浅谈超长无缝混凝土结构的设计

浅谈超长无缝混凝土结构的设计

刘磊

信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司四川省成都市610021

摘要：本文结合笔者的实际工程，介绍了超长无缝混凝土结构的计算要点及构造措施，共设计人员参考。

关键词：超长混凝土结构；温度应力；构造措施；后浇带

1.前言

近年来随着半导体，大型平板显示器等电子类生产厂房规模的不断扩大，单栋此类厂房占地面积越来越大，长度也越来越长。由于工艺布置等的要求，此类厂房常会被设计成超长无缝的混凝土结构。

国际工程设计界对超长混凝土结构的处理本来就有设缝与不设缝两种流派，英、美、法日等国的混凝土结构设计规范对伸缩缝间距无明确规定，只要求超过一定长度后计算温度应力并采取必要的措施；我国现行规范沿袭前苏联的做法，仍对各种类别的钢筋混凝土结构规定了最大伸缩缝间距，但不作强制要求，也提出“当增大伸缩缝间距时，尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。”实际上，国内已出现长度超过200m不设缝的混凝土结构。这些也是设计方很说服欧美等外方业主，以采取对所有跨缝管道设置柔性接头等措施为代价，设置结构伸缩缝的原因。

笔者曾参与设计的成都Intel及重庆茂德项目，生产厂房分别为长200m左右的芯片后、前工序厂房，均采用不设缝的混凝土结构。

2.温度应力的计算

混凝土在固结过程中发生收缩，温度变化时会热胀冷缩，这两种变形受到结构约束后，在结构内部就会产生收缩应力和温度应力。

混凝土收缩可以用收缩当量温差来表示，将收缩值换算为当量温差，永远是负值，应力为拉应力。一般混凝土最终收缩应变约为（3~5）x10-4，其特点是早期收缩快，前半年内可完成第1年收缩量的80%~90%，1年后仍发展但已不明显，其影响因素主要有混凝土强度等级、水泥品种、水灰比、坍落度、养护、保温、保湿、和体表比等。混凝土收缩可以通过设置施工缝，加强养护等措施来有效地大幅度降低其对结构的影响，而且在时间上是单调递减的。

温度变形发生在混凝土从浇筑、固结到使用过程中，影响因素有季节温差、内外温差和日照温差。本文主要讨论季节温差，它是随时间周期性变化的。长度超过规范限值很多的结构，往往即使采取有效的构造措施，温度应力也是不能忽略的，必须通过计算考虑其对结构的影响。

介于上述原因，成都Intel及重庆茂德两个项目都进行了温度应力的计算，但仅考虑了季节温差的影响。

2.1计算软件

现有的结构分析软件一般都能够对温度应力进行计算，比如PKPM系列软件中的SATWE，TAT和PMSAP模块，它们对温度应力的程序实现不尽相同，可分别参考最新的软件用户手册。成都Intel及重庆茂德项目分别采用TAT和PMSAP模块计算。笔者建议采用PMSAP模块。

2.2温差的取值

程序会要求输入升温和降温的温差值，这些值受到很多因素的影响，比如当地的气候、混凝土的浇注时间、围护结构的保温特性与空调等。由于设计方往往无法控制混凝土浇筑的时间，笔者在计算时大致的选取成都和重庆的最冷、最热月的平均温度差作为升温和降温的温差值输入程序，这对结构显然是偏于安全的。实际上对于近年来长度更长的单体结构，温度应力计算值往往会非常显著的控制结构构件的设计，这就应该更加精确的根据结构可能的实际合拢时间来确定结构的升温和降温，其中降温值应当计入混凝土收缩的当量温差。

2.3温度应力的折减与组合

季节温差造成的温度应力是一个以年为周期缓慢变化的时间函数，混凝土的徐变以及混凝土框架结构柱底并非理想的嵌固约束端等因素会使得它实际比程序计算值小很多，笔者认为按上述2.1条取温差值时温度应力折减到0.3~0.5甚至更低都是可以接受的。

温度荷载显然是一种可变荷载，应作为可变荷载的一种参加荷载组合。但是由于它的特殊性，笔者认为可不考虑它与地震荷载的组合。

以上都可以通过计算程序中类似“自定义荷载工况”的菜单实现。

2.4注意事项

需要注意的是，无论采用哪种软件计算温度应力，都必须将结构楼面定义为弹性楼板。刚性楼板假定中，同一层楼面上任意两点的相对位置永远不变，无法计算出温差造成的伸长或缩短产生的温度应力。

正因为如此，也相应带来一些实际问题，比如笔者在成都Intel项目中曾经碰到的，由于降温荷载的计算和弹性楼板假定，所有梁构件都出现了拉力，无论拉力多大，程序自动全部按混凝土结构设计规范GB50010-2002中7.5.14条作抗剪计算。而此条公式与7.5.4条公式本身不连续，就可能造成不论拉力多小的梁，计算箍筋值都比不考虑温度应力计算是时剪力相同、没有拉应力的同一根梁显著加大的情况。笔者也注意到这个问题在现行混凝土结构设计规范GB50010-2010已经对这部分进行调整，但是由于梁拉应力的存在，任然需要设计者自己对计算结果进行研究比较后自行分析结果的合理性。

由此笔者建议在作温度应力计算时，应就遇到的问题与软件编制方随时沟通，避免由于软件使用不当造成计算偏差。

2.5计算结果分析

对温度应力的计算结果，应进行定性的分析其合理性，并根据定量的结果对结构构件尺寸及温度应力的折减系数进行调整后反复计算。以下是重庆茂德项目FAB厂房一榀纵向框架在升温荷载下的应力图：

弯矩图：

图三

3.构造措施

对地震、温度这些难以精确定量计算的作用，从概念设计上作考虑，采取合理可行的构造措施是非常重要的。

3.1结构布置

结构布置应尽量规则整齐，保证温度应力传递通畅，避免应力集中。侧向刚度大的构件（如剪力墙）应尽量布置在结构平面中部。

但实际工程中有时很难做到上述要求，下图是笔者在成都Intel项目中碰到的，结构平面中的楼梯间是不可避免的，它使得结构在局部极大地削弱，温度应力的应力流会出现集中的情况。

图四

设计时，我们把边框梁KL在图中标明的跨断面从400X900加大到600X900，上下各配1225，腰筋配620，并将楼板钢筋在楼梯间处切断的部分作为附加钢筋增加到阴影部分的楼板。

3.2后浇带的设置

后浇带是列入《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3（以下简称“高规”）中的目前设计人员常用的方法。它利用了混凝土早期收缩量大的特性，主要作用是释放早期混凝土收缩应力以减小以收缩为主的变形。以下是笔者结合“高规”及实际工程应用对后浇带的具体做法提出的下建议和看法：

1.间距：“高规”规定为30-40m，建议具体工程应结合建筑物长度及气候环境特点综合考虑，一般应控制在30m左右。

2.位置：

（1）布置在小跨梁开间或受力较小的部位，一般可在梁跨1/3处；

（2）平面布置时应尽量避免梁截断太多；

（3）视具体情况可沿平面曲折通过。

3.浇筑时间：“高规”要求宜在两个月后。由于混凝土早期收缩量大，相对1年的收缩量，半月约占30%~40%，1个月约占45%~55%，2个月约占占65%~75%，半年约占80%~90%，故应按规范执行，一般应保证两个月后浇筑。

4.后浇混凝土：采用无收缩或微膨胀混凝土，强度较主体混凝土提高C5级。

5.施工要点：

（1）后浇带两侧宜设钢筋网片，防止主体混凝土流入后浇带；

（2）在浇筑后浇带混凝土前，应认真清理凿毛，浇筑时要振捣密实；

（3）后浇带混凝土浇筑完毕后应采取带模保温保湿条件下的养护，应按规范规定，浇水养护时间一般砼不得少于7天，掺外加剂或有抗渗要求的砼不得少于14天；

（4）后浇带两侧支撑应保证稳定可靠后浇带混凝土达到设计强度时方可拆除。

3.3有针对性地采取控制和抵抗温度收缩应力的措施

3.3.1尽量采用外包的外墙，加强屋面保温隔热措施，采用高效保温材料，严格满足建筑节能设计标准。

3.3.2加大纵向梁板，尤其是屋面纵向梁板的配筋。由前面关于温度应力的计算可以看出，即使做了这样的计算，也并未考虑到屋面结构承受的日照温差及内外温差产生的温度应力。成都Intel项目屋面板（平面情况参见图四）厚150mm，纵向配双层通长10@150，施工过程中局部仍然出现了横向水平裂缝。故在设计重庆茂德项目时，考虑到重庆地区的气候，将此配筋加大到14@100。

3.3.3控制现浇板的混凝土强度等级不超过C35。

3.4其它施工要求：

3.4.1确保混凝土施工质量

混凝土的施工质量对超长不设缝混凝土结构是否开裂十分重要。确保混凝土施工质量的措施如减小水灰比、降低水泥用量、保证砂、石质量，加强养护等等。

3.4.2屋面保温等构造层，应在可能的情况下尽快施工，避免屋面板长期暴露，上述3.3.2条中提到的成都Intel项目屋面板局部出现裂缝就与其屋面设备基础临时改动造成屋面保温层等构造迟迟无法施工有着密切关系。

3.4.3可能的话，应尽量将施工混凝土时间安排在较冷的季节。如上述，混凝土的收缩当量温差永远是负值，应力为拉应力，它与降温产生的温度应力为叠加关系，而与升温产生的温度应力则会部分抵消。

在处理超长无缝混凝土结构时，还常采用UEA补偿混凝土、施加预应力抵抗温度应力等措施，笔者在实际工程中未曾采用，在此不再赘述。

参考文献

[1]GB50010-2002，2010混凝土结构设计规范

[2]JGJ3-2002，2010高层建筑混凝土结构技术规程