超长结构温度缝的底部分缝方法

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摘要：

本文针对超长体形建筑和超大复杂结构随季节性温差和昼夜温差产生较大温度作用, 提出一种下部部分楼层分缝而上部楼层连接的解决方案, 针对超长结构的内力与变形分析了底部分缝的原理, 并分别分析了不同分缝方案的优点与缺点，给出了结构参数中比较敏感的参数，从而给设计提供了有效的理论依据。

关键词：温度作用 超长复杂结构 温度缝 底部分缝

中图分类号：O551.2 文献标识码： A

一、前言

对于超长结构和大型复杂结构, 温度作用分为平均结构整体温变和结构构件内外或者上下温度差，主要的温度作用是由水平构件轴向变形产生的整体温度内力，如果结构刚度对称，竖向构件的温度变形只是对整体竖向位移有影响，则不会产生结构内力，结构不对称的情况下，竖向构件的整体温变产生的内力也极为有限。为了解决整体温变, 在工程中一般通过设置伸缩缝解决。但这种贯穿全高的分缝人为地将结构分割成几个部分, 影响了建筑的立面效果及使用功能, 增加了结构处理的难度, 削弱了结构的整体性，对于地震作用以及其他荷载的抵抗作用都有所减少。为此, 根据超长结构温度作用的特点, 提出仅在结构底部若干层设缝的方法, 在不影响使用功能及结构整体性的前提下, 能大幅度减小整体温度作用。

二、整体温度作用的特点

对于超长或者超大复杂的结构, 一般可认为上部结构在大气中温度均匀, 而基础部分受大地恒温影响, 保持恒温不变, 因此可作如下假定: 1) 上部结构温度随外界温度变化而变化, 且均匀分布; 2) 基础部分温度保持恒定。

结构在升温10度情况下的温度应力、内力和变形如图1所示( 降温时结构的变形和内力则与其相反) 。

从图中可看出温度内力特点:

底层内力最大，顶层位移最大;

中间轴力最大，端部弯矩最大;

水平梁中间表现为轴向拉压力, 端部梁柱表现为弯剪力;

温度内力随楼层的增加急剧减小, 在层3,4以上即减为几乎零;

结构越长, 温度内力越大, 长度增加时最大温度内力近似线性增加;

高度为1 层的结构温度作用最大;

结构纵向抗侧刚度越大, 温度内力越大。

三、底部分缝方法

底部分缝方法有：双柱体系、牛腿体系、悬挑体系、单层底部分缝法的分缝体系、底部多层连续分缝、底部多层间断分缝、多层底部分缝法的分缝体系

针对上述内力分布的特点, 可在温度内力最大的底部将结构分开, 而上部受力较小的部位仍然整体连接。

分缝的技术总体规划:

根据结构长度、结构侧向刚度, 在结构中间底部设置一道或数道温度伸缩缝;

确保1层楼盖分缝断开, 并视可能性及结构长度的大小, 延伸至2、3层甚至更高;

分缝处的楼板、楼面梁均须断开, 并且分缝需满足温度伸缩变形的要求。

减小楼盖刚度在实际操作中是无法实现的,因为楼盖的平面内的刚度几乎等于无穷大，如果考虑后期装修的刚度，楼面的平面内的刚度就更大了，所以想通过减小楼板平面内刚度的 作用很小; 结构侧向刚度由于抗风、抗震需要也不能无限制减小。因此, 对超长复杂结构有效的处理措施是设置温度缝。

弯剪构件的抗侧刚度基本上可以表示为:

………………( 1)

式中系数:

与上下节点的连接状态有关;

为截面刚度, 仅与截面形状有关;

H是构件长度

由式( 1) 可知抗侧刚度与构件长度的平方成反比。而在变形一定的情况下, 内力与刚度成正比, 也就是说, 如果增大底层层高, 则由温度变形产生的内力将急剧减小。

采用本文底部分缝的方法后, 底部分缝结构的温度变形为图5所示的。当被断开的底部两层在温度作用下产生变形时, 如图5所示, 由于楼盖长度减小一半, 其端部绝对伸长量也相应减小一半。上部未断开的三个楼层在温度作用下的变形, , 虽然其端部绝对伸长量仍为D0, 但由于抗侧结构的高度由H增加到3H , 由式(1) 可知, 在柱截面刚度不变的情况下其抗侧刚度降低到原来的1/ 9, 变形内力远较1层变形为时产生的内力小。很明显, 这种变形产生的内力小于底部未分缝结构产生的温度内力。

在底部产生变形内力, 底部分缝结构的温度内力会稍大于全高分缝的结构, 但增大的幅度不会太大, 具体值与结构形式有关。

在结构的常规尺寸下，分缝与不分缝、各种不同形式的分缝产生的效果进行对比。

首先，我们分析分缝与不分缝两组结构的各项结构指标的对比：

结构为对称结构，结构尺寸如所示，构件尺寸：梁尺寸为700mm*300mm，柱子尺寸为600mm*600mm，混凝土为C40，温度升高10度。

由以上图表分析，底部分缝前后，楼顶的位移几乎没有变化，因为楼顶的位移主要是由顶层梁的轴向形变产生的，由于顶楼的量没有分缝，所以位移不会有很多变化。但是底部梁柱的内力都小了很多，从20%到40%之间，这个对结构设计技术指标（特别是配筋上）可以减少很多（如：钢筋用量），对减少工程造价非常有利。

（2）双柱体系、牛腿体系和悬挑体系

分析双柱体系、牛腿体系和悬挑体系，主要是连接形式不一样

从上面图表可以看出，几种分缝方式对于结构体系的各项技术指标影响都不是很大，几乎相差都在1%以内，对于结构设计来说，1%的误差完全可以忽略不计，但是从结构其他效应（自重等）来说，应该是双柱或者牛腿体系应该比较好，悬挑体系自重的负弯矩很大，不合适。

（3）多层连续分缝和间断分缝体系

我们比较一下底部多层连续分缝和间断分缝体系中结构各种技术指标的相对关系。

从以上图表可以看出，底部多层连续分缝还是比间断分缝在结构设计的一些关键技术指标上有一些明显的优势。内力和应力都可以减小10%以上，特别是应力峰值，控制配筋设计的，对减小配筋还是有优势的。

（4）底部分缝和全部分缝

我们分析一下底部分缝和常规的全部分缝的方式的对比。

四、底部分缝的优点

从建筑角度看, 采用底部分缝的方法仅影响底部数层楼层, 且因分缝方式灵活, 不需满足抗震缝要求,对建筑功能及立面处理影响均有限。设计可利用中庭、楼面狭窄部位设缝, 将设缝的不利影响降到最小。

对结构而言, 分缝仅涉及底部几个楼层, 且截断的仅是水平构件, 抗侧刚度没有削弱, 结构整体性并未受到影响, 静动力分析时可以作为一个整体进行计算。在进行竖向重力荷载、风荷载、地震作用计算时, 如果不考虑在这些作用下的楼盖平面内的弹性变形, 对底部分缝楼层仍采用刚性楼层假定, 其计算结果与底部采用多片刚性楼面相差微乎其微。

分缝方式灵活是底部分缝方法的突出优点。底部分缝不必满足抗震缝的构造要求, 只要满足楼盖在分缝位置的自由伸缩变形, 并可靠承受竖向荷载即可, 因此设置极为灵活。