國內(nèi)某航站樓超長結(jié)構(gòu)整體溫差計算分析

李 鵬

(湖南省建筑設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410011)

0 引言

國內(nèi)某機(jī)場航站樓,地下兩層,地上為到達(dá)層和出發(fā)層,采用超長框架結(jié)構(gòu)方案,結(jié)構(gòu)單體最大長度達(dá)378 m,大幅超過現(xiàn)行國家規(guī)范所規(guī)定的設(shè)置伸縮縫的最大間距。結(jié)構(gòu)在溫度收縮作用下有可能產(chǎn)生過大的約束變形,導(dǎo)致混凝土梁板、柱及裝修構(gòu)件的開裂破壞等嚴(yán)重后果。因此,機(jī)場新航站樓自施工至使用生命全過程的各樓層的整體溫差取值進(jìn)行精細(xì)分析。分析各影響因素對整體溫差的影響規(guī)律,并據(jù)此提出降低溫差的設(shè)計、施工建議。對施工階段、使用階段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度收縮作用效應(yīng)的計算,并對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

1 整體溫差的影響因素分析

1.1 自然環(huán)境

結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工階段所經(jīng)歷的溫度變化等于實(shí)際變化的氣溫與構(gòu)件合攏溫度的差值。

溫差計算采用工程所在地區(qū)的氣象統(tǒng)計資料較為適宜。本工程采用當(dāng)?shù)?971年—2000年氣象統(tǒng)計資料[1],如表1所示。

表1 氣象統(tǒng)計(1971年—2000年)

1.2 土體的保溫隔熱效應(yīng)

地下結(jié)構(gòu)所處的周圍土體具有保溫隔熱效應(yīng),地下室主體結(jié)構(gòu)施工完畢后,周圍土體應(yīng)盡早回填,以降低地下結(jié)構(gòu)的溫度收縮作用效應(yīng)。地下室周圍土體回填后,可將地下室環(huán)境溫度在室外環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上予以調(diào)整,為簡化計算,對夏季最高環(huán)境溫度折減10 ℃，冬季最低環(huán)境溫度增加5 ℃[2]。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱效應(yīng)

由于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有保溫隔熱作用,可降低結(jié)構(gòu)的溫度收縮作用效應(yīng),因此,主體結(jié)構(gòu)完工后,宜立即進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝,圍護(hù)結(jié)構(gòu)安裝完畢后,主體結(jié)構(gòu)處于室內(nèi)環(huán)境,可將室內(nèi)環(huán)境溫度在室外環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上予以調(diào)整,夏季最高環(huán)境溫度折減5 ℃；冬季最低環(huán)境溫度增加5 ℃。

1.4 混凝土的收縮、徐變時隨性能

1)收縮。計算混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮作用效應(yīng)時需考慮混凝土的收縮時隨特性,根據(jù)文獻(xiàn)[3]的相關(guān)規(guī)定計算各個齡期混凝土的收縮變形,并將其等效成溫差。

εsh,∞=780γcpγλγhγsγψγcγα，其中，γcp為初始養(yǎng)護(hù)條件的校正系數(shù),考慮3 d潮濕養(yǎng)護(hù),取值為1.1；γλ為環(huán)境相對濕度校正系數(shù),γλ=1.4-0.010×80=0.6；γh為平均厚度校正系數(shù),平均厚度取為樓板厚度250 mm；γh=1.17-0.001 14×250=0.885；γs為坍落度校正系數(shù),坍落度取值為180 mm；γs=0.89+0.001 61×180=1.179 8；γψ為細(xì)骨料含量校正系數(shù),令ψ=30%<50%,γψ=0.30+0.014×30=0.72；γc為水泥含量校正系數(shù),水泥含量為400 kg/m3，γc=0.75+0.000 61×400=0.994；γα為空氣含量校正系數(shù),空氣含量，%,不摻外加劑的混凝土,當(dāng)骨料最大粒徑為20 mm時,可取2%;40 mm時可取1%;80 mm和150 mm時可忽略不計,根據(jù)該工程可能采取的混凝土配合比情況,暫假定α=3%，γα=0.95+0.008×3=0.974。

εsh,∞=780×10-6×γcpγλγhγsγφγcγα=780×10-6×1.1×0.6×0.885×1.179 8×0.72×0.994×0.974=374.68×10-6。

2)混凝土的徐變。混凝土徐變是隨時間而增加的沿應(yīng)力方向的應(yīng)變,其大小與作用的應(yīng)力大小成正比。同時混凝土徐變還與構(gòu)件加載時混凝土齡期、尺寸效應(yīng)、所處環(huán)境相對濕度等因素有關(guān)。

根據(jù)文獻(xiàn)[4],混凝土前期徐變速率較快,徐變效應(yīng)是一個長期過程,且構(gòu)件彈性應(yīng)力、應(yīng)變隨時間不斷變化。

混凝土的徐變與約束應(yīng)變同向,混凝土徐變將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力、約束應(yīng)變不斷減小,國內(nèi)外有關(guān)研究表明,徐變可削減應(yīng)力峰值達(dá)50%～80%,降低約束應(yīng)變達(dá)20%～40%。根據(jù)文獻(xiàn)[4],考慮徐變對溫度收縮作用效應(yīng)的折減效應(yīng),取折減系數(shù)為0.7[5-6]。

1.5 后澆帶的設(shè)置

合理設(shè)置后澆帶,確定出各層后澆帶的最佳封閉時間。綜合考慮了結(jié)構(gòu)整體施工進(jìn)度安排、環(huán)境溫差、土體保溫效應(yīng)、混凝土的收縮變形等因素,進(jìn)行了施工及使用過程中的正、負(fù)溫差取值的計算。經(jīng)試算得知,后澆帶宜在各樓層混凝土工程施工結(jié)束后1個半月時封閉,對應(yīng)的混凝土早期收縮持續(xù)時間為45 d。

2 整體溫差的確定[7]

由于季節(jié)變化、太陽輻射等造成的結(jié)構(gòu)溫差可以分為兩類:一類是局部溫差——外表構(gòu)件自身內(nèi)外表面的溫差;另一類是整體溫差——構(gòu)件中面所經(jīng)歷的溫差。局部溫差一般可通過施工覆蓋措施予以降低,且影響較小。建筑從施工到使用,結(jié)構(gòu)構(gòu)件所經(jīng)歷的整體溫差影響較大,特別是負(fù)溫差,影響混凝土結(jié)構(gòu)開裂,需要進(jìn)行分析。

2.1 收縮溫差計算

收縮溫差根據(jù)后澆帶合攏后的收縮變形差來計算,后澆帶合攏天數(shù)取45 d,第一個月(30 d)尚未合攏,不計入收縮等效溫差:

第二個月(60 d)收縮等效溫差:

第三個月(90 d)收縮等效溫差:

第四個月(120 d)收縮等效溫差:

第五個月(150 d)收縮等效溫差:

如此類推,可以計算得出各個階段收縮等效溫差如表2所示。

表2 各階段收縮等效溫差

2.2 總溫差計算

從地下室-2層結(jié)構(gòu)開始施工直至投入使用,施工時間約為12個月,每個月各層樓板的溫差可以如下計算所得:

各層負(fù)溫差=經(jīng)歷月最低氣溫-合攏溫度(后澆帶封閉當(dāng)月平均氣溫);

各層總溫差=各層負(fù)溫差-收縮等效溫差。

考慮混凝土的徐變的折減效應(yīng),收縮等效溫差應(yīng)乘以折減系數(shù)0.7。

各個施工階段的總溫差計算如下所示:

1)結(jié)構(gòu)施工地下2層(2月)。

2)結(jié)構(gòu)施工地下1層(3月)。

3)結(jié)構(gòu)施工到達(dá)層(含夾層)(4月):4月中旬地下2層后澆帶合攏,地下室周圍土體回填,溫差計算如表3所示。

表3 第3)階段溫差計算表

4)結(jié)構(gòu)施工出發(fā)層(5月):5月中旬地下1層后澆帶封閉,溫差計算如表4所示。

表4 第4)階段溫差計算表

5)裝修階段(6月):6月中旬到達(dá)層后澆帶封閉,溫差計算如表5所示。

表5 第5)階段溫差計算表

6)裝修階段(7月):7月中旬出發(fā)層后澆帶封閉,溫差計算如表6所示。

表6 第6)階段溫差計算表

7)裝修階段(8月),溫差計算如表7所示。

表7 第7)階段溫差計算表

8)裝修階段(9月),溫差計算如表8所示。

表8 第8)階段溫差計算表

9)內(nèi)部設(shè)備安裝階段(10月):外圍護(hù)結(jié)構(gòu)安裝完畢,室內(nèi)溫度高出室外5 ℃,溫差計算如表9所示。

表9 第9)階段溫差計算表

10)設(shè)備安裝階段(11月):鑒于施工過程已經(jīng)結(jié)束,機(jī)場航站樓良好的保溫措施,室內(nèi)溫度高于室外環(huán)境溫度,取室內(nèi)最低溫度為10 ℃。溫差計算如表10所示。

表10 第10)階段溫差計算表

11)設(shè)備安裝階段(12月):鑒于施工過程已經(jīng)結(jié)束,機(jī)場航站樓良好的保溫措施,室內(nèi)溫度高于室外環(huán)境溫度,取室內(nèi)最低溫度為10 ℃。溫差計算如表11所示。

12)使用階段:建筑物裝修完畢,投入使用后,由于所處環(huán)境條件不同,各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用溫度亦不同,可據(jù)下述方法確定[7]:

室內(nèi)構(gòu)件:有空調(diào)采暖:夏季25 ℃,冬季15 ℃,室內(nèi)構(gòu)件所經(jīng)歷的最大負(fù)溫差=15 ℃-合攏溫度-收縮等效溫差,溫差計算如表12所示。

表12 第12)階段溫差計算表

綜上,可確定結(jié)構(gòu)各階段的各層最不利負(fù)溫差,如表13所示。

表13 各層最不利正、負(fù)整體溫差

3 結(jié)論

通過各個階段的溫度計算可以看出:

1)地下室外土體對地下室有保溫作用,為減小地下室結(jié)構(gòu)溫差,地下室外墻應(yīng)及時回填。

2)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對到達(dá)層和出發(fā)層有較好保溫作用,應(yīng)盡快完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

3)合攏溫度對溫差影響較為明顯,為減小負(fù)溫差,建議選擇氣溫較低時澆筑后澆帶。

4)收縮和徐變產(chǎn)生的等效溫差也是影響總溫差的重要因素,應(yīng)充分利用后澆帶,減少收縮產(chǎn)生的等效負(fù)溫差。

總之,為減小總的負(fù)溫差,應(yīng)合理安排項(xiàng)目工期及進(jìn)度,特別是后澆帶的封閉時機(jī)。