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1、高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集 高性能混凝土在超长大跨托换结构中的应用 顾渭建1周淑玲 1 前言 高性能混凝土是具有高质量和高耐久性的混凝土，其应具备四个方面的特征：即高强 度、高耐久性、高体积稳定性和高工艺性。 混凝土强度对结构来说是最基本的性能要求。对强度等级要求多高，则应根据结构的 需要而定，满足安全、经济、实用、美观的要求。高强度的含义不仅指混凝土的强度等级， 还应扩展为混凝土的强度质量。混凝土的强度质量除混凝土的强度等级外，还应包括强度 的分散性要小，混凝土的韧性要好，后期强度增长要稳定，也不要用超强度来满足混凝土 强度的设计等级。 耐久性好的混凝土必须是密实性好、抗渗性
2、好、抗碳化能力强、抗腐蚀能力强。满足 结构使用性能的各种要求。从使用年限来说，应大于结构设计基准期5 0 年的要求。混凝土 的体积稳定性直接影响结构的受力性能，严重者会影响结构的安全。 混凝土的体积稳定性可分成三类，一类是混凝土在凝结过程中发生的体积变形，总称 为收缩变形；另一类是混凝土在承受荷载后发生的体积变形，如弹性变形、徐变变形等： 还有一类是混凝土在温度作用下的体积变形，称为温度变形。收缩变形是混凝土的一种固 有特性，不均匀收缩会使混凝土产生内应力，产生裂缝，降低混凝土强度和耐久性。减小 收缩主要应从减少用水量、减少水泥浆用量、提高混凝土的密实性解决。徐变是混凝土的 另一个重要特性。即
3、混凝土在一个定值荷载作用下，产生随时间增长变形增加的现象称为 徐变，徐变变形会改变结构中的内力，有时产生对结构不利的变形，影响结构的安全。减 少徐变的主要办法有：提高混凝土的强度，降低混凝土的使用应力，减少混凝土中的水泥 浆含量，不要过早使混凝土承受使用荷载等。弹性变形是所有结构材料共有的特性，混凝 土在受力后产生的弹性变形比较大。要使弹性变形小，就是提高混凝土的弹性模量。混凝 土的弹性模量仅为钢材的I 8 I 6 ，提高混凝土弹性模量的办法有：提高混凝土的强度， l 顾渭建，男，1 9 6 1 3 出生，工学硕士，高工，国家一级注册结构工程师 - 2 6 8 高强与高性能混凝土及其应用专题研
4、讨会论文集 采用弹性模量高的集料，改善混凝土的级配，提高混凝土密实度。混凝土的温度变形分两 类，一类是和一般结构材料一样，在承受温度变形时，由于材料热胀冷缩的物理现象发生 胀缩，所产生的热胀冷缩变形如受到约束时，结构中产生内应力，使结构产生裂缝，甚至 破坏。另一类是混凝土在水化过程中，由于混凝土的体积较大，内部和外部的温差较大， 产生内应力而产生裂缝。所以对大体积混凝土，受温度影响比较敏感的结构，旌工中必须 谨慎从事，防止温度对建筑物的破坏作用。 混凝土的工艺性包括对拌和、运输、浇灌、振实等各道操作工序的要求，在施工过程 中不产生离析、质量稳定、施工完成后的混凝土密实、匀质、平整、表面光洁。
5、超长无缝建筑设计是指建筑物的长度超过规范规定的设置温度伸缩缝或防震缝的最大 长度，而不设置任何形式的永久缝的结构设计。对建筑物实施超长无缝设计可以满足建筑 物的使用功能和整个建筑立面的连续性与装饰风格的要求；可以克服设置变形缝可能带来 的变形跟踪性、耐久性、耐火性、水密性、施工性和维修性等方面产生的问题和引起的建 筑物的缺陷：采用超长结构无缝设计还可以避免变形缝之间的结构单元因刚心与质心不重 合而引起的超过规范规定值要求的扭转破坏效应；同时，可以避免给机电专业( 风、水、 电) 的管线布置带来的困难，使其灵活布线，不受水平和竖向位置的影响：最后，为放宽 现行规范中有关钢筋混凝土结构伸缩缝最大间
6、距的限值和今后修订规范的有关条款提供有 参考价值的工程理论分析和行之有效的各项设计与技术措施。 超长建筑无缝漫计是突破现有规范有关规定的超限行为，在此基础上，为了实现建筑 专业在使用功能上的大空间的要求，需对建筑物中部地面以上多层竖向构件进行托换，这 将给超长结构的裂缝控制和建筑物的变形控制带来许多不利影响。此时，防止超长建筑开 裂的特殊处理手段和有针对性的工程质量保证措施就显得尤为重要，其目的是要保证超长 托换建筑不会产生任何形式的不利于建筑物正常使用的有害裂缝，保证建筑结构的安全。 通过高性能混凝土技术和预应力技术的充分应用，可以有效的保证超长建筑预应力双向托 换结构的安全和受力合理，并能
7、在设计使用期内发挥应有的作用。 2 工程概况 水利电力科学研究院科研综合楼工程位于北京市海淀区复兴路甲一号，由A 、B 、C 、D 四座单体组成。是以办公科研教育用房为主，含有少量商业服务、客房的综合性建筑。其 中A 座工程结构型式为底部带托换层的钢筋混凝土框架一剪力墙体系，基础型式为梁板式筏 形基础。地下三层，地上十二层，局部九层：地面部分长7 5 6 m ，宽4 2 0 m ，檐口标高4 4 7 m ( 见图2 - 1 ，图2 - 2 ) ，总建筑面积为5 2 8 2 8 m 2 ，人防部分建筑面积为5 0 1 4 m 2 ，位于地下三层。 战时为6 级物资库，平时功能为机械式立体停车库。
8、该工程安全等级为二级，设计使用年 限为5 0 年，建筑耐火等级为一级；抗震设防烈度为8 。，设计地震分组为第一组，设计基 本地震加速度值为0 2 0 9 ，抗震设防类别为丙类，框架按二级抗震等级设计，框支框架及剪 力墙按一级抗震等级设计。该工程基础持力层部分为砾岩，部分为粘土岩，其地基承载力 2 6 9 - 高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集 标准值为f k a = 3 0 0 k P a 。该建筑场地土类型为中硬场地土，场地类别为I I 类。地基基础设计 等级为乙级，基础梁按三级抗震等级设计。 图2 一lA 座托换层平面图 图2 - 2 A 座剖面图 3 超长托换结构的系统分析 3
9、1 超长托换结构体系选择 托换结构构件主要可采用梁、桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑、厚板等六种基本形 式。根据本工程的具体情况，对各种托换形式进行了分析比较。 2 7 0 高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集 梁式托换形式设计计算方法和具体构造做法技术比较成熟，而且已有许多成功的实例。 在采用梁式托换时，应尽量做到框支梁直接承托上部的框架柱，不出现二次托换为佳。但 由于层高有限，使得梁式托换结构的托换跨度受到一定的限制。 箱形托换形式可以利用楼层之间的有限厚度的楼板和托换梁的组合达到一种相对较大 刚度和承载力的托换结构。在箱形梁腹板中可以选择适当位置开设管道和人员通行孔洞， 以充分利用空
10、间。箱形梁上下翼板( 楼板) 厚度应根据楼板厚度和荷载情况综合确定，根 据受压和受拉面的不同，厚度可以有所区别。 厚板托换适用于低烈度区和托换层上部、下部的竖向构件轴线对应关系无序的情况下。 但由于厚板形成刚度极大的刚性层，在它的上、下部结构竖向刚度突变，易形成薄弱层， 相连的柱和墙也容易出现塑性铰，因此一般不宣采用。 桁架和空腹桁架的托换形式，由于构件连接的构造比较复杂，旆工相对困难，加之托 换层内部空间的使用不便，所以不宜采用。 斜撑对于本工程不适用，故没有考虑这种方案的可行性。 表3 1 结构自振周期表 振型号 123456789 双向扭周期1 1 0 5 01 0 2 1 30 9 9
11、 6 70 2 8 7 30 2 6 7 30 2 5 7 70 1 4 5 00 1 3 3 60 1 2 8 3 转藕联扭转系数0 4 6O 4 90 0 40 5 70 3 60 0 7O 4 20 4 30 1 5 偶然偏周期1 1 0 4 91 0 1 2 30 9 9 5 9 0 2 8 6 70 2 6 4 60 2 5 7 0 0 1 4 5 00 1 3 2 9 0 1 2 8 1 心影响扭转系数O 4 6O 4 90 0 40 5 6O 3 70 0 60 4 20 4 40 1 5 表3 2 结构基底剪力、剪重比和倾覆弯矩 结构效应基底剪力( )剪重比( )基底倾覆弯矩(
12、 k N - m ) 双向扭X 方向 3 6 9 4 93 8 01 4 6 8 3 5 6 转藕联 Y 方向 3 2 4 6 33 3 41 2 5 7 7 2 7 偶然偏X 方向 3 6 9 3 23 8 01 4 6 7 9 1 8 心影响 Y 方向 3 2 0 4 03 3 01 2 4 0 6 4 6 注：建筑物总重W = 9 7 8 5 6 9 k N 表3 3 结构最大位移 最大层间位移 结构效应 U ( 咖) u | h 位置 双向扭X 方向2 2 91 1 5 7 0 第1 0 层 转藕联 Y 方向 2 8 31 1 2 7 2 2 7 1 高强与高性能混凝土及其应用专题研讨
13、会论文集 偶然偏x 方向 2 4 5 1 1 4 7 1第1 0 从 心影响 Y 方向 3 2 7 1 1 1 0 2第9 层 经过分析，为了与整栋建筑物的结构体系相协调，同时，考虑到建筑物实施超长结构 无缝设计的特殊性，本工程最后选择了广义的预应力双向箱形梁结构托换形式，箱形粱的 上翼板厚取2 5 0 r a m ，下翼板厚取2 0 0 m m ，井式梁的梁高取4 5 0 0 m m 。结构的整体计算结果见表 3 1 、表3 2 和表3 3 。计算结果显示：考虑双向地震力扭转藕联时的地震效应( 基底剪力 和倾覆弯矩) 要比考虑偶然偏心影响时略大些；而结构的最大层间位移则相反，考虑偶然 偏心影
14、响时比考虑双向地震力扭转藕联时的位移要大些。同一栋建筑采用不同的计算模式 进行分析，其最大的力学性态并不会在单一计算模式中出现，而是会交叉出现。 3 2 预应力双向框支托换梁的结构设计 根据高层建筑混凝土结构技术规程( J G J3 - 2 0 0 2 ) 中有关框支梁的基本规定，本工 程的双向井式托换梁采用了有粘结预应力结构形式，并按预应力度名= 0 5 5 来配置普通钢 筋。梁的计算截面尺寸为b x h = 7 0 0 m m M 4 5 0 0 衄，梁的跨度为L = 2 5 2 0 0 m m ，各种内力计算和承 载力计算结果见表3 4 和表3 5 ，配置6 x 1 2 由S 1 5 2
15、 4 的有粘结预应力钢绞线，钢绞线强度 标准值为1 8 6 0 M p a ，强度设计值为1 3 2 0 M p a ，张拉控制应力为0 7 5 f p t k ( 1 3 7 5 M p a ) ，预应力损 失为2 5 ：按二次抛物线y = a x 2 布置，反弯点在0 1 5 L 处。梁的裂缝宽度的计算结果见表 3 6 ，支座和跨中的裂缝宽度均小于规范要求的0 2 衄，托换梁的抗裂度满足混凝土结构设 计规范的要求。 表3 4 框架梁内力计算结构 内容弯矩设计值( k N m )弯矩标准值( k N - m )备注 M L M R M m M L M RM m 内力值 9 8 7 99 8
16、3 32 4 5 4 6 恒载 2 5 0 0 02 5 0 1 34 7 1 1 5 1 0 6 01 0 6 04 0 4 8 活载 表3 5 框架梁承载力计算结构 力答 赠 M 预( k N m )M 普( k N m ) 非预应力配筋配筋率( ) 支座 2 4 1 2 02 1 5 4 43 0 由2 5 ( H R B 4 0 0 )1 1 3 跨中4 2 5 7 83 3 6 3 03 0 巾3 2 ( H R B 4 0 0 )1 4 6 2 7 2 高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集 表3 6 框架梁裂缝宽度计算结果 在正常使用荷载作用下梁的挠度值为f = 8 1 6 m m ，在预应力等效荷载作用下梁的反 拱厶= 2 6 5 r a m ，粱的最终挠度值为厂= 8 1 6 2 2 6 5 = 2 8 6 m m ，f z , = 2
