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某超长混凝土结构温差效应分析及构造措施

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第41卷第1期2011年1月建筑结构BuildingStructureVol.41No.1Jan.2011

某超长混凝土结构温差效应分析及构造措施

张坚，徐以纬，虞炜，杨必峰，路岗

（上海建筑设计研究院有限公司，上海200041）

［摘要］杭州某项目地下室为双向超长结构，上部主楼为单向超长结构，温差收缩效应显著，一般构造措施难以满足要求。采用有限元方法对结构的温差收缩效应进行详细的分析，得到温度应力分布的规律及数值。在分析结果的基础上，对不同部位采取不同的对应措施，有效地解决了温差收缩效应带来的不利影响，对超大、超长混凝土结构设计有一定的参考价值。［关键词］超长建筑；温差效应；温度应力；裂缝控制中图分类号：TU318.8文献标识码：A文章编号：1002-848X（2011）01-0063-05

Analysisanddetailsoftemperaturevariationeffectsonanoverlongconcretestructure

ZhangJian，XuYiwei，YuWei，YangBifeng，LuGang

（ShanghaiInstituteofArchitecturalDesign＆ResearchCo.，Ltd.，Shanghai200041，China）Abstract：Anoverlongconcretestructurewithabilateraloverlongbasementwasaccompaniedbysignificanttemperaturevariationandshrinkageeffect，andthedesigndemandcouldnotbesatisfiedbycommondetailingmethods.Thetemperaturevariationandshrinkageeffectsofthestructurewereanalyzedindetailsbyusingfiniteelementmethod，andthedistributionoftemperaturestresswasobtained.Basedontheanalysisresults，differentpracticalmeasureswereused，whicheffectivelyreducedthenegativeresultsoftemperaturevariationandshrinkageeffects.Theexperienceinthisprojectcouldbeausefulreferenceforsimilarmassandoverlongconcretestructures.Keywords：overlongstructure；temperaturevariationeffect；temperaturestress；crackcontrol

作者简介：张坚，高级工程师，一级注册结构工程师，Email：zhangjian@siadr.com.cn。1项目概况

杭州某项目位于杭州市滨安路以南、长河路以

东地块，总建筑面积约15万m2。整个项目由1栋

20层的生产大楼及2栋2～3层的框架多层建筑组

成（图1），其中生产大楼建筑面积约7.5万m2。三

个单体共同坐落在一个近似方形的整体地下室上。

地下室平面约170m×210m，生产大楼长约139m，

宽约35m，地上及地下结构均未设置收缩缝，建筑物

长度大大超出规程［1］所建议的适用长度，设计时需

考虑温差效应影响。

生产大楼为地下1层、地上20层的高层建筑，

建筑总高为87m，层1层高6.3m，层2层高5.6m，

其余各层层高均为4.2m。建筑标准层平面图见图

2。其结构体系为框架-剪力墙结构。建筑采用

8.4m×8.4m的典型柱网，中庭区域为8.4m（南北

向）×16.8m（东西向）柱网。底层框架柱截面为1m

×1m，混凝土强度等级为C50；在建筑的东西两端

以及中庭两侧布置核心筒剪力墙，底层剪力墙典型

厚度为0.4m，混凝土强度等级为C40。

楼、屋盖采用现浇钢筋混凝土梁板结构，混凝土

强度等级一般为C30，典型框架梁截面为500×650，

次梁截面为300×600；地下室顶板厚度为180mm，

室外覆土区域为250mm；其他楼层典型板厚为

130mm，中庭楼板区域楼板厚度为200mm；屋面

层图1建筑效果图

图2标准层典型平面简图（非连接层）

楼板厚150mm。

从建筑功能上看，生产大楼可以分为东、西两个

塔楼及跨度为16.8m的中庭区域，中庭区域每3层

用楼板连接，构成空中花园。剪力墙集中于每个塔

楼的端部，从而形成4个相对集中的核心筒。由于

建筑总高小于100m，结构的竖向温差效应影响不显

著，但结构的平面长度超长，并且在结构布置上，两

个端部存在核心筒，对楼板的水平约束强烈，水平温建筑结构2011年

差产生的效应比较大。一方面，楼板在负温差下产

生约束拉应力，设计时需对其强度及裂缝宽度进行

复核；另一方面，端部的剪力墙及框架柱相应地受到

水平剪力，在设计中需予以充分考虑，以确保结构安

全。因此，有必要对结构进行定量的温差效应分析。

2温差收缩分析

2.1季节温差

楼屋盖中面在施工和使用过程中所经受的季节

温差ΔTt，为各月份的平均温度T中与混凝土终凝温

度T凝的差值，即ΔTt=T中－T凝。根据表1的统计

资料，杭州地区月均气温最高为7月28.4℃，最低

为1月4.3℃。考虑极端气候条件出现频率有上升

趋势，取7月月均气温为33℃，1月月均气温为

0℃。则混凝土终凝温度T凝的变动范围可以取0～

33℃。对不考虑空调使用时，其非屋面层T中的变

动范围可以取0～33℃；考虑空调使用时，其非屋面

层的T中可以取空调工作温度18～26℃。于是，当

不使用空调时，非屋面层最大负温差为0－33=－

33℃，最大正温差为33－0=33℃；当使用空调时，

非屋面层最大负温差为18－33=－15℃，最大正温

差为26－0=26℃。

杭州地区月平均气温统计表1月份123456月平均气温/℃4.35.69.515.820.724.3月均最高气温/℃7.99.513.520.525.528.5月均最低气温/℃1.42.76.312.017.021.1月份789101112月平均气温/℃28.427.923.418.312.46.8月均最高气温/℃32.932.427.522.716.811.1月均最低气温/℃24.824.620.415.08.93.5

建筑的屋面层通常有保温、隔热等措施，可以取

环境温度为屋面的外表面温度，内表面温度可以取

空调工作温度（有空调时），或环境温度（无空调

时）。这样，当不使用空调时，屋面层的最大正、负

温差同非屋面层；当使用空调时，屋面层最大负温差

为（18+0）/2－33=－24℃，最大正温差为（26+

33）/2－0=29.5℃。

2.2混凝土收缩当量温差

混凝土收缩应变的形成和发展与混凝土龄期密

切相关，一般可以表述为：εs=（1－e－0.01t）εs0，其中

εs为混凝土极限收缩应变，εs0为龄期t混凝土收缩

应变。混凝土收缩当量温差为ΔTs=εs/α，其中α=

1.0×10－5，为混凝土线膨胀系数/1/℃。

通常情况下混凝土极限收缩应变εs0约为400

×10－6。如要求180d以后封闭后浇带，则混凝土收

缩当量温差为ΔTs=－（400×10－6×15%）/（1.0×10－5）=－6℃；如按常规要求90d以后封闭后浇带，

则混凝土收缩当量温差为ΔTs=－（400×10－6×

40%）/（1.0×10－5）=－16℃。

如施工要求提前封闭后浇带，可以考虑设置膨

胀带等措施以抵偿此收缩影响。

2.3设计计算温差的确定

设计计算负温差应为季节温差与收缩当量温差

的叠加，即ΔT=ΔTt+ΔTs。正温差则不计入收缩

当量温差。对本工程，设计时取不利的不考虑空调

影响的工况。同时，控制层1，2楼面后浇带施工时

的终凝温度为10～15℃，对层3及以上各层不控制

终凝温度。这样，层1，2的季节温差，最大正温差为

33－10=23℃，最大负温差为0－15=－15℃；上

部各层最大季节正温差为前文计算的33℃，最大负

温差为－33℃。设计计算温差取值如表2所示。

设计计算温差取值表2

楼层正温差/℃负温差/℃季节温差ΔTt计算温差ΔT季节温差ΔTt收缩温差ΔTs计算温差ΔT层1，22323－15－6－21层3及以上3333－33－16－49

2.4徐变应力松弛折减系数

季节温差和混凝土收缩都是随时间变化比较缓

慢的作用，是一个长期效应。由于混凝土徐变的存

在，结构中实际应力会远远小于弹性分析的结果。

徐变应力松弛折减系数为φa=εcr/εel，其中εcr为徐变变形，εel为弹性变形。徐变应力松弛折减系

数，即折减前后的弹性模量之比为k=εel/（εel+

εcr）=1/（1+φa）。φa通常取值为2～4，如取2.33，

则对应徐变应力松弛折减系数k为0.3。

2.5温差效应的计算方法

进行温差收缩效应的设计时，应考虑混凝土徐

变造成的应力松弛，混凝土构件微裂缝造成的刚度

折减，并考虑适当的荷载效应组合。

根据以上的计算，徐变应力松弛折减系数k取

0.3。根据文［2］建议，对混凝土结构，刚度折减系

数可以取0.85，当采用预应力时刚度折减系数可取

1.0。设计时，荷载效应组合可只考虑与重力荷载效

应按下式进行组合：S=γGSGK+φTγTSTK。其中重力

荷载作用分项系数γG取1.25，温度效应作用分项

系数γT取1.2，温度效应组合系数φT取0.8。

3温差效应计算结果分析

工程采用ETABS对结构进行整体建模来分析

温差效应。其中，墙板采用壳单元模拟，楼板采用膜

单元模拟。模型将地下室整体输入，地上部分仅包

含生产大楼，不含其余两栋多层框架。从温差效应46

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超长超大地下空间结构温度应力分析

超长超大地下空间结构温度应力分析

林晓字等：超长超大地下空０ｌＪ结构温度应力分析　３９　

超长超大地下空间结构温度应力分析　

林晓字，鲁亮　（同济大学结构工程与防灾研究所．　上海２０００９２）　

【摘要】某商务中心采用大底盘多塔结构，其地下室为超长超大混凝土结构，如按常规方法施工，需要预　留伸缩缝，这样会影响建筑物使用功能。本文结合某商务中心工程设计，分析了裂缝成因，给出了温度作用的温　差取值方法，采用ＳＡＰ２０００对商务中心三层地下室进行了温度效应分析，并提出了控制裂缝的具体措施。　【关键词】超长混凝土结构；收缩；温度应力；裂缝　【中图分类号】ＴＵ７５５　【文献标识码】Ｂ　【文章编号】１００１—６８６４（２０１１）１０—００３９—０２　

超长混凝土结构是指结构单元长度超过了《混凝　土结构设计规范》ＧＢ５００１０—２００２所规定的混凝土结　

构伸缩缝最大间距的结构。在实际工程中，考虑到使　用功能和外观上的需要，越来越多的建筑设计人员采　

用不设伸缩缝的超长混凝土结构。因此，设计时必须　考虑超长混凝土结构的温度应力分布情况，采取相应　

的措施，消除对结构可能产生的不利影响。　１　工程概况　某商务中心为大底盘多塔结构，基础形式为桩一　

筏联合基础，上部结构为四个塔楼，下部为三层地下　室。地下室外墙为钢筋混凝土墙，内部为钢筋混凝土　

框架结构，平面尺寸约为１７６．９ｍ×１４４．５ｍ。为满足建　筑功能要求，该建筑物不留设永久性伸缩缝，因该建筑　

物长度超过《混凝土结构设计规范》中伸缩缝最大间　距５５ｍ的规定，所以有必要对该结构进行温度应力分　

析并采取一定措施来控制因取消伸缩缝对该超长结　构产生的影响…。　

２裂缝成因　混凝土裂缝按其发展过程可分为　：①初期裂　缝：混凝土浇筑后初期产生的水化热使混凝土在短时　内温度急剧上升，内热外冷引起“自约束应力”，一旦　

超过同期混凝土抗拉强度就会引起初期裂缝；②中期　裂缝：混凝土内部水化热升温达峰值后，温度会逐渐下　

降，结构物冷缩（同时还有混凝土干缩）产生“外约束　应力”，超过同期混凝土抗拉强度便引起中期裂缝；③　

大体积混凝土温控措施

大体积混凝土温控措施

大体积混凝土温控措施

大体积混凝土在现代建筑工程中应用广泛，如大型基础、桥梁墩台、大坝等。由于其体积大，水泥水化热释放集中，内部温升快，容易产生温度裂缝，影响结构的安全性和耐久性。因此，采取有效的温控措施至关重要。

一、大体积混凝土温度裂缝产生的原因

大体积混凝土在浇筑后，水泥水化过程中会释放出大量的热量，导致混凝土内部温度迅速升高。而混凝土表面散热较快，形成较大的内外温差。当温差超过一定限度时，混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。由于混凝土早期抗拉强度较低，当表面拉应力超过混凝土抗拉强度时，就会产生裂缝。

此外，混凝土在降温阶段，由于收缩受到约束，也会产生拉应力，从而导致裂缝的产生。

二、大体积混凝土温控的基本原则

1、 控制混凝土内外温差

尽量减小混凝土内外温差，一般要求不超过 25℃。

2、 控制混凝土降温速率

降温速率不宜大于 20℃／d，以避免温度骤降引起的裂缝。 3、 延缓混凝土降温时间

通过保温保湿养护等措施，延长混凝土散热时间，降低混凝土中心最高温度。

三、大体积混凝土温控措施

1、 原材料选择与优化

（1）水泥

选用水化热较低的水泥品种，如矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等。

（2）骨料

选用粒径较大、级配良好的粗骨料，以减少水泥用量，降低水化热。同时，严格控制骨料的含泥量。

（3）掺合料

适量掺入粉煤灰、矿渣粉等掺合料，不仅可以降低水泥用量，减少水化热，还能改善混凝土的和易性和耐久性。

2、 配合比设计

通过优化配合比，在保证混凝土强度和工作性能的前提下，尽量减少水泥用量，降低水化热。可以采用增加骨料用量、掺入外加剂等方法来实现。

3、 施工工艺控制 （1）分层浇筑

采用分层浇筑的方法，每层厚度不宜超过 500mm，以利于混凝土散热。

（2）振捣密实

振捣过程中应避免过振或漏振，确保混凝土密实，提高混凝土的抗拉强度。

（3）控制浇筑温度

在炎热季节施工时，应采取措施降低混凝土原材料的温度，如对骨料进行遮阳、洒水降温，对拌合水加冰等，将混凝土浇筑温度控制在合理范围内。

超长地下混凝土结构温度应力分析

超长地下混凝土结构温度应力分析

施工技术与应用　

超长地下混凝土结构温度应力分析　四囝圆圈　

秦领　Ｉ　上海　

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司　

摘要：分析了地下混凝土结构从施工到正常使用全过程中可能受到的温度荷载类型，并将混凝土自身收缩效应等效为温度荷载；用线　

性分布法计算作用在建筑物上的各类温度荷载，制定了超长结构温度作用计算工况；以上海松江地下车库项目为实例，详细给出了各种温　

度作用工况的计算参数。计算结果表明，采用文中给出的超长地下结构温度作用计算方法，可以满足工程设计实践中计算温度应力的需要。　

关键词：超长结构；温度荷载；温度应力；温度工况　

０引言　

温度应力对混凝土结构的影响是不容忽视的。尤其是超长的混凝土结　

构，由于其温度作用效应明显，相关的温度效应计算已得到越来越多设计人　

员的重视。　

一个工程项目，从施工到投入使用，结构所承受的温度荷载发生在各个　

阶段，且包含不同的类型，例如季节温差、昼夜温差、温度骤变、混凝土自身收　

缩引起的等效温差等等。只有充分分析建筑物在各个阶段所承受的温度荷载　类型，采用合适的温度荷载计算方法，确定温度作用计算工况，才能为结构温　

度作用效应的计算作好准备。目前关于结构温度作用的研究已经开展了很　

多，但都未对混凝土结构（尤其是超长混凝土结构）在生命周期各阶段的温度　

作用、温度参数取值以及温度工况的确定方法进行较为系统的探讨。本文结　

合上海松江公共体育中心配套的大型地下停车场项目，对超长地下结构温度　

作用计算＿＿ｒ＝况的确定方法进行了一些探索。　

１基本温度参数的确定　

根据气象资料，上海地区夏季室外Ｅｌ平均气温为２７．８℃（历史极端气温　

４０．２℃）；冬季室外日平均气温为３．６ｃＣ（历史极端气温一１２．１℃）。根据实测数据　

和经验，上海地区的室内温度可取值为：正常工作情况（有空调或暖气）夏季为　２５℃；冬季为１８℃；非正常工作情况（无空调或暖气）夏季为３２￣Ｃ；冬季为５℃。　

据有关文献结构混凝土终凝温度一般取值为１０℃～２５％，根据该工程实　

混凝土后浇带的设计与施工

混凝土后浇带的设计与施工

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混凝土后浇带的设计与施工

作者：李青

来源：《城市建设理论研究》2013年第15期

摘要：为解决高层主体与低层房间不均匀沉降，解决混凝土收缩变形，解决混凝土温差应力，在设计上一般采取设置后浇带，达到了不设置永久变形缝的目的。

关键词：混凝土 后浇带设计施工

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

根据后浇带所处的结构位置不同，分别做相应的处理，相比较而言，基础部分必须考虑抗渗要求，通常在基础筏板及梁处下方设置一道宽2m左右厚约30cm的板，在中间放入橡胶止水带，用泡沫板断开。起到调解缝两侧结构的沉降与伸缩的作用。并在混凝土底板浇筑前,在后浇带两侧放置橡胶止水条，在后浇带位置的中间焊上3mm左右厚的止水钢板，这样从结构层面上看，共有3道防水措施，做到了每道缝都有防水。外墙后浇带处的做法通常与底板相似，只是少了两道橡胶止水条。地下室顶板及上部结构后浇带由于没有防水要求，所以一般在设计上没有基础部分那么复杂，一般直接设一道1m宽左右的缝，直接从板上断开。

后浇带的留置有平直缝、阶梯缝、企业缝和V形缝，一般采用平直缝较多，这样施工起来最简便，但连接效果不如其他几种。对于后浇带处钢筋的留置处理方法也有多种：①、受力筋在后浇带(缝)处断开，然后再用钢筋搭接接长。②、在该处钢筋贯穿不断。③、该处钢筋贯穿，并增设附加钢筋等。后浇带的宽度一般标准要求取≥800mm，设计中取800mm或1000mm宽的较多。对后浇带处的混凝土强度等级和性能，其强度等级一般不低于两侧混一凝土，对混凝土性能要求有三种，一种要求采取提高一级的普通混凝土，另一种要求采用强度等级不低于两侧的补偿收缩混凝土。而在实际设计中多采用提高一个强度等级的补偿收缩混凝土，这样就既决了后浇带处抗渗要求又解决了该处结构薄弱的问题。

在实际设计操作中，高层框剪结构多在地下室部分采用后浇带，上部结构采用变形缝处理，这样可以降低结构的整体刚度。增大结构的柔性，有利于结构抗震，或抵抗风载。对于含有地下室的框架结构，在基础部分按照设计规范设置后浇带，其上部结构可视情况考虑不设置后浇带，因为框架结构为柔性结构自身具有调节不均匀变形的能力。