馮葉文 吳 兵 孟美莉 傅學怡

(深圳大學建筑設計研究院，廣東深圳 518060)

0 引言

當前國內(nèi)外建筑功能需求和結(jié)構(gòu)體系設計日益復雜，特別在車站、機場及體育場館中，常出現(xiàn)體形超長且平面布置復雜的情況，對溫差收縮效應的影響較為敏感，如計算分析、設計或施工構(gòu)造措施不當時，容易引起混凝土裂縫、鋼結(jié)構(gòu)伸縮過大，且不易修復，不僅影響建筑的使用功能，更會引起整體結(jié)構(gòu)較大的安全隱患。目前，國內(nèi)外設計規(guī)范中針對混凝土結(jié)構(gòu)的溫差效應大多僅提出控制構(gòu)造措施，未給出更為合理可行的模擬分析方法;目前結(jié)構(gòu)設計領域中常用的計算模型及方法存在算法粗略、約束條件有誤、不能合理反映結(jié)構(gòu)生成過程等問題，難以準確地揭示和解決超長結(jié)構(gòu)溫差收縮效應的作用規(guī)律及存在問題，無法適應日益增加的超長、復雜結(jié)構(gòu)設計施工需要。本文結(jié)合深圳火車北站超長建筑工程，參考文獻［1］所提到的分析計算方法，對其進行了詳盡的溫差收縮計算分析，并根據(jù)計算結(jié)果指導了設計和施工。

1 工程概況

深圳火車北站由站房建筑及兩側(cè)的無柱站臺雨棚組成。其中站房總高度43 m，2層，由站房下部結(jié)構(gòu)和上部鋼屋蓋組成。站房下部結(jié)構(gòu)東西垂直股道方向為340 m，南北順股道方向長度為207 m，面積約為7萬m2。采用鋼管混凝土柱與鋼—混凝土樓板組合梁框架結(jié)構(gòu)體系，局部設矩形鋼管混凝土空心柱。標準柱距43 m，27 m，站房上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)平面尺寸:413 m×208 m，覆蓋面積約8．35萬m2，結(jié)合建筑造型，采用“上平下曲”的雙層雙向空間桁架構(gòu)成，見圖1。

圖1 深圳北站示意圖

站房結(jié)構(gòu)長度超過300 m，屋蓋長度超過400 m，不設永久縫，對于這種超長大型公共建筑，溫差效應較為明顯，本文采用文獻［1］的計算方法，對其進行了結(jié)構(gòu)溫差收縮效應的整體有限元計算分析。

2 結(jié)構(gòu)溫差效應計算要點

結(jié)合工程當?shù)貧夂驐l件，為針對性地控制并有效減小該超長結(jié)構(gòu)的溫差收縮效應，在溫差收縮效應計算分析中涉及施工控制過程中采用以下基本分析要點:1)設置施工后澆帶，并在后澆帶合龍時采用高一強度等級的混凝土低溫入模;2)根據(jù)實際施工進度計劃模擬較不利負溫差影響規(guī)律，計及含后澆帶結(jié)構(gòu)建造生成全過程的施工模擬及相應的實際溫差變化情況;3)溫差效應與徐變、收縮等其他非荷載效應始終相輔相成，且都與時間密切相關(guān)，因此溫差效應分析中需同時考慮混凝土實際的徐變收縮時效特性，選擇適宜的反映混凝土徐變、收縮性質(zhì)的計算模型;4)分析時應摒棄基礎固定端或不動鉸假定，考慮地基或樁基的有限約束剛度;5)本工程樓蓋采用H型鋼梁組合樓板，鋼梁與混凝土之間通過栓釘連接，分析時考慮栓釘和混凝土板的滑移微應變導致的松弛效應。計算采用大型通用軟件SAP2000，溫差效應計算模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)溫差效應計算模型

2．1 溫差取值

一般來說，溫差分為兩類，一類為局部溫差，指的是構(gòu)件自身內(nèi)外表面的溫差;另一類為整體溫差，指構(gòu)件所在溫度場的溫度變化。

對于結(jié)構(gòu)的局部溫差，在構(gòu)件施工期間、受太陽直接輻射時較為明顯，但由于在鋼結(jié)構(gòu)施工階段，未覆蓋屋面板，鋼結(jié)構(gòu)大都僅承擔結(jié)構(gòu)自重，疊加局部溫差應力后鋼結(jié)構(gòu)仍有足夠的安全儲備，覆蓋屋面板后，避免了太陽的直接輻射，構(gòu)件局部溫差大大減小，故局部溫差對結(jié)構(gòu)影響較小，可不予考慮。本工程所討論的溫差效應指的均為整體溫差。

本工程溫差收縮效應計算分析，考慮了建筑結(jié)構(gòu)施工直至建筑物的使用階段，整體溫差的取值計算采用的是工程所在地深圳市的氣象統(tǒng)計材料，見表1。

表1 氣象統(tǒng)計資料(深圳地區(qū)) ℃

本工程溫差計算考慮了建筑物所經(jīng)歷的2個主要階段:1)施工階段:溫差=經(jīng)歷月最高(最低)氣溫?合龍溫度，在沒有別的可靠施工計劃或?qū)嶋H檢測結(jié)果時，合龍溫度一般取當月平均氣溫;2)使用階段:整體溫差=結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用溫度－合龍溫度。

一般來說，溫差計算需考慮結(jié)構(gòu)負溫差和正溫差，其中，由于負溫差和混凝土收縮效應的變形趨勢一致，兩者疊加，對結(jié)構(gòu)的受拉及混凝土的開裂更加不利，故本工程溫差效應計算中主要考慮的是負溫差工況(以下也僅列出負溫差工況計算分析結(jié)果)。施工階段(含主體結(jié)構(gòu)施工及裝修施工)，負溫差取值假設施工從溫度最高的7月(由表1可知)開始，由于結(jié)構(gòu)規(guī)模較大，結(jié)合施工計劃，假定1層結(jié)構(gòu)施工工期6個月，屋蓋結(jié)構(gòu)施工工期6個月，結(jié)構(gòu)在混凝土早期收縮最大時先經(jīng)歷降溫，為最不利的負溫差工況;建筑物使用階段，由于屋面板的保溫隔熱、周邊玻璃幕墻及室內(nèi)空調(diào)的有利影響，溫差變化較施工階段趨向平緩，同時，混凝土的收縮效應已完成大部分，考慮混凝土徐變有利影響，使用階段溫差收縮效應不起控制作用。

2．2 基礎有限約束剛度計算

溫差收縮效應作為結(jié)構(gòu)非荷載效應的一種，與荷載效應不同，所導致的結(jié)構(gòu)內(nèi)力來源于結(jié)構(gòu)溫差收縮變形受到外界的約束。對于建筑結(jié)構(gòu)，其約束即為建筑物豎向構(gòu)件的基礎。荷載效應計算時，基礎大多被看做建筑物的嵌固端，即約束剛度無窮大。而實際上，基礎約束剛度來源于周邊地基，地基受力，會產(chǎn)生變形，地基對豎向構(gòu)件的約束作用是有限的?；A約束剛度無限剛的假定對荷載效應計算帶來的誤差不大，但在非荷載效應計算中，把豎向構(gòu)件基礎約束剛度夸大為無限剛，會導致溫差收縮效應的人為放大，對溫差收縮效應影響極大。故參照文獻［1］所建議的方法，在溫差收縮效應分析中根據(jù)建筑物地基基礎的實際情況計算地基基礎的約束剛度，用有限剛度的彈簧代替無限剛度的固定端，如圖3所示。

圖3 固定端和彈簧約束示意圖

本工程無地下室，且由于標準柱距43 m×27 m，僅局部設有地梁。當采用一柱多樁，以平衡柱底彎矩，柱下樁基水平抗側(cè)剛度取各單樁水平剛度之和，轉(zhuǎn)動約束剛度取各單樁約束剛度之和，同時疊加樁豎向剛度、承臺剛度的影響，并考慮承臺微裂縫剛度退化進行折減。

2．3 混凝土徐變、收縮

本項目參考歐洲混凝土規(guī)范“CEB-FIP MODEL CODE 1990”，溫差效應計算時同時考慮混凝土自身的徐變、收縮效應，結(jié)合施工工期安排，計算時間取18個月。而目前，混凝土構(gòu)件的徐變、收縮的計算理論基本都是基于一維桿件單元，對于二維的板、殼元及三維的實體單元的徐變、收縮的計算均缺少理論依據(jù)，故本工程計算時，用一維的梁元代替二維的樓板，等代示意圖見圖4。

圖4 等代梁等代示意圖

2．4 后澆帶布置及鋼梁后澆帶構(gòu)造

本工程雙向設置后澆帶，以減少混凝土材料的收縮應變以及溫差效應。后澆帶可以釋放早期混凝土收縮應力，有效減小結(jié)構(gòu)的溫差收縮效應。后澆帶的布置結(jié)合施工組織確定，間距約為30 m～50 m。結(jié)構(gòu)后澆帶沿柱邊兩側(cè)留設。后澆帶布置如圖5所示。

后澆帶處混凝土后澆，鋼梁設月牙螺孔定位螺栓，傳遞豎向剪力，允許水平相對滑動，釋放施工期間溫度收縮應力，見圖6。

2．5 含后澆帶的施工模擬

本工程主要由下部鋼梁—混凝土板組合樓蓋與上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋構(gòu)成，工程體量較大，結(jié)合施工工期安排，設一層結(jié)構(gòu)施工半年，二層結(jié)構(gòu)施工半年，進入裝修期第一個月封閉一層結(jié)構(gòu)的所有后澆帶，上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)不設后澆帶。

圖5 后澆帶布置圖

圖6 后澆帶處月牙孔設置示意圖

結(jié)合施工和后澆帶布置，對整體結(jié)構(gòu)進行了完整的施工模擬溫差效應計算分析。假設本工程施工從溫度最高的7月開始，剛好是最不利負溫差工況;主體結(jié)構(gòu)施工一年，裝修時間為20個月。施工模擬計算簡圖見圖7。

圖7 含后澆帶模型施工模擬計算簡圖

2．6 組合結(jié)構(gòu)梁、板連接松弛效應

組合樓蓋中鋼梁、混凝土板之間一般均采用栓釘進行柔性的抗剪連接，溫差收縮效應下，鋼梁栓釘和混凝土之間存在相對變形。由于溫差收縮效應主要來自于變形約束，栓釘和混凝土板之間相對微應變對荷載效應影響不大，但可釋放溫差收縮效應。本工程溫差收縮效應計算時，根據(jù)栓釘?shù)膶嶋H布置計算考慮組合結(jié)構(gòu)中鋼梁、混凝土板的連接栓釘與混凝土之間的相對微應變松弛效應。

3 主要計算結(jié)果分析

選取典型結(jié)構(gòu)(⑤軸，?軸)構(gòu)件的溫差效應計算結(jié)果進行分析(見圖8)，同時經(jīng)對比分析，正溫工況不起控制作用，故以下僅討論負溫差作用下的結(jié)果。

圖8 所選取的位置示意圖

3．1 鋼管柱計算分析結(jié)果

圖9 裝修結(jié)束時⑤軸框架柱剪力V33圖（單位：kN）

圖10 裝修結(jié)束時⑤軸框架柱彎矩M 22圖（單位：kN·m）

圖11 裝修結(jié)束時?軸框架柱剪力V22圖（單位：kN）

圖12 裝修結(jié)束時?軸框架柱彎矩M 33圖（單位：kN·m）

表2 ⑤軸，?軸鋼梁計算結(jié)果

整個負溫差計算歷程中，柱最大彎矩出現(xiàn)在最外側(cè)、截面為2 500×4 000的鋼管混凝土柱上，最大彎矩5 806 kN·m，所對應的最大應力為0．94 N/mm2，最大剪力1 622 kN，對應的最大剪應力為τ≈0．31 N/mm2。對于圓鋼管柱，其溫差內(nèi)力最大值出現(xiàn)在?軸，最大彎矩2 518 kN·m，最大剪力為1 360 kN，對應的最大正應力17 N/mm2，最大剪應力 τ≈3．63 N/mm2。

可見，相對于Q345B的屈服強度295 N/mm2，附加溫度應力水平較低，對結(jié)構(gòu)安全度影響不大。

鋼管柱計算分析結(jié)果見圖9～圖12。

3．2 下部樓蓋梁內(nèi)力計算結(jié)果

表3 ⑤軸，?軸混凝土等代梁計算結(jié)果

從表2，表3可以看出，后澆帶的設置有效地減小了樓蓋的溫差收縮應力，鋼梁附加溫差收縮應力占總應力的5%以內(nèi)，混凝土附加溫差收縮應力均小于2 MPa。本工程計算分析考慮施工階段采用有溫差收縮效應參與的多工況、多組合進行，并考慮后澆帶合龍后溫差作用及混凝土后期收縮效應，結(jié)構(gòu)設計對部分柱及局部混凝土樓板等溫差收縮效應敏感構(gòu)件予以加強。

4 屋蓋鋼構(gòu)件設計結(jié)果

溫差單工況作用下，屋蓋鋼構(gòu)件的應力比分布見圖13，考慮溫差作用的最不利組合工況下鋼構(gòu)件的應力比分布見圖14，可以看出，溫差單工況作用下，屋蓋鋼構(gòu)件最大應力比為0．16，大約有總數(shù)8．8%的桿件應力比在0．1～0．2之間，其余桿件應力比均小于0．1;考慮溫差收縮效應的各種組合工況下，約有650根鋼構(gòu)件應力比在0．7～0．9之間，約占總數(shù)的3%，其余桿件應力比均在0．7以下，可見，結(jié)構(gòu)在考慮溫差效應的荷載組合作用下能基本滿足承載力要求。對其中個別應力比接近0．9的桿件，壁厚適當加大，控制其最終的應力比小于0．85。

5 針對性的施工及構(gòu)造措施

本工程結(jié)構(gòu)設計時，除了對整體溫差收縮分析計算所得到的受力不利或局部溫差應力集中部位予以配筋加強外，還采取了以下的一些施工針對性控制或構(gòu)造措施:

1)混凝土低溫澆筑:控制在當時月平均氣溫以下入模。結(jié)合施工計劃及當?shù)貧庀髼l件，控制混凝土在較低溫度(月平均氣溫以下)下入模;2)充分利用混凝土60 d齡期后強度，有效改善材料配合比，減少水泥用量，減小水灰比，從根本上控制混凝土材料的收縮效應;3)混凝土后澆帶滯后封閉:主體結(jié)構(gòu)施工完，進入裝修期后選低溫月進行合龍，以避免經(jīng)歷較為不利的降溫過程，且后澆帶采用高一強度等級的無收縮混凝土;4)樓板配筋構(gòu)造措施:樓板適當加厚至180 mm，采用雙層雙向貫通鋼筋+附加支座短筋的配筋方式，通長板筋配筋率不小于0．3%;樓蓋中部1/3長(寬)范圍內(nèi)另行配置溫度附加板筋內(nèi)所配置的溫度。

圖14 最不利組合下桿件應力比（最大應力比0.8）

6 結(jié)語

根據(jù)對深圳北站超長結(jié)構(gòu)的溫差收縮效應的計算分析，可有以下幾點結(jié)論:

1)對于超長結(jié)構(gòu)，應采用當?shù)氐臍鉁亟y(tǒng)計資料，結(jié)合施工模擬對整體結(jié)構(gòu)進行溫差收縮效應的有限元模擬計算。

2)針對性的施工控制及構(gòu)造性措施，可有效的減小溫差收縮效應，有效保證超長結(jié)構(gòu)的施工順利進行，并確保在溫差作用下結(jié)構(gòu)所受不利影響始終處于合理可控范圍內(nèi)。

3)從結(jié)構(gòu)的開始施工、主體竣工及投入使用至今，深圳北站已經(jīng)歷了4年的溫差作用周期，結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)溫差裂縫，正常工作。

［1］ 傅學怡，吳 兵．混凝土結(jié)構(gòu)溫差收縮效應分析計算［J］．土木工程學報，2007(10):73-74．

［2］ CEB-FIPMC90 Model Code，混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范［S］．

［3］ GB 50012-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S］．

［4］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．