超长结构的设计要点
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摘要: 针对超长混凝土结构特点，提出了超长混凝土结构在设计、施工方面要考虑的主要方面，供广大同行参考
关键词:超长混凝土结构；设计；施工
超长结构无缝设计是指建筑物的长度超过规范规定的设置温度缝、伸缩缝或抗震缝的最大长度，而不设置任何形式永久性缝的结构设计。近年来，随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，人们对建筑物的造型及功能的要求不断提高，超长无缝结构不断出现，并取得了很好的使用效果。其主要有以下优点：
1. 建筑物的使用功能和立面造型、象征意义要求建筑物不设缝。如果建筑物的立面设置多条永久缝就会对立面效果和装饰产生许多限制和负面影响。
2. 无缝结构克服了设置缝可能带来的耐久性、保温性和水密性等方面的问题和缺陷。设缝结构在温度的反复变化及建筑物建成初期不均匀沉降的作用下，不可避免的会引起密封材料的劣化和老化，从而影响到结构的耐久性、保温性和水密性。
3. 机电设备管线布置更加灵活，避免设缝后对设备管线布置带来的不便。因为设置了缝的结构在布置管线时要考虑结构单元之间的变形对管线的折损，所以必须采取吸收变位的措施。
但超长无缝结构在单向或双向上的长度远远超出了规范规定的伸缩缝或抗震缝的间距，在设计和施工过程中要比普通结构复杂，归结起来主要有以下几点需要考虑：
一、 设计要点
1. 超长无缝结构在单向或双向上的长度很大，这就必然会造成大面积混凝土梁板结构的出现。而大面积混凝土梁板结构在温度变化、混凝土收缩、徐变作用下对结构的影响是必须考虑。结构设计中如果不采取有效的抗裂及裂缝控制技术，楼面和屋面会出现大面积的开裂，严重影响建筑物的使用，有时甚至会造成部分结构构件的损伤。因此如何进行超长无缝结构在温度变化、混凝土的收缩和徐变作用下的应力分析就成为超长无缝结构设计的核心问题之一。
具体设计时，应注意自然环境条件变化所产生的温度作用应分为两种类型:
1) 均匀温差作用
均匀温差作用，是指超长结构内外构件和构件内外温度变化基本相同，主要是由季节温差引起的。季节气温变化是长期的缓慢作用，使得结构整体发生均匀的温度变化。所以，在考虑季节温差对结构影响时，均以结构的平均温度为依据。由于混凝土徐变效应，季节温差对结构作用产生的应力会发生松弛现象，计算时必须考虑徐变效应。
2) 内外温差作用
内外温差作用，是指超长结构内外构件和构件内外温度变化不同，主要是由太阳辐射、日气温变化和气温骤降引起的。由于这些温度变化很复杂，影响因素众多，因此结构表面和内部温度变化是一个随机变化的复杂函数。超长框架结构受内外温差作用影响大的是构件，内部构件受其影响相对小些。计算时往往假定结构构件温度场是线性分布的，内部构件温度场是均匀分布的。由于作用时间短，计算时可不考虑混凝土徐变效应。使用空调或北方地区冬季供暖时，超长结构室内外形成温差，也属于内外温差作用。
2. 结构布置及技术措施
超长混凝土结构最难解决的并非拉应力, 而是端部结构的变形。主要抗侧力构件(如抗震墙)宜布置在结构中部,便于两端构件以中部为对称轴, 相对容易地胀缩,一方面可以减少温度应力,另一方面避免施加预应力引起端部抗侧力结构的破坏。宜在相对较短的方向布置主要承重框架。
此外，顶部楼层改用刚度较小的结构形式或顶部设局部温度缝, 将结构划分为长度较短的区段(如下图) ,但在地震区要注意符合抗震规范的相应规定。
对长度超过100m 的混凝土结构宜采用预应力技术。通过施加预应力使梁板产生预压应力来抵消由于混凝土温度变化和收缩产生的拉应力,防止裂缝产生。需要注意的是,竖向构件( 柱、 剪力墙及筒体等)的侧向约束,限制了梁板等水平构件的轴向变形,约束也影响了预应力的力学效果。特别是对于超长结构, 这种约束影响由于长度上的积累效应会变得更为显著。可采用合理留设后浇带、 将抗侧移刚度大的构件布置在结构位移中心不动点附近及尽量采用细长的柔性柱子, 减小对整个结构的水平约束。
3. 与普通结构不同，由于超长无缝结构在长度方向能达到百米甚至数百米，在这种情况下就不能把地震地面运动看成是一致的地面激励用简单的反应谱法进行抗震分析，而是要考虑地震激励的行波效应、部分相干效应和局部效应等，因此超长无缝结构的抗震分析又成为超长结构设计的另一个焦点。
4. 钢筋混凝土超长框架结构是允许带裂缝工作，应按混凝土开裂进行设计。在计算荷载与环境温度变化、不均匀沉降等变形因素共同作用时，必须考虑混凝土开裂引起结构刚度降低。因此，有必要对框架结构进行非线性分析计算，否则内力计算结果明显不合理。非线性分析时还需考虑材料非线性、加载历程及混凝土徐变等因素
时程分析方法可用于超长无缝结构的弹性和弹塑性抗震分析，并通过输入不同的激励点来考虑地震激励的行波效应、部分相干效应和局部效应等，但要注意地震波的选取，一般应尽量选取使特征周期与结构所在场地土的特征周期相接近的地震波。
二、 施工要点
1. 确保混凝土施工质量
混凝土施工质量对超长不设缝楼盖是否开裂十分重要。混凝土质量好 70m 长的混凝土结构也不会开裂( 不采取其它手段) , 混凝土质量不好30m 长也会裂得十分严重。确保混凝土质量的措施如减少水灰比、降低水泥用量、 保证砂、 石质量、 加强养护等等应在施工方案中详细、 重点描述。
2. 后浇带的留设
留设后浇带对减少混凝土收缩的影响十分重要。在正常施工条件下,后浇带间距 20~ 30m, 保留40~ 60 天。考虑到后浇带间距小会造成施工时间过长、 锚具使用过多,如果采用早期张拉部分预应力筋的方法,后浇带的间距可为50~ 80m。后浇带留的时间最好为两个月,不宜少于6 周,使得混凝土充分收缩之后再封后浇带, 以减少混凝土后期的收缩。
3. 混凝土添加剂的选择
应充分认识到混凝土早期膨胀大后期的收缩也大,混凝土更容易开裂。考虑结构强度安全, 膨胀不能太大,且在硬化14天基本结束。可选用膨胀率不大但后期收缩小的添加剂, 如无收缩混凝土。同时应注意添加剂的使用对混凝土养护的要求。
4. 楼盖混凝土浇筑的时间
温度应力对混凝土结构的影响主要是温度下降引起的混凝土开裂,温度提高对结构的影响较小。超长混凝土结构混凝土浇筑的时间以较冷的季节为好。
对超长混凝土结构的不设缝问题, 设计和施工是紧密相连、 不可分割的。设计时必须考虑施工过程中可能出现的问题, 如温差的确定必须考虑实际施工时混凝土浇捣的确切时间, 施工的分区必须满足设计计算的要求等等。配筋、 构造等应根据实际情况变化, 设计应考虑可以调整的幅度。工程实例表明,只要设计中全面考虑各种影响因素,施工中采取适当措施, 超长结构不设伸缩缝也不会有严重开裂问题。对于不同的超长结构, 可以根据具体情况,选择一种或一种以上的综合防裂措施。总之,完全依靠结构设计来解决混凝土的开裂是不够的,需要通过结构设计、 合理材料选用和科学施工方法等方面共同重视, 甚至需要建筑师的密切配合才能将超长混凝土结构的裂缝危害控制到最小程度。
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