小温度和混凝土收缩徐变引起的楼板应力。
1)严格控制混凝土原材料的质量和技术指标,控制水泥磨细度,骨料的含泥量控制在1%以下。
2)严格控制水灰比,混凝土材料中适当添加减水剂,如C30混凝土水灰比控制在0.45,减少混凝土的干缩。
3)水泥选用水化热较低的普通硅酸盐水泥,在保证强度前提下,掺入适量粉煤灰,既增加和易性,又降低水化热。
4)混凝土的浇灌振捣时间适量延长,提高混凝土密实度,从而增强混凝土的抗裂性能。
5)混凝土的养护是非常重要的环节。混凝土浇捣完毕后,浇水养护时间≥14 d,用草袋覆盖。平均气温<5℃时,不得浇水,应采取保温措施。
6)混凝土拆模时间要掌握好,尽可能多养护一段时间,拆模后混凝土表面的温度不应下降15 K以上。施工过程中应加强管理,确保施工质量。
7)施工后浇带间距≤40 m,混凝土浇注采用低温入模、低温养护、使混凝土终凝时的温度尽量降低,减小水化热和收缩。严格控制封闭后浇带时间≥90 d,达到充分释放前期收缩应力的目的。
8)地下室侧墙结构拆模后应及时回填土,以减缓墙体早、中期的裂缝发展。
9)注意施工顺序并加强现场温度控制,力求与计算模拟一致,尤其要严格控制现场的合龙温度。
10)结构合龙后,应加强养护和保护,防止日光暴晒、气温骤降、积水结冰等恶劣条件的影响。
11)选择有相关超长结构施工经验的施工单位,并重视交底,确保以上各项措施落实到位。
5结语
本文通过对上海某超长商业建筑实际工程案例温度应力的分析,给出相对应的设计措施和施工措施,在实际工程中取得良好的效果,可供类似工程参考。
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