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笔者在此结合某学校田径场超长屋面不设伸缩缝的设计,从理论上分析温度收缩应力的产生及其影响,并对相应的构造措施提出讨论。
一、工程概况
某学校田径场是一幢底层架空、屋面为露天田径场的综合性体育建筑。该建筑底层南面架空7m,北面架空为4.6 m,设有室内短跑跑道、篮球场、乒乓球、体操活动场及学生课外活动场等。架空层屋面为300 m环形跑道和足球场。该建筑总长130 m,总宽55 m,总建筑面积5858m2。建筑功能要求不能设置伸缩缝。
二、温度收缩应力的产生及影响
在建筑工程中,新浇灌的砼在结硬过程中会收缩,已建成的结构当温度变化时会产生热胀冷缩。当这两种变形受到约束时,就会在结构内部产生“强制应力”,也就是收缩应力或温度应力(应力值δ=ε×E,式中,ε为收缩应变或温度应变,E为砼弹性模量)。其中砼的收缩变形是水泥凝胶体本身的体积收缩即所谓凝缩和砼失水产生的体积收缩即所谓干缩这两部分组成的。变形是由于其体积在温差下具有热胀冷缩的性质而产生的。当建筑物的长度越长时,影响因素包括水泥用量、砼的强度等级、骨料和级配、水灰比及养护条件等。楼板等纵向连结构件由于收缩和温度变化引起的长度改变就越大,如果这些纵向连接构件的收缩变形受到竖向构件(柱、墙)的约束,就会在砼结构内产生收缩拉应力,约束越强则产生的收缩拉应力越大,当其达到砼的极限抗拉强度时,就会导致砼结构的开裂,影响结构物的正常使用。因此现行规范规定“现浇钢筋砼框架结构伸缩缝最大间距在室内55 m,露天为35 m”,但是规范也规定“有充分依据和可靠措施时,伸缩缝最大间距可适当增大。”这就为本工程不设置伸缩缝提供了可行的设计依据。
三、构造措施
本工程在控制结构裂缝的设计过程中,采取“抗放兼施”的方法,使结构即不产生很大的变位,又不产生很大的应力,确保承载力的极限状态,又满足使用极限状态。
“抗”的原则即所选用的结构材料具有足够的抗拉强度和极限拉伸,超过最大约束应力和最大约束拉伸变形(R≥δmax,ε≥εmax),使其中在任意长度不设伸缩缝时亦不开裂。如采用专门的预加应力措施,通过预压应变的建立以压抗拉,达到控制砼收缩。
“放”的原则即给结构创造自由变形式的条件(ε=εmax,δ=0),使其在任意长度,任意温差下不产生约束应力。如采用设置后浇带分段施工。
1.设置后浇带
本工程长度为130 m,以间距约30 m设置了三道后浇带,后浇带形状为齿状,后浇带宽0.8 m,将130 m长的屋面结构分割成四块,保证后浇带两侧的砼能相对自由收缩,由于早期收缩量占收缩变形的大部分,后浇带保留时间为60天,在此其间,“早期温差”以及至少有30%的收缩都已完成。同时后浇带浇筑砼时的气温与主体结构砼浇灌时的温度接近。
2.预应力钢筋的应用
考虑长向温度收缩应力的作用,对于长向(130 m)的梁、板采用布置无粘结预应力筋的措施,具体为次梁、中框架梁、边框架梁分别布置2、3、4束无粘结预应力筋(对称梁中和轴布置),板内每隔750 mm设置3束无粘结预应力筋,利用预应力钢筋对混凝土产生的预应力抵消该方向的温度收缩应力,所有预应力钢筋束延伸过后浇带进行张拉与锚固。
3.采用补偿收缩砼
本工程超长屋面采用补偿收缩砼,在砼中掺入10%水泥用量的U型膨胀剂(UEA),UEA在水化过程中生成大量的膨胀结晶物(钙钒石)不断填充孔隙,制成密实、收缩小而又产生适度膨胀的砼,受到相邻钢筋及边界约束时,能在砼中建立0.02～0.05%的预压应变,相应的预压应力可达0.2～0.7MPa,从而有效抵消收缩产生的拉应力,从而使砼处于拉而不裂的应变下。在UEA补偿收缩砼的应用时注意了以下几点:(1)严格控制设计配合比,由实验室试配确定。(2)UEA补偿收缩砼由于U型膨胀剂的掺入,使其坍落度有所损失,(初)终凝时间提前约两小时,施工时应注意振捣密实,保证砼质量、减小收缩。(3)加强砼的养护工作,作到保温保湿,确保砼硬化过程中收缩较小,避开失水收缩与温降峰值重叠。同时在后浇带掺入12%U型膨胀剂,形成后浇带处大两侧小的膨胀应力曲线,以补偿相应集中的收缩应力。
4.钢筋混凝土材料的选用
(1)钢筋。由于混凝土材料结构是非均质的,承受拉力作用时,将产生应力集中点,当应力达到抗拉强度极限时,引起局部塑性变形。适当配筋将约束混凝土的塑性变形,分担砼的内应力,推迟砼裂缝的出现,即提高了砼的极限拉伸和结构的抗裂性。相反,由于钢筋没有收缩的性质,当混凝土收缩时它将对砼的收缩产生阻碍作用,从而使钢筋受到牵制压应力,使砼受到牵制拉应力,截面配筋率越大,这种牵制拉应力就越大,当截面中配筋过多时,甚至使砼受拉开裂。本工程屋面层板厚150 mm,板筋设计为双层双向配φ10@150,配筋率为0.35%,从而起到有效控制裂缝的作用。
(2)混凝土。由于混凝土应力值δ=ε×E,混凝土强度等级越高,弹性模量E越大,应变ε保持不变,应力值即拉应力越大,易产生裂缝。考虑到本工程短向为24 m跨预应力框架梁结构体系,混凝土强度等级不宜小于C30,故本工程屋面层混凝土强度采用C35。同时严格控制砼原材料的质量和技术标准,粗细骨料的含泥量尽量减少(小于1%);控制砼的水灰比,应在满足强度要求及泵送工艺要求条件小尽可能降低(建议掺入减水剂);尽量减少水泥用量,以降低混凝土的绝热温升,从而减少混凝土浇筑后的里外温差。
5.混凝土的浇筑与养护措施
(1)施工阶段,屋面层砼按后浇带分成四大块浇筑,每块采用推移式连续浇筑。后浇带也采用分块浇筑。
(2)屋面层砼应在温度较低时浇筑,气温低有利于克服大量水化热对建筑造成的不利影响。同时避免雨中浇灌混凝土,因为含水量越高,表现为水泥浆量越大,坍落度大,收缩越大。
(3)在混凝土浇筑过程中,及时清除混凝土表面的泌水。
(4)砼浇筑完后,及时进行保温养护,采取塑料薄膜、草袋遮盖措施,以减少内外温差,在防水隔热层施工之前不得拆取遮盖物,同时浇水养护期限不得少于15天。保温遮盖物的拆除亦应分层逐步进行。
(5)在保温养护过程中保持混凝土表面的湿润,并做好防风措施。
(6)尽量延长砼的养护时间,待砼达到设计强度后,再拆除模板。
6.加强屋面保温隔热措施
本工程设计尽量使围护结构外包主体结构,屋面运动场由于有种植草皮,加上防水层、塑胶层,厚度达30cm～40cm,对建筑物的保温隔热有良好的效果,适当降低了内部结构的温差,以减小结构温度变形。
四、考虑温度变化和混凝土收缩对结构的其他影响
因为温度变化和混凝土收缩这类间接作用引起的变形和位移对于超静定混凝土结构可能引起很大的约束应力,不仅导致结构构件开裂,甚至结构的受力形态会发生变化。因此该工程的温度应力由省建科院协助采用有限元SAP程序进行详细的分析计算,并采取提高结构两端梁、柱配筋率等构造措施。
本工程现已竣工,投入使用中效果良好。
(作者单位:福建省福州市拆迁工程处)
一、工程概况
某学校田径场是一幢底层架空、屋面为露天田径场的综合性体育建筑。该建筑底层南面架空7m,北面架空为4.6 m,设有室内短跑跑道、篮球场、乒乓球、体操活动场及学生课外活动场等。架空层屋面为300 m环形跑道和足球场。该建筑总长130 m,总宽55 m,总建筑面积5858m2。建筑功能要求不能设置伸缩缝。
二、温度收缩应力的产生及影响
在建筑工程中,新浇灌的砼在结硬过程中会收缩,已建成的结构当温度变化时会产生热胀冷缩。当这两种变形受到约束时,就会在结构内部产生“强制应力”,也就是收缩应力或温度应力(应力值δ=ε×E,式中,ε为收缩应变或温度应变,E为砼弹性模量)。其中砼的收缩变形是水泥凝胶体本身的体积收缩即所谓凝缩和砼失水产生的体积收缩即所谓干缩这两部分组成的。变形是由于其体积在温差下具有热胀冷缩的性质而产生的。当建筑物的长度越长时,影响因素包括水泥用量、砼的强度等级、骨料和级配、水灰比及养护条件等。楼板等纵向连结构件由于收缩和温度变化引起的长度改变就越大,如果这些纵向连接构件的收缩变形受到竖向构件(柱、墙)的约束,就会在砼结构内产生收缩拉应力,约束越强则产生的收缩拉应力越大,当其达到砼的极限抗拉强度时,就会导致砼结构的开裂,影响结构物的正常使用。因此现行规范规定“现浇钢筋砼框架结构伸缩缝最大间距在室内55 m,露天为35 m”,但是规范也规定“有充分依据和可靠措施时,伸缩缝最大间距可适当增大。”这就为本工程不设置伸缩缝提供了可行的设计依据。
三、构造措施
本工程在控制结构裂缝的设计过程中,采取“抗放兼施”的方法,使结构即不产生很大的变位,又不产生很大的应力,确保承载力的极限状态,又满足使用极限状态。
“抗”的原则即所选用的结构材料具有足够的抗拉强度和极限拉伸,超过最大约束应力和最大约束拉伸变形(R≥δmax,ε≥εmax),使其中在任意长度不设伸缩缝时亦不开裂。如采用专门的预加应力措施,通过预压应变的建立以压抗拉,达到控制砼收缩。
“放”的原则即给结构创造自由变形式的条件(ε=εmax,δ=0),使其在任意长度,任意温差下不产生约束应力。如采用设置后浇带分段施工。
1.设置后浇带
本工程长度为130 m,以间距约30 m设置了三道后浇带,后浇带形状为齿状,后浇带宽0.8 m,将130 m长的屋面结构分割成四块,保证后浇带两侧的砼能相对自由收缩,由于早期收缩量占收缩变形的大部分,后浇带保留时间为60天,在此其间,“早期温差”以及至少有30%的收缩都已完成。同时后浇带浇筑砼时的气温与主体结构砼浇灌时的温度接近。
2.预应力钢筋的应用
考虑长向温度收缩应力的作用,对于长向(130 m)的梁、板采用布置无粘结预应力筋的措施,具体为次梁、中框架梁、边框架梁分别布置2、3、4束无粘结预应力筋(对称梁中和轴布置),板内每隔750 mm设置3束无粘结预应力筋,利用预应力钢筋对混凝土产生的预应力抵消该方向的温度收缩应力,所有预应力钢筋束延伸过后浇带进行张拉与锚固。
3.采用补偿收缩砼
本工程超长屋面采用补偿收缩砼,在砼中掺入10%水泥用量的U型膨胀剂(UEA),UEA在水化过程中生成大量的膨胀结晶物(钙钒石)不断填充孔隙,制成密实、收缩小而又产生适度膨胀的砼,受到相邻钢筋及边界约束时,能在砼中建立0.02～0.05%的预压应变,相应的预压应力可达0.2～0.7MPa,从而有效抵消收缩产生的拉应力,从而使砼处于拉而不裂的应变下。在UEA补偿收缩砼的应用时注意了以下几点:(1)严格控制设计配合比,由实验室试配确定。(2)UEA补偿收缩砼由于U型膨胀剂的掺入,使其坍落度有所损失,(初)终凝时间提前约两小时,施工时应注意振捣密实,保证砼质量、减小收缩。(3)加强砼的养护工作,作到保温保湿,确保砼硬化过程中收缩较小,避开失水收缩与温降峰值重叠。同时在后浇带掺入12%U型膨胀剂,形成后浇带处大两侧小的膨胀应力曲线,以补偿相应集中的收缩应力。
4.钢筋混凝土材料的选用
(1)钢筋。由于混凝土材料结构是非均质的,承受拉力作用时,将产生应力集中点,当应力达到抗拉强度极限时,引起局部塑性变形。适当配筋将约束混凝土的塑性变形,分担砼的内应力,推迟砼裂缝的出现,即提高了砼的极限拉伸和结构的抗裂性。相反,由于钢筋没有收缩的性质,当混凝土收缩时它将对砼的收缩产生阻碍作用,从而使钢筋受到牵制压应力,使砼受到牵制拉应力,截面配筋率越大,这种牵制拉应力就越大,当截面中配筋过多时,甚至使砼受拉开裂。本工程屋面层板厚150 mm,板筋设计为双层双向配φ10@150,配筋率为0.35%,从而起到有效控制裂缝的作用。
(2)混凝土。由于混凝土应力值δ=ε×E,混凝土强度等级越高,弹性模量E越大,应变ε保持不变,应力值即拉应力越大,易产生裂缝。考虑到本工程短向为24 m跨预应力框架梁结构体系,混凝土强度等级不宜小于C30,故本工程屋面层混凝土强度采用C35。同时严格控制砼原材料的质量和技术标准,粗细骨料的含泥量尽量减少(小于1%);控制砼的水灰比,应在满足强度要求及泵送工艺要求条件小尽可能降低(建议掺入减水剂);尽量减少水泥用量,以降低混凝土的绝热温升,从而减少混凝土浇筑后的里外温差。
5.混凝土的浇筑与养护措施
(1)施工阶段,屋面层砼按后浇带分成四大块浇筑,每块采用推移式连续浇筑。后浇带也采用分块浇筑。
(2)屋面层砼应在温度较低时浇筑,气温低有利于克服大量水化热对建筑造成的不利影响。同时避免雨中浇灌混凝土,因为含水量越高,表现为水泥浆量越大,坍落度大,收缩越大。
(3)在混凝土浇筑过程中,及时清除混凝土表面的泌水。
(4)砼浇筑完后,及时进行保温养护,采取塑料薄膜、草袋遮盖措施,以减少内外温差,在防水隔热层施工之前不得拆取遮盖物,同时浇水养护期限不得少于15天。保温遮盖物的拆除亦应分层逐步进行。
(5)在保温养护过程中保持混凝土表面的湿润,并做好防风措施。
(6)尽量延长砼的养护时间,待砼达到设计强度后,再拆除模板。
6.加强屋面保温隔热措施
本工程设计尽量使围护结构外包主体结构,屋面运动场由于有种植草皮,加上防水层、塑胶层,厚度达30cm～40cm,对建筑物的保温隔热有良好的效果,适当降低了内部结构的温差,以减小结构温度变形。
四、考虑温度变化和混凝土收缩对结构的其他影响
因为温度变化和混凝土收缩这类间接作用引起的变形和位移对于超静定混凝土结构可能引起很大的约束应力,不仅导致结构构件开裂,甚至结构的受力形态会发生变化。因此该工程的温度应力由省建科院协助采用有限元SAP程序进行详细的分析计算,并采取提高结构两端梁、柱配筋率等构造措施。
本工程现已竣工,投入使用中效果良好。
(作者单位:福建省福州市拆迁工程处)