超长混凝土结构温差收缩徐变效应分析及实践

由于建筑使用功能的要求，许多超长结构在设计时不设或少设伸缩缝。伸缩缝的间距超过了《混凝土结构设计规范》GB50010—2010（以下简称“混凝土规范”）的限定值。此类结构如不采取有效的裂缝控制措施，将会导致构件开裂，严重影响建筑正常使用功能。因此，裂缝控制设计，是超长混凝土结构设计的重要内容。

在正常使用条件下，除外荷载效应外，混凝土裂缝主要是由混凝土自身收缩、徐变和环境温度变化引起的收缩三部分导致的。在超长混凝土结构设计时，最有效简单的方法是在混凝土构件上施工加预应力来全部或部分抵消这几部分产生的拉应力，使混凝土处于受压状态或拉应力不超过混凝土抗拉强度设计值，确保构件不出现有害裂缝。

《混凝土规范》第5.7.1、5.7.2条条文说明指出：“大体积混凝土结构、超长混凝土结构等约束积累较大的超静定结构，在间接作用下的裂缝问题比较突出，宜对结构进行间接作用效应分析。间接作用效应分析可采用弹塑性分析方法，也可采用简化的弹性分析方法”。《混凝土规范》8.1.3条指出：“当伸缩缝间距增大较多时，尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响”。《混凝土规范》只给出了对温度变化和混凝土收缩间接作用效应的有限元分析基本原则，但未给出定量的计算方法。因此，可参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004、《预应力混凝土结构设计规范》JGJ 369-2016进行混凝土温差、收缩、徐变效应的定量计算。

工程概况

 安顺西站是沪昆高铁线上重要一站，安顺西站站前广场为钢筋混凝土框架结构，长222.6米，宽209.5米，建筑层数1层，属于典型的超长结构。见图1。该建筑结构因荷载较大，结构顶板采用现浇混凝土空心板结构，板厚500mm，每隔50m-60m设置后浇带。考虑到结构顶板处于露天环境，同时后浇带的设置只对混凝土前期收缩徐变较有利，对后期混凝土收缩徐变，尤其是对温度效应的抵抗贡献不大，故对该超长结构，采取必要的收缩应力控制措施是本工程结构设计的重要内容。

安顺高铁站站前广场结构布置图

温差效应分析

从中国气象科学数据共享服务网查询得贵州安顺1984－2014年30年间月平均最高气温为34.9℃，月平均最低气温为2.5℃。年均湿度为74%。按正常施工工艺及条件估计，后浇带闭合期间日平均温度为26℃。在升温时期混凝土自身膨胀，对构件内力产生影响，但不会产生收缩裂缝，因此在分析时仅考虑降温条件下的温差。本设计只考虑正常使用期间的温降效应。考虑温降效应的温差。【JGJ 369-2016】

混凝土收缩分析

混凝土收缩采用收缩当量温差来表示。混凝土采用C40。板厚500mm，板跨8.4m，空心模壳尺寸为600mm×600mm×300mm，一个板跨内有9个模壳，则一个板跨板截面面积为A=（500×8400-600×300×9）；构件与大气接触的周边长度=8400×2mm。则构件理论厚度。根据工程实践，混凝土浇筑完成后三天内，处于膨胀阶段。从第3天开始，混凝土开始收缩。故收缩开始时的混凝土齡期假定为3d，60d后浇带合拢。

参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004。

    从第60天后浇带合拢后混凝土产生的收缩应变值为：

 混凝土徐变分析

混凝土的徐变对温度收缩应力起到应力松驰效应，在很大程度上降低弹性温度应力。由于结构遭受的年温差及温度收缩都是在相当长的时段中进行,须考虑徐变引起的应力松驰对收缩应力的影响。

考虑结构使用阶段温差与收缩当量温差的综合等效温差为：

板温度应力计算

综合以上，板温度收缩应力计算为（考虑弹性模量折减与梁、柱约束）：

计算所得板收缩应力大于C40混凝土抗拉强度设计值1.71Mpa，必须采取收缩应力控制措施。本工程采用缓粘结预应力控制该结构混凝土收缩应力。

缓粘结预应力设计

上文计算所得板收缩应力为2.99Mpa。

板截面图

预应力钢绞线布置在肋内，选取800mm宽作为板单元配置预应力。本工程采用21.8mm规格缓粘结预应力钢绞线，单根截面积为313mm，极限抗拉强度为1860Mpa。张拉控制应力按0.75考虑，预应力损失按0.2考虑。则单根钢绞线有效应力为：

800mm宽板单元截面面积为：

单个肋内的配预应力筋根数为：

即，每个200X600mm的肋内配置2根21.8 mm规格的缓粘结预应力钢绞线。

肋中缓粘结预应力配筋简图

21.8mm规格缓粘结预应力钢绞线截面图

1—护套；2—钢绞线；3—缓凝粘合剂；h—肋高， a—肋宽；l—肋间距。

肋高是保证缓粘结预应力钢绞线后期粘结锚固性能的重要指标，本工程所采用21.8mm规格缓粘结预应力钢绞线肋高不低于2.0mm。根据现场实测，其与混凝土咬合粘结良好，肋槽清晰、明显，高度大于2.0mm。缓凝粘合剂固化后，其与周围混凝土将具有良好的粘结锚固性能。

缓粘结预应力钢绞线与周围混凝粘结锚固状态图

结语

    大体积、超长结构温差收缩效应计算是超长结构设计计算的重要内容。本文将收缩、徐变效应等效为温差来计算收缩应力。通过定量计算得出本工程板温差、收缩、徐变效应所产生的收缩应力。通过配置缓粘结预应力来抵抗收缩应力，控制裂缝。