双向超长混凝土结构无缝设计温度场的建立及技术措施研究

２０１２年第４期（总第２７０期）　Ｎｕｍｂｅｒ　４　ｉｎ　２０ｌ２（Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ．２７０）　混　凝　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　土　实用技术　ＰＲＡＣＴＩＣＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ　ｄｏｉ：１０．３９６９８．ｉｓｓｎ．１００２－３５５０．２０１２．０４．０４３　双向超长混凝土结构无缝设计温度场的建立　及技术措施研究　陈勇’。程云’。吕延超’，陈明阳　（１．中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁沈阳１１０００６；２．奥雅纳工程顾问有限公司，广东深圳５１８０３１）　摘要：　通过对沈阳地区气温的长期实地观测，建立了超长混凝土结构的整体温度场，解决了超长混凝土结构无缝设计的技术难点，为后　续工程积累了宝贵经验；结合沈阳恒隆中街广场项目，基于该温度场对结构进行了温度效应模型分析，提出了防止温度应力作用引起的结构　变形和裂缝等各项保障技术措施。结果表明：所建立的温度场和提出的技术措施是有效的，该建筑在使用中未出现因超长引起的裂缝。　关键词：超长；无缝设计；温度场；技术措施　中图分类号：ＴＵ５２８．０ｌ　文献标志码：Ａ　文章编号：　１００２—３５５０（２０１２）０４—０１３７—０６　Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ－ｌｅｓｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｖｅｒｌｏｎｇ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓＣＰＩ￣ＮＹｏｎｇ　，ＣＨＥＮＧ　Ｙｕｎ１　Ｌｔ）Ｙａｈ－ｃｈａｏ　，ＣＨＥＮＭｉｎｇ－ｙａｎｇ　（１．ＣｈｉｎａＮｏｒｔｈｅａｓｔＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎ　ａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０００６，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｂｒａｎｃｈ　ｏｆＡｍｐ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５１８０３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｏｆｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ，ｔｈｅ　ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｆｏｒ　ｏｖｅｒｌｏｎｇ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｉｆｄｉｃｕｌｔｙ　ｏｆｊｏｉｎｔ－ｌｅｓｓ　ｄｅｓｉｎ　ａｇｎｄ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｓ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｎａｌａｙｓｉｓ　ｉｓ　ｄｏｎｅ　ｂａｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｔｅｍｐｅｍ￣ｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｈｅｎｇ－ｌｏｎｇ　Ｐｌａｚａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｈａｔ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋ　ａｌｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈｓ　ｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｓ　ｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｎｄｔｈｅ　ｃｒａｃｋｄｕｅｔｏ　ｏｖｅｒｌｏｎｇ　ｄｏｅｓｎ’ｔ　ａｐｐｅａｒ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｉｎ　ｕｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｖｅｒｌｏｎｇ；ｊｏｉｎｔ－ｌｅｓｓ　ｄｅｓｉｇｎ；ｔｍｐｅｒｅａｔｕｒｅ　ｉｆｅｌｄ；ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　０　引言　随着建筑业的发展，特别是大型超长复杂结构的出现，给　结构设计人员提出了更高的技术要求，大型超长混凝土结构　关键。　１超长混凝土结构设计温度场的建立　１．１　沈阳地区气温统计调查　为了建立有效的整体温度场，对沈阳地区的气候条件进行　了调查统计，并对恒隆中街广场项目进行了长达两年的实地观　无缝设计问题引起人们的关注【　】。超长无缝设计的主要技术　难点是建筑物整体温度场的有效建立，温度应力作用区域的　确定和防止温度应力作用引起的结构变形和裂缝等各项保　障技术措施的实施。其中，建筑物温度场的合理选择和建立是　测。据沈阳市中心气象台多年资料统计：气温平均为７．９℃，最高　为３５．７℃，最低为一３Ｏ．５℃。月平均温度见表ｌ，沈阳采暖室外　温度应力分析的基础，是决定温度应力分析结果合理与否的　计算气温为一１９℃（周平均最低温度统计）。　表１沈阳地区１９６１～１９９０年月平均气温统计　１．２气温实地观测　２００８￣２０１０年，通过对沈阳恒隆中街广场项目近两年的大　施工阶段以及冬季供暖条件下的室内外温度差进行了测量，积　累了较为宝贵的第一手资料，取得了计算超长混凝土结构所需　的温度场条件。测点布置见图２，各测点实测温度见图３－８。根据　气温度实地观测，得到了沈阳市近２年的日平均温度、周平均　温度，见图ｌ。从图中可以看出，在计算超长混凝土结构时，对于　现场实测结果，冬季敞开施工阶段的室内温度随室外大气温度　变化，室内外没有温度差异；冬季封闭施工阶段如果没有热源　情况下的室内温度变化与大气温度变化相差一周时间，最终室　内外温度趋于一致；而冬季室内采用供暖时，室内温度通常比　室外温度高。　室外最低大气温度的取值，可以按沈阳采暖室外设计温度一１９℃　取值。　１－３温度场的建立　在项目实施过程中，对恒隆广场项目的敞开施工阶段、封闭　收稿日期：２０１１－１０—１３　・１３７・　一一一日平均温度　周平均最高温度　周平均最低温度　＼　赠　２　●　　一Ｏ　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　５　０　５　０　９　龄期，ｄ　图１沈阳月、周、日平均温度　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　一室外温度晚２１：３０一室内温度晚２１：３０　图２沈阳恒隆中街项目室内外温度测点布置　一室外温度早８：３０—・一室内温度早８：３０　一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　３０　２０　１５　１０　５　芝魁０　一５　１５　２０　、　赠一１０　—赠　２●　一　０　０　５　Ｏ　５　Ｏ　５　０　５　Ｏ　５　Ｏ　９　髓赠　２Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　５　０　５　０　●　　一——２５　３Ｏ　０９１２２０　ｌ００１Ｏ３　１００ｌ１７　１００１３１　１００２１４　１２２０　．　１００１０３　１００１　１７　１００１３１　１００２１４　日期　（ａ）Ｂ３层测点１温度变化　１７１期　（ｂ）Ｂ３层测点２温度变化　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　—・一室外温度晚２１：３０一室内温度晚２１：３０　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　３０　一　１２２０　１００１０３　１００１１７　ｌＯＯ１３１　１００２１４　０９１２２０　１０Ｏ１Ｏ３　１００ｌｌ７　１０Ｏ１　３１　１００２１４　日期　（ｃ）Ｂ３层测点３温度变化　日期　（ｄ）Ｂ３层测点４温度变化　图３地下三层（Ｂ３）各测点实测温度　由图３－５可以看出，实际工程在地下室外墙回填封闭后，　由于有回填土的保护，地下三层（一１６ｍ）的室内温度最低为一５℃，　地下二层（一１０　ｍ）室内温度最低为一１０℃，地下一层（一５　ｍ）室　内温度最低为一２Ｏ℃，接近室外大气温度。　２．１温差的选取　根据已建立的沈阳地区建筑物整体温度场，分析模型采用　的如下温差：施工阶段，室外气温按沈阳采暖室外计算温度（周　平均最低气温）一１９℃取值。施工阶段地下一层及以上各层的最　２温度场的选取及温度效应模型计算　大量实际工程表明，随着结构设计水平的提高，解决超长　大负温差取为一２９℃；地下二层的最大负温差取为一２０℃；地下　三层取为一１５℃。使用阶段，室内常年设计温度为２０～２２℃，将商　场各层可能达到的最低温度取为５℃，内部构件相应的最大负　温差为一５℃；车库各层则认为保持恒温，常年保持在１０℃；地　混凝土结构的设计方法，由定性的方法逐步发展成为依靠温度　理论进行有限元准确计算后的综合方法。本研究以沈阳恒隆中　街广场工程为例，对超长无缝设计中温度场的选取进行分析。恒隆　下一层处于车库和商场的交界，其水平构件的中面温度理论上　应取为上下表面温度的均值，分析时保守考虑其温差与商场相　同，取一５℃。　中街广场工程东西长１８９　ｍ、南北宽１７１　ｍ，占地面积３４　０００　ｍ２，　建筑面积１８０　２４１　ｍ２，地下３层、地上４层，檐高２４ｍ，框架结　构，地下室单层建筑面积３１　０００　ｍ２，地上各楼每层面积都在　２１　０００　ｍ２以上，无缝设计。　・】３８・　２．２温差和收缩综合效应　混凝土收缩量的计算参考了王铁梦的《工程结构裂缝控制》　的计算方法　，计算时将各楼层和地下室外墙的收缩效应当量　一一２０　室外温度早８：３０　一室外温度午１４：３０　＋室内温度早８：３０　室内温度午１４：３０　３０　、　赠　２　●　一　ｌ一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　Ｉ—・一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　Ｉ一室外温度晚２１：３Ｏ＋室内温度晚２１：３０　２Ｏ　１５　１Ｏ　５　０　５　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　５　０　５　０　０　、　一５　赠一ｌＯ　—ｌ５　—２Ｏ　２５　３０　０９１２２０　１００１０３　ｌ００】１７　１００ｌ３１　ｌ００２１４　０９１２２０　１００１０３　１００ｌ１７　１００１３１　１００２１４　一—日期　ｒａ）Ｂ２层测点ｌ温度变化　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　３Ｏ　３０　日期　（ｂ）Ｂ２层测点２温度变化　一室外温度早８：室外温度午１４：３０　３０　一＋室内温度早８：３０　室内温度午１４：３０　３０　、毯　、谜赠　５　Ｏ　、　赠　０　５　Ｏ　２　，　５　Ｏ　５　Ｏ　５　０　５　一０　０　０　２　●　一０　Ｏ　５　０　５　０　５　０　５　０　２　０　５　０　５　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　一０　２　０　５０９１２２０　ｌ０Ｏ１０３　１ＯＯｌｌ７　１００ｌ３ｌ　１００２１４　Ｏ９１２２０　ｌＯＯ１０３　ｌＯＯ１１７　ｌＯＯ１３１　１００２１４　日期　日期　（ｃ）Ｂ２层测点３温度变化　（ｄ）Ｂ２层测点４温度变化　图４地下二层（Ｂ２）各测点实测温度　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　一室外温度晚２ｌ：３０＋室内温度晚２１：３０　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　３Ｏ　２０　ｌ５　ｌＯ　５　０　、　一３Ｏ　５　赠一１０　—１５　—２０　２５　——３０　０９１２２０　ｌ００１０３　１００ｌｌ７　１００１３ｌ　１００２ｌ４　０９１２２０　ｌ００１Ｏ３　ｌ００１１７　ｌ００ｌ３１　１００２１４　日期　日期　（ａ）Ｂ１层测点ｌ温度变化　一（ｂ）Ｂｌ层测点２温度变化　室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　３Ｏ　３Ｏ　０９ｌ２２０　１００ｌＯ３　１００ｌ１７　ｌ００１３ｌ　１００２ｌ４　０９ｌ２２０　１００１０３　１００１１７　１００１３ｌ　ｌ００２１４　日期　（ｅ）Ｂ１层测点３温度变化　日期　（ｄ）ＢＩｎ测点４温度变化　图５地下一层（Ｂ１】各测点实测温度　温差均取为一６℃。根据以上取值，计算了温差和收缩两者的综　合效应。　进行了温度作用分析，图９、１Ｏ分别为ＥＴＡＢＳ与ＡＮＳＹＳ计算模　型，模型中对结构基础底板以上所有楼层的梁和板进行了模拟，　２．３温度效应模型计算　根据上述建立的温度场，采用ＥＴＡＢＳ和ＡＮＳＹＳ软件分别　其中，楼板与地下室外墙单元用壳单元进行模拟；模型中不考虑　侧向土压力和水压力对结构的作用，假定结构嵌固于基础底板上。　・１３９・　２０　１一室外温度早８：３０—・一室内温度早８：３０　Ｉ一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　１５　ｌ一室外温度晚２１：３Ｏ一室内温度晚２１：３０　１Ｏ　５　０　一室外温度早８：３０—・一室内温度早８：３０　—一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　一室外温度晚２１：３０一室内温度晚２１：３０　、　赠　２　一　０　Ｏ　５　０　５　０　５　Ｏ　５　０　５　０　２●，　Ｏ　５　Ｏ　５　一５　赠一ｌＯ　—ｌ５　—２０　—２５　—３０　０９１２２０　１Ｏ０ｌ０３　１Ｏ０１１７　１Ｏ０ｌ３ｌ　ｌ００２１４　０９１２２０　１Ｏ０ｌＯ３　１Ｏ０１１７　１Ｏ０１３１　１００２１４　日期　日期　（ａ）Ｌ１层测点１温度变化　（ｂ）Ｌｌ层测点２温度变化　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　＋室外龃崖午１４：３０＋至冈温度午１　３０　一室外温度午１４：３０—・一室内温度午１４：３０　一室外温度晚２１：３０—一室内温度晚２　３０　一室外温度晚２１：３０一室内温度晚２１：３０　、　赠　、　赠　、毯赠　２　０９１２２０　一　１Ｏ０１０３　１Ｏ０ｌ１７　１Ｏ０１３１　１００２１４　１Ｏ０１　１７　１Ｏ０１３　１　１００２１４　Ｏ　５　０　５　０　５　０　５　０　５　Ｏ　日期　２　０　５　０　５　Ｏ　５　一　Ｏ　５　０　５　０　０　０９１２２０　１Ｏ０１０３　（ｃ）２　ｍ　５　０　日期　Ｌｌ层测点３温度变化　（ｄ）Ｌ１层测点４温度变化　加：＝旱　芎：　２　Ｏ　５　图６一层（Ｌ１）各测点实测温度　２０　一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　＋至外温度旱８：３０　一至网＇佩度早８：　．０　１５　一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　一室外温度午１４：３０－．．０－－室内温度午１４　３０　一室外温度晚２１：３０—＋－室内温度晚２１：３０　一室外温度晚２１：３０一室内温度晚２１　３Ｏ　ｌ０　５　Ｏ　５　—１０　—１５　－２０　－２５　—３０　０９１２２０　１００ｌ０３　１Ｏ０ｌｌ７　１Ｏ０１３１　１００２１４　０９１２２０　１Ｏ０１Ｏ３　１Ｏ０ｌ１７　１Ｏ０１３１　１００２ｌ４　日期　日期　ｆａ）Ｌ２层测点１温度变化　（ｂ）Ｌ２层测点２温度变化　ｌ—・一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　ｌ一室外温度早８：３０　一室内温度早８：３０　Ｉ一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　Ｉ一室外温度午１４：３０＋室内温度午１４：３０　。ｌ—一室外温度晚２１：３０——・室内温度晚２１：３０　－Ｉ一室外温度晚２１：３０－－．－－￣２１：３０　一　啪　０９ｌ２２０　ｌＯ０１０３　ｌＯ０１１７　１Ｏ０ｌ３ｌ　１００２１４　０９１２２０　１ＯＯ１０３　ｌＯ０１１７　ｌＯ０１３１　１００２１４　日期　日期　（ｃ）Ｌ２层测点３温度变化　（ｄ）Ｌ２层测点４温度变化　图７二层（Ｌ２）各测点实测温度　计算分析表明，首层梁在温差收缩作用下的拉应力水平相　边有白线圈出的位置最大拉应力达到３．０　ＭＰａ。地下一层没有　对其他各层都大，因此选取首层不同区域的梁进行了抗裂验算，　大的洞口，应力分布较为均匀，拉应力较大的区域分布于四边　将其重力荷载效应和温差收缩效应进行标准组合，然后按拉弯　的中部，在距离每边约２０　ｍ的范围内，最大约为１．２　ＭＰａ。　构件计算其裂缝宽度。楼板的受力情况以首层和地下一层为　根据分析和计算结果可知（详见“双向超长混凝土结构无　例，首层楼板应力的分布规律因受地下室外墙的约束，其应力　缝设计——温度效应作用计算与分析”），楼板、梁及竖向构件　值稍大，楼板被削弱区域，大部分在１．８５　ａ以内，局部洞口　中应力较大区域可通过设置钢筋加强区域等措施，提高结构抵　・】４０・　５　Ｏ