剪力墙超长结构温度应力控制

剪力墙超长结构温度应力控制

张强刘伟

（1.中铁十七局集团有限公司勘察设计院；2.山东同圆设计集团有限公司第五设计分院）

【摘要】本文结合工程实例，采用有限元软件PMSAP对结构在温度荷载作用下的内力进行分析，介绍剪力墙结构通过配置温度钢筋，避免由于超长导致温度裂缝。

【关键词】超长结构；伸缩缝间距；温度应力；温度钢筋

一、引言

近年来，随着我国经济的不断发展，各地不断地涌现出大体量的建筑物，其中有很大一部分属于超长结构。而随着使用功能的多元化发展，建筑师对不设缝(伸缩缝)混凝土结构的平面长度的要求越来越高。目前世界上一些发达的国家，例如美国混凝土结构规范<ACI318M-05>对伸缩缝的间距并没有严格的规定，只要求当结构的平面长度超过一定值时应计算温度引起的应力，并采取必要的措施加以解决。在我国《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第8.1.1条规定了伸缩缝的最大间距，同时还规定，只要采取恰当的措施后伸缩缝的间距可以进一步增加。现在，国内己经出现了平面长度超过400m的不设缝的混凝土结构工程。但是，随着混凝土结构平面尺寸的增加，结构中由温差引起的温度变形和混凝土水化热引起的收缩变形造成的应力问题也变得越来越突出，由此造成的结构开裂直接影响到结构的正常使用。

国内外关于混凝土温度应力的研究主要集中于大体积混凝土结构、桥梁结构、公路水泥混凝土路面等，对于超长混凝土结构温度应力的研究相对较少，工程设计人员一般根据经验或粗略估算的方法来考虑温度应力对超长结构的影响，并采取一定的构造措施。随着计算技术的不断发展和理论研究的不断深入，可以采用PMSAP软件对超长无缝结构的温度应力分析。

二、PMSAP软件的温度应力分析

PMSAP具有较为完善的温度应力分析功能，对多高层建筑中的梁、柱、支撑、剪力墙和楼板，均可计算其温度内力及变形，并且可以把温度内力考虑到构件配筋设计中。PMSAP采用有限元法计算温度应力，构件的温度变化对结构的变形、内力的影响将等效为某种荷载的影响。

PMSAP温度应力分析步骤:1）用PMCAD建立结构模型。2）进入PKPM的“PMSAP”主菜单，然后进入“补充建模”，点取“温度荷载”菜单，在此定义各个楼层的各节点的温度变化值。3）执行“接PM生成PMSAP数据”4）进入“参数补充及修改”菜单，点取“参数修改-〉总信息”，按照需要修改“温度荷载参数”，包括砼构件效应折减系数，温度荷载组合系数，弹性模量折减系数等。5）执行“结构分析与配筋计算”。6）进入“分析结果的图形显示”察看计算结果。

PMSAP温度应力分析注意事项：1）所有楼板均应定义成弹性膜。2）剪力墙应采用细分模型。3）混凝土构件的温度效应宜指定折减系数,一般取为0.30。4）如果用温度模拟砼收缩，应作为一个独立工况，且相应温度工况的属性应指定为“砼收缩”。5)如果用温度模拟预应力张拉，也应作为一个独立工况，且相应温度工况的属性应指定为“预应力”。6）软件会自动增加温度工况的组合。不考虑温度前n种工况，考虑后变为2n种。用户可以调节地震、风与温度组合时的组合系数。

三、工程概况

拟建龙湖养马岛项目C-01地块项目位于烟台市牟平区滨海东路以北、沁水东河大桥以东。其中C、D座为soho公寓楼，长为61.2米，宽为23.9米；地下一层，地上28层；地下一层为设备用房及车库，层高为4.8m，一层为商业，层高为4.8m，二层及以上均为公寓，层高均为2.9m；本结构采用钢筋混凝土剪力墙结构。

四、有限元温度应力分析

（一）计算模型的选取

按建筑的实际情况建立整体模型，模型中所有的柱、梁、板的几何尺寸均按照实际尺寸建模。所有楼板均取为120mm厚。

混凝土材料：柱、墙为C40~C30；梁、板为C30；

C30混凝土弹性模量B：3.00×104N／m2：混凝土线膨胀系数a：1X10-5

（二）荷载

（1）结构自重

（2）外加恒载：2KN／m2：外加活载：2、2.5、3.5KN／m2：

（3）温度荷载：取浇筑时温度按15度考虑，考虑一年后投入使用。期间室内无空调，整体结构将经历季节温度变化。查阅气象资料得：历史记录内，烟台全年最高温度32度，最低温度一8度。设计时考虑最不利情况．分为以下两种工况：

工况1：升温一浇筑时温度与全年最高温度之差，取20度；

工况2：降温一浇筑时温度与全年最低温度之差，取-20度。

（三）计算培果分析

由于主楼Y向较短故在此不作分析。以下给出X向在升、降温时的温度应力。

根据计算结果，主楼楼板X向最大拉应力为5.5MPa，最大压应力为5.4MPa．大部分面积的拉应力在0—3MPa之间变化。极值拉应力仅出现在走廊部分、楼电梯部分及端跨山墙处，原因是这些部位剪力墙较多，布置也也较密集，抗侧刚度很大，对周围的板和粱形成了极强的约束。

五、温度应力的控制

（一）总体情况及控制措施

从以上的温度应力分布图可以看出，主楼大部分区域的楼板降温时在X方向出现了0-3MPa的拉应力，少部分区域超过了混凝土的抗拉强度，有可能出现温度裂缝。目前抵抗温度应力的措施有使用补偿收缩混凝土，设置温度后浇带，掺加聚丙烯（HDC-PP）化学纤维、配置温度钢筋或预应力筋等。这些手段都是通过在板中产生一定的预压应力，从而可以部分或全部抵消温度变化所产生的拉应力，使结构不开裂。所以本工程确定使用配置温度钢筋的方式来抵抗楼板中产生的温度应力，同时采取设置温度后浇带、掺加聚丙烯（HDC-PP）化学纤维等措施来加强构造要求。

六、结语

混凝土规范9.1.1条规定现浇混凝土剪力墙结构的温度伸缩缝最大间距当在室内或土中时为45m，露天时为30m。规范的这一规定显然与现今建筑的体量越来越大但功能又不允许设缝发生矛盾；因此目前许多工程中的伸缩缝间距都突破了规范的规定。笔者认为今后当剪力墙结构超长时，应该慎重处理为好，过长时应该尽量设置温度伸缩缝，宜较严格遵守规范规定的限值，理由如下：

①剪力墙结构刚度大，受温差影响大，混凝土的收缩、徐变产生的变形大，墙体对楼面、屋面产生的约束也大；当结构发生收缩变形时比其他结构易出现裂缝。

②剪力墙结构多用于商品住房和公寓，使用状况复杂，一旦私人购买的房子出现裂缝，虽然没有安全问题，但处理起来问题多，难度大，社会影响大。

③混凝土结构受温度或收缩徐变的影响与众多因素有关；而体型庞大的剪力墙房屋往往形状复杂，混凝土收缩大，约束应力积聚也大，施工工艺及管理也难控制，环境影响使用变化难于判断，因此更难于解决混凝土收缩变形时，在受约束条件下引起拉应力而保证不出现裂缝。

④目前随着市场形势的变化，大部分工程要赶工加班，质量难保证，为赶工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收缩量增大，加上由于混凝土强度的提高，使弹性模量增加将引起更大的约束拉应力产生，使结构出现裂缝的因素增多。

综上所述，今后在处理超长结构时，特别是处理超长的剪力墙结构时要特别慎重；从上图温度钢筋配筋量图中可以看到，大部分楼板构造配筋即可满足楼板防开裂的要求，而在温度应力大处通过配置满足计算要求的温度钢筋来有效地抵抗板中的温度拉应力，达到使结构不开裂的目标。

故当发生由于建筑使用功能要求不允许超长建筑设温度缝时，建议采用对结构设置温度钢筋或预应力筋的方法并结合采用设计构造措施、施工措施共同给予处理。

参考文献：

[1]华旦、吴杰、干刚超长混凝土结构的温度应力分析与设计实践建筑结构2012.42（7）56-59

[2]彭英、柯叶君、陈威文等超长混凝土结构温差收缩效应分析及工程实践【J】建筑结构2010.40（10）86-90

[3]张玉明超长混凝土框架结构裂缝控制研究【D】南京东南大学2006

[4]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2007.40（10）50-59