搜索
关于海军总医院医疗大楼超长结构方案及构造做法的初步设计一、工程概述海军总医院医疗大楼拟建于海军总医院用地的东北角位置，以病房和手术室为主要功能，并设有急诊、体检、ICU及检验科和血库等。工程采用全现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构，地下3层，地上部分裙房为3层，主楼为12层，总高50米。结构全长120米，宽度地下为51米，地上裙房部分宽45.8米，自地上3层起为39.8米。结构平面布置如下图所示：地下平面标准层平面规范（JGJ3-2002）在4.3.12条中对伸缩缝最大间距做出了细致的规定，同时也规定了在有充分依据或可靠措施时可以适当加大伸缩缝间距。这就为本工程采用其他措施来取代伸缩缝，满足建筑专业的设计要求提供了支持。本文将以规范为基础，结合一些基本的理论和工程构造做法对超长结构不设缝进行分析和方案的设计。二、超长结构变形及裂缝分析1.超长结构的变形与裂缝结构设置伸缩缝的主要目的是为了消除或是减少结构因为形变而产生的裂缝。结构由于温度、收缩和膨胀以及不均匀沉降等因素都会引起裂缝。裂缝的产生是由于上述因素造成了结构的变形，变形在得不到到满足时就会引起应力的产生，应力与结构的刚度大小密切相关，而当应力超过一定数值时裂缝就出现了。在裂缝出现之后，变形得到部分满足，同时结构刚度下降，应力发生松弛，裂缝继续发展，直到应力得到平衡。可见，伸缩缝的目的是为了控制裂缝，裂缝的产生是由于应力的不平衡，而最终原因是因为混凝土产生了变形。如果能够通过其他的方法来控制结构的变形和应力，就可以达到控制裂缝的最终目的。以下的方案设计正是以此为指导进行的。2.混凝土的变形分析既然一切都是变形引起的，那么先来总结和分析一下混凝土的变形。混凝土的变形从形成因素来说可以分为自生收缩、干湿变形、温度变形以及在荷载作用下的变形。所谓自生收缩也就是化学收缩，是由于水泥水化生成物的体积小于反应前物质的总体积，而使混凝土收缩，这种收缩于外界的温湿度无关。其收缩量是随混凝土硬化龄期的延长而增加的，大致与时间的对数成正比，一般在混凝土成型后四十多天内增长较快，以后就渐趋稳定。虽然自生收缩是不能恢复的，但是收缩值比较小，而且自生收缩可能是正的变形，也可能是负的变形（膨胀）。采用适当的混凝土添加剂可以有效地控制自生收缩。干缩变形的原因是由于混凝土内部吸附水分蒸发而引起凝胶体失水产生紧缩，以及毛细管水分蒸发而使混凝土系统内的颗粒受到毛细管压力作用而产生的体积收缩。干湿变形取决于周围环境的湿度变化。在一般条件下混凝土的极限收缩值为50～90x10-5mm/mm左右。混凝土的干燥收缩不能完全恢复，通常情况下，残余收缩约为收缩量的30～60％，收缩与水泥品种、水泥用量和用水量有关。混凝土中的骨料对收缩有一定的抵抗作用，在水中养护或是在潮湿条件下养护也可以大大减少混凝土的收缩。混凝土的干湿变形量很小，一般无破坏作用。但干缩变形对混凝土危害较大，干缩能使混凝土表面产生较大的拉应力而导致开裂，降低混凝土的抗渗、抗冻、抗侵蚀等耐久性能。由上可知，减少水泥用量，砂、石骨料尽量清洗干净，采用振捣器捣固和加强养护等方法都可以减少混凝土的收缩量。在一般工程设计中，通常采用混凝土的线收缩值为15～20x10-5，即每米收缩0.15～0.2mm。温度变形顾名思义是由温度变化引起的变形。混凝土与其他材料一样，也具有热胀冷缩的性质。混凝土的温度膨胀系数约为10x10-6，即温度升高1℃，每m膨胀0.01mm。温度变形对大体积混凝土及大面积混凝土工程极为不利。对于超长混凝土结构来说，由于温度变形产生的应力对于结构有很多大的影响。随着温度的变化，混凝土构件产生额外的内部应力，应力影响在边柱、中部梁、剪力墙以及刚度较大的构件处更加显著。温度变形随着季节有着周期性变化的特性，与施工时环境温度，季节温差变化幅度，建筑保温措施有着密切的关系。随着远离地基基础的约束面，温度内力迅速衰减，在计算时可以将高层建筑结构简化为两层来计算，即假定高于二层的结构呈自由变形。顶层楼板由于受到太阳辐射而温度应力增加，但是同样可以简化为顶部两层进行计算。荷载作用下的变形就是混凝土由于荷载作用产生的变形，分为长期的徐变和短期的弹塑性变形两部分。关于结构构件在短期荷载作用下所产生的弹塑性变形以及由此引发的结构裂缝在结构构件的计算过程中以有考虑，并根据规范要求进行了相关的验算，这里不在赘述。由于混凝土收缩和季节温差都是长期作用，因此在超长结构的变形分析中不应忽视徐变的作用。关于混凝土的徐变，一般认为是由于水泥石凝胶体在长期荷载作用下的粘性流动，并向毛细孔中移动的结果。徐变和很多因素有关，例如水泥品种、标号、细度以及混凝土的骨料、水灰比等，养护的时间和环境等也会对徐变产生影响。考虑到影响徐变和收缩变形的因素是相同的，因此将徐变和收缩变形共同考虑。三、针对变形问题的结构设计方案及构造做法从上面的分析不难看出，混凝土的自生收缩和干缩基本在混凝土施工的过程中产生，持续的周期比较短。虽然会引起结构在局部开裂，但总体来说这两种变形的幅度较小，产生的应力也较小。温度变形持续时间长，并随着季节温度起伏有着周期性的变化。温度变形能够产生较大的应力，形成结构裂缝；同时温度变形会引起混凝土结构的徐变，造成应力松弛等情况，对结构产生不良的影响。因此，如何避免和控制温度变形就成为超长结构裂缝控制的关键之处。1.建筑保温方案介绍既然温度变形是有温度变化引起的，那么控制温度的变化就可以控制变形。采取良好的保温隔热措施，如屋面设架空层，屋面保温隔热层和外围护墙选用保温隔热性能好的材料等，可以减弱温度的变化，从而减少温度变形。2.结构设计方案针对结构变形的特点和形成原因，在结构方案的设计过程中，考虑同时采用多种方法来替代结构变形缝，从方案布置入手，采用“抗”与“放”相结合的方式，解决结构变形、应力和裂缝的问题。2.1虽然应力是裂缝产生的直接原因，但是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。因此在结构布置上应改尽量在较长的方向上保持对称，便于两端构件以中部为对称轴相对容易的收缩。剪力墙等刚度较大的构件尽量布置在中间，布置在两端时应尽量避免连续布置，以免造成应力和变形过于集中。同时，在布置主要承重框架时考虑以短方向为主要承重方向，这样避免了将主要受力构件布置在受温度应力影响最大的方向。2.2后浇带是目前解决变形问题比较常用的做法之一，也是“放”的主要方式。设置后浇带的主要目的是释放由于混凝土收缩所产生的变形，但是后浇带只对混凝土浇筑早期起作用。而在使用阶段，由于外界温度的变化，后浇带不起任何作用。后浇带的位置一般设在温度应力较大的部位和靠近剪力墙处（因为该处受到的外部约束较大）。关于后浇带浇筑的时间，为了使混凝土收缩充分释放掉，时间越长越好，规范规定后浇带混凝土宜在两个月后浇筑。本工程后浇带布置如下图所示：地下部分标准层部分其中横向布置的是沉降后浇带，而垂直于它的是温度后浇带。一般混凝土在浇筑后24～30小时达到最高温度，此时水化热温差最大，10～30天降至周围温度，此期间混凝土产生15％～25％的收缩。此后的3～6个月里，混凝土收缩完成60％～80％，一年左右，混凝土收缩完成95％。因此，后浇带浇筑时，混凝土应已经完成30％以上的收缩变形。后浇带一般采用高一级膨胀混凝土浇筑，这样可以避免后浇混凝土与原有混凝土的交界处出现收缩裂缝。后浇带处的钢筋采用搭接接头的方式，是为了避免混凝土收缩时造成钢筋拉紧，产生额外的拉应力，拉应力会使钢筋提前屈服而影响结构的安全性。2.3为了减少甚至避免混凝土后期的收缩变形造成的裂缝以及在季节温度变化中产生的裂缝，在结构中考虑使用温度钢筋来抵抗温度应力，控制裂缝。在综合考虑各方因素后决定采用预应力技术作为控制温度变形的措施。施加预应力可以在混凝土中建立有效地压应力，有效地控制超长混凝土结构的温度裂缝。预应力筋张拉首先从中间进行，然后将两边的预应力筋向中间靠，使得边柱的变形较小、保证预应力的建立。在考虑后浇带的留设、预应力筋的分段等因素后，混凝土浇捣5～10天即可张拉部分预应力筋，以防混凝土28天强度到达之前的开裂。2.4在温度变化和混凝土收缩作用下，边柱柱顶产生最大的位移，并产生附加的弯矩。同时中部横梁的轴力也有所增加，越靠近中部的梁轴力增加越大。因此，根据计算结果对梁柱采取了加强措施，特别是边柱和中部横梁，按计算结果加强了配筋。3.施工技术要求及构造措施鉴于混凝土的温度变形和徐变与混凝土的类别、混凝土各种指标、施工措施、以及养护有着密切的关系，施工方案的组织与实施这一环节的重要性也就不言而喻了。通过对于材料的选择和设计、技术指标的控制，不仅可以达到设计环节的最终目标，更可以通过一些额外的措施达到更好的裂缝控制效果。另外，本工程预计施工期为秋季及来年春季，施工期间温度适中，施工与使用阶段的温度差较小，也有利于温度裂缝的控制。首先在水泥的选择上应选用水化热较低的普通硅酸盐水泥，在保证强度前提下，掺入适量粉煤灰，既增加和易性，又降低水化热。其次在混凝土性能指标上要注意两点。一是要严格控制混凝土原材料的质量，特别是骨料的含泥量控制在1%以下。二是现在商品混凝土应用较为广泛，虽然强度有保证，但由于水灰比大，流动性大，混凝土体积收缩增大而导致裂缝产生的情况也时有发生。因此在施工阶段应采取措施，控制商品混凝土的水灰比，C30混凝土水灰比宜控制在0.4，从而大大减少了混凝土的干缩。最后就是混凝土施工工艺的控制。浇灌振捣时间适量延长，提高混凝土密实度，从而提高混凝土的抗裂性能；混凝土的养护是非常重要的环节。混凝土浇捣完毕后，浇水养护时间不得少于14昼夜，并注意覆盖措施。平均气温低于5℃时，不得浇水，应采取保温措施。混凝土拆模时间要掌握好，必须保证养护的时间，拆模后混凝土表面的温度下降不应超过15℃。施工过程中应加强管理，确保施工质量。四、小结现在我国大型公共建筑在数量和规模上都得到飞速发展，建筑师对于混凝土结构不设缝的长度要求也越来越高。对于从事结构设计的工程师来说，应不断加强对于规范的理解和对基础理论的学习、研究。对于复杂结构的设计应该综合考虑各种因素，首先从合理的进行结构布置开始，注重充分的计算与分析，最终作出合理的设计并采取相应的构造措施。只有不放松对于任何一个环节的思考和设计，才能跟上结构发展的趋势，不断突破，做出可靠、合理、经济的设计。