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1、超长建筑及地下室结构设计要点杭州市建筑设计研究院有限公司 朱龙祥【提 要】：本文对超长建筑结构在砼正常使用情况下的收缩和温度应变进行了计算分析；对超长建筑地下室后浇带或设缝间距和砼正常使用情况下的应力进行分析计算，为设计提供 较简洁的分析方法。并结合工程设计实际经验，例举了应用砼膨胀剂等外加剂获得超长建筑 无缝设计成功的案例，总结了超长结构设计应注意的设计要点；对砼后浇带、膨胀加强带的 措施进行了归纳。【关键词】 超长建筑 超长地下室 结构计算 无缝设计 设计要点一、引 言 随着我国全面向小康社会迈进,建筑业也进新一轮稳步的发展阶段；房屋建筑的形式更 趋复杂和多样化，建筑面积和体量也越做越大，
2、出现了许多超过规范规定的超长建筑。超长 建筑给建筑结构设计、施工等都提出了技术难题，如何解决好，是我们技术人员面临巨大的挑战，已成为当前工程界迫切需要解决的重大技术问题。 为了解决这个问题，上个世纪90年代中期开始各大设计研究机构进行了多种研究和尝试 并取得了较多的成功，各项措施应用取得较满意的效果。为了便于推广,我在此作一些归纳总结。二、结构计算与分析 由于砼并非是一种理想的均质材料,所以砼的收缩的因素是很多的,主要有砼自身材料强度与 含钢量、施工及养护条件、使用情况与环境等有关，假设砼建筑长度为149m, 普通砼的极限收缩率庠(11.5X10-4),计算如下： L1=1=149x103x
3、(1-1.5)x10-4=14.9022.35mm =Es.2t.u=2x105x5.4x10-4x0.03%=0.324mpa 在温度0100范围内时砼线膨胀系数 =1x10-5,t=30时L2=149x10.3x30x1x10-5=44.70mm L=L1L2=22.3567.05mm 看来在超长砼结构在开始时的砼收缩和温度应变都是很大的,当然如果考虑砼收缩的非线性 和温度的内外梯度变化，总收缩量可以打一定的折扣，但对一般的建筑而言还是无法克服的 ，所以必须采取措施来弥补砼的收缩和温度应力。近年来砼进步的一大标志是外加剂的发展 ，特别是膨胀剂的广泛采用，使超长结构设计变成可能，接下来进行一
4、些理论计算,在采用 添加膨胀剂后，砼膨胀量在期龄14天时。 L=149x103x46x10-4=68.54mm 在空气中期龄28天时，=2.4x10-4 L=149x103x2.4x10-4=35.76mm 基本满足要求 根据以上初步计算可以看出加入膨胀剂等外加剂，可以补偿砼收缩和温度应力引起的应变，或者让砼产生膨胀应力缓解和克服砼收缩及徐变和温度应力引起收缩。 根据工程结构裂缝控制1和超长地下室砼结构裂缝控制设计2中的计算公式进行地下室砼内应力计算和设置缝后浇带(或缝）的长度计算可得： H底板或墙的计算厚度或高度； E(t)时间t(d)时砼的弹性模量； H(t, )相当于经由t羰奔涞挠沙谙凳
5、 2(t)=r2(t)实验测得的微膨胀砼限制膨涨胀率,r为系数； Cx地基水平阻力系数,风化岩低强度等级,素砼取60100x10-2N/mm3； Tmax=T*K1*K2*K3*K4=36x1.13x1.2x1.3x1.0 =63.46 其中 525水泥 k1=1.13, 普通硅酸盐水泥取k2=1.2, 水泥用量修正系数k3=W/275=360/275=1.3,模板修正系数k4=1.0。2(t)=24x10-5,r=0.9 E(t)=2.15x104N/mm2,=1.0x10-5, =1.746x10-4,H=500mm, =1.12x10-4, H(,t)=0.233, 一般侧墙比底板薄,温
6、度差计算很小, Lmax 应比底板大。通过计算可以看到一般地下室设后 浇带或缝的间距是4050米，如果是桩基础间距取小值，对天然筏板基础取大值，当然另外 还要综合其他因素决定后浇带的间距。 正常使用阶段下的应力计算 2(t)=6x10-5，r=0.9 T=28-4=24 侧墙 H=300350,Cx=2x10-2N/mm2,E(t)=3.0x104; 底板 H=500600，Cx=1x10-2 N/mm2,E(t)=3.0x104; =(Cx/HE(t)=(0.02/(350x30000) =4.364x10-5 /2=4.364x10-5x149x103/2=3.256 一般底板的温度变化比
7、侧墙要小,假设外界温差为20 =(Cx/HE(t)=(0.01/(500x30000) =8.165x10-5 /2=8.165x10-5x149x103/2=6.081 通过计算可以看到只要所得的拉应力(或最大约束应变)结构材料的抗拉强度(极限拉伸)就可以保证结构不会开裂,任意长度的无缝工程也可以实现;一般超长地下室在正常使用阶段是 能够满足要求的。主要还是解决施工阶段的问题；对于上部结构由于温差变化较大，对超长 结构应分别处理；下面结合工程实例进行分析。 三、工程设计实例1浦江人民医院迁建工程是浙江省重点工程,有门诊综合楼，病房楼,医技楼等组成总建筑面积约5.5万，门诊楼地下一层,地上五层
8、,建筑长149.88m、宽41.2m,地下为商场、汽车库，整块做成地下室,上部每层都有变化,一层为门诊、急诊入口大厅，两侧设有开畅的庭院绿化 ，二、三、四层有不同的开口和收进；因此上变化较为复杂。针对此布局，我们设计时，采取了地下室不设缝连成整体，地上部分在两侧变化大处设伸缩缝的做法。根据计算和现场试验测定地下室砼膨胀剂TEA掺量为12%等量替代胶凝材料，设两条后浇带膨胀剂掺量为15%等量替代胶凝材料，平面布置见图1。 病房楼地下一层,地上六层,建筑长149.20m、最宽29.4m,地下室为设备用房、自行车库,上部由于一、二、三层都有变化,平面布置不规则；对此我们设计时，采取了地下室不设缝连成
9、 整体，地上部分在两侧变化大处设伸缩缝的做法。根据计算和现场试验测定地下室砼膨胀剂 TEA掺量为10%等量替代胶凝材料，设两条后浇带膨胀剂掺量为15%等量替代胶凝材料，在两 端中间增设砼膨胀加强带，平面布置见图2。医技楼三层，建筑长90m，宽28.5m，楼梯电梯等交通在中部两侧对称平面布置较规则，因此采用设砼膨胀加强带不设缝的处理方法，在楼层梁板砼内掺膨胀剂8%等量替代胶凝材料，砼膨胀加强带膨胀剂掺量为15%等量替代胶凝材料，平面布置见图3；此工程2002年设计施工,于2004年建成并投入使用；施工和使用中并没发现裂缝的问题，效果良好。 2富阳骨伤科医院迁建工程有门诊综合楼，病房楼,医技楼等规
10、模和建筑体量长度与浦江县人民医院相近，我们也采用了相同的结构设计方法，也取得了成功。 3.杭州和美房地产开发有限公司开发的倾城之恋住宅区总建筑面积约30万m,有17幢高层 住宅组成，地下室连成一片东西长约350m，南北宽约262m,建筑面积约7万m, 平面布置见图4；地下室属超长结构，必须采取有效措施来解决收缩、温度应力、不均匀沉降等问题。所以根据地质情况及上部荷载情况，主楼区采用高强度预应力管桩直径为500mm和600mm桩进入持力层6#圆砾层0.6m,桩长约38m;车库部分采用抗拔桩进入持力层2#粉土层桩长约7m， 来减小两者间沉降差；在砼中掺8%膨胀剂和在主楼间每隔40米左右设后浇带，在
11、其间距大于50m时加设膨胀加强带，来解决伸缩和温度应力的不利影响。后浇带在主楼结顶沉降基本稳定后浇筑。本地下室施工已经完成，施工和使用中并未发现裂缝的问题，效果良好。四、工程设计要点 1.抗与放的裂缝控制原则 在超长结构工程设计中,根据温度应力与长度非线性关系,应用“抗与放”原则,采用超长结 构有条件地连续浇筑;在许多工作情况下,我们更适合采用“抗放兼施”的方法,使结构既不 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。这一原则与一方面提高结构的抗力，另一方面降低外来的作用力原则是一致的；可以看到只要材 料的强度超过最大约束应力R螵ax或结构材料的极限拉伸大于最
12、大约束拉变形濯 p濯ax就可以保证结构不会开裂,任意长度的无缝工程也可以实现;如无缝路面、无 缝厂房，无缝设备基础等。 图1 图2 具体地讲： 根据砼的特性，在早期设后浇带（或膨胀带），使砼的早期收缩和应力得到自由的释放，在砼收缩相对稳定后再用膨胀砼连接起来，同时对于超长结构添加外加剂（膨胀剂、纤维等） 改善砼抗裂性能，增加砼的配筋量等措施，确保结构处于裂缝控制范围内。2合理的结构布置和设计 1）合理的平面和立面设计，平面布置规则整齐,避免截面的突变，立面体形无特变从而减少约束应力, 可采用“抗”的方法进行无缝设计,否则采用“放”的方法即设置伸缩缝； 2)合理布置分布钢筋，尽量采用小直径、密间
13、距；在受力、应变大的和变截面处加强分布钢 筋； 3)避免用高强砼，尽可能选用中低强度砼,采用60天或90天强度；在砼中掺入812%的膨胀 剂(可等量替代胶凝材料),或添加其他有效的外加剂； 4)采用滑动层来减小基础的约束。 3施工方面 用保温隔热法对砼进行养护；控制砼的降温速度；用草袋和塑料薄膜进行保温和保湿；用后浇带减小温度收缩。 4后浇带设计要点 1） 后浇带的设置在砼收缩应力发生的最大部位，一般设于长度方向的中间位置，或间距是4.050米，根据平面布置结构受力等进行布置，另外还要综合其他因素决定后浇带的间距。图3图4图5图6 2）后浇带的宽度对约束拉力笥忻飨缘挠跋欤矶仍酱螅蝮越小。因此，
14、只要条件允许应将后浇带宽度尽量取得大些,一般取8001200mm。 3）后浇带的位置设置在结构受力最小处，一般布置在跨度的1/3处，将地梁腹纵向钢筋和 梁顶钢筋尽量截断（因为这些钢筋可以进行搭接或焊接处理），只保留梁底钢筋连续贯通， 以使拉力减少至最低。(其他梁则相反)。 4)后浇带砼的设计强度应比相邻的非加强带砼提高5MPa,从而提高后浇带砼的抗拉强度，并且提高其膨胀剂掺量，一般提高到1215%从而提高最易开裂部位的砼膨胀率，消除该部 位砼的拉应力，避免砼开裂。做法详见插图5 5膨胀加强带设计要点 1）膨胀加强带要求设置在砼收缩应力发生的最大部位，一般设于长度方向的中间位置间距是4050米，根据平面布置结构受力等一般布置在房屋的中间或在后浇带间距大于50米时 的中间。 2）膨胀加强带砼的设计强度应比相邻的非膨胀加强带砼提高5MPa,从而提高膨胀加强带砼 的抗拉强度，并且提高其膨胀剂掺量，一般提高到1215%从而提高最易开裂部位的砼膨胀率，消除该部位砼的拉应力，避免砼开裂 3）膨胀加强带的做法：膨胀加强带宽2m左右，带的两侧布置5网格15X15mm钢丝网，将带内砼与带外分隔开；膨胀加强带内增设1015%水平温度钢筋，并均匀布置在上下层钢 筋上，两端各伸出膨胀带LaE,并固定在上下层(
