某超长框架结构温度应力分析及设计

某超长框架结构温度应力分析及设计

摘要：超长结构是当代商业社会下的常见结构类型，而其温度应力的处理和减弱，也是广大建筑项目建设者都需要着重考虑的问题。基于此，本文结合某大型

商业综合体项目实际，分析了在温度应力影响下，如何对结构进行设计。从而实

现建筑项目的稳定性和安全性，促进区域居民生活水平的提升。

关键词：超长框架结构；温度应力；工程；温差

0 引言

超长混凝土框架结构的特点是其结构单元的长度较大，比混凝土结构规范中

限定的一般伸缩缝间距要更大，所以在设计时需要考虑更多因素，从而加强建造

建筑的结构能够满足使用的稳定性和安全性要求。在一般的建筑结构中，设计的

混凝土框架选择低收缩的混凝土材料、钢筋加固、后浇带加强养护等措施，都能

够一定程度的降低材料所受到的温度应力、收缩应力等因素对结构的影响[1]。但

在超长框架结构中，对这些应力作用的处理则是结构设计的重要部分，也是设计

和建造过程中需要重点处理的部分。以下结合笔者参与的具体工程实例，对如何

设计超长框架结构温度应力的内容展开探讨。

1 超长结构温度应力作用对工程建设的影响

1.1温差分析

在自然环境的作用下引起钢混凝土结构中的温差荷载的主要因素包括三点：

季节温差、骤降温差以及日照温差。一般情况下，长期稳定荷載作用下的温度效

应对整个结构的内力起到挖制作用，而骤降温差和日照温差引起的的短期温度作

用-一般只考虑温度场趋于稳定后的温度效应。温度作用是由结构材料“热胀冷缩”

效应被结构内、外约束阻碍而在结构内产生的内力作用。出现温差时梁板等水平

构件变形受到竖向构件的约束而产生应力，同时竖向构件会受到相应的水平剪力[2]。施工阶段后浇带未封闭以前，温差对结构的影响忽略。施工阶段后浇带封闭，建筑隔墙及装修完成以前，受外界温度影响最大，极容易出现开裂。使用阶段由

于外围有幕墙，屋顶有保温，可考虑温差效应作用打折。

1.2 温度应力计算

参考王梦铁的《工程结构裂缝控制》中的相关计算方法，混凝土收缩应变的

形式和发展与混凝土龄期密切相关，任意时间t（天数）时混凝土已完成的收缩

应变为：

（1）

其中为各种修正系数[3]。混凝土收缩是一个长期的过程，影响最终收缩量的

因素有水泥成分、温度、骨料材质、级配、含泥量、水灰比、水泥浆量、养护时间、环境温度和气流场、构件的尺寸效应、混凝土振捣质量、配筋率、外加剂等。由于竖向构件的约束，水平构件的混凝土收缩会产生拉应变，这种收缩应变可以

和混凝土因温度变化产生的应变等效，可用产生等量应变的温度差（当量温差）

计入混凝土收缩效应的影响。

2 对温度应力的一般解决措施

2.1施工材料的标准化设计

本工程利用的混凝土材料是由低收缩低水泥、碎石骨料和外加剂等材料均匀

混合而成。要求综合各原材料剂量，在软件中进行统计计算。基本需求是外加剂、水泥和骨料都能够满足项目建设的质量要求，且使用时严控各原材料的剂量，从

而确保配比混合后的材料性质能够贴合降低温度应力的需求。例如降低水灰比，

在设计配合比阶段，采取降低水灰比的措施。设置后浇带，降低水灰比目的在于

减少用水量，降低混凝土的收缩。同时要求施工单位在混凝土浇筑阶段，在混凝

土初凝前进行二次振捣，避免混凝土因沉降收缩而引起的裂缝。采用补偿收缩混

凝土。膨胀混凝土在限制条件下，在混凝土中建立一定的预应力，改善了混凝土

的内部应力状态，从而提高了它们的抗裂能力。在水泥硬化过程中，膨胀结晶体（如钙矾石）起到填充、切断毛细孔缝作用，使大孔变小孔，总孔隙率减少，从

而改善了混凝土的孔结构，提高了它们的抗渗透性和力学性能。

2.2 施工结构设计

在特定部位建设伸缩缝，通过在顶层等建筑结构层建设伸缩缝，能够缓解温

度应力的作用，也不会影响的建筑结构的一体化观感。采用专门的预加应力措施

和预应力混凝土结构设计。在主体结构顶部和超长楼层中部布置单向无粘结预应

力钢筋（沿长方向），按照裂缝控制的技术要求施加预应力，以起到约束楼板和

水平构件的温度变形的作用。加强屋面保温隔热措施。层面采用高效保温材料，

严格满足建筑节能设计标准。局部加强配筋。

3 超长框架结构温度应力设计的案例研究

3.1 案例介绍

本工程是一项大型商业综合体项目，场地位于湖北省荆州市。商业建筑面积

约12.67万平方米，其中大商业建筑面积约10万平方米。大商业平面近似“一字型”，水平尺寸为298mx86m。根据该项目施工进度计划，本工程计划6月封顶，

根据荆州市气温变化情况，考虑后浇带封闭时温度为32℃，考虑后期最大升温为0℃，考虑后期最大降温为16℃，再与砼收缩当量温差进行叠加，故本工程最不

利最大降温为：二层为-26℃；三层为-29℃；四层及以上为-34℃；。若后浇带封

闭时温度较低，则升温可能更大，楼板中会出现压应力，但框架会出现水平位移。反之亦然。

3.2 收缩当量温差分析

在本工程中，由于整个结构是一个综合性的超长建设项目，加上荆州市气候

的温度应力作用较大，而且业主要求不设缝。因此考虑在结构平面上通过设置变

形缝将姓构在合适的位置断开。以下将针对二层B区的具体情况讨论超长框架结

构温度应力的分析及设计。但本工程屋面出现较多退台，应考虑温差的不利作用。混凝土的收缩徐变引起的收缩当量温差也应考虑。根据《工程结构裂缝控制》中

相关计算公式和表格。采用YJK软件对整体模型进行温差和收缩效应分析，楼板

采用弹性膜模拟，分层对整个平面内的节点施加相应的温差作用进行计算，设计

流程如图1。

图1：应用YJK软件设计计算温度荷载

图2：屋顶Y型伸缩缝的结构设计

为考虑砼的徐变应力松弛，砼构件的温度内力可以乘以折减系数0.3；温度效应的组合贡献：可以取组合值系数0.7乘以分项系数1.2=0.84；降温工况下，各

楼层楼板承受拉力，二层楼板拉应力最大，随楼层增加，楼板拉应力减小。同一

楼层楼板，拉应力较大位置一般分布在楼板中间以及洞口周边。对于局部产生的

应力集中的楼板，可通过采取特定措施来减小应力集中，改善温度应力，比如将

洞口角部倒角使其圆滑过渡。

3.3 本工程采用的降低超长框架结构温度应力的处理措施

为了更好的释放早期混凝土收缩应力，有针对性地采取了控制和抵抗温度收