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摘要：采用了ETABS（V9.2.0）对严寒地区某360m超长结构进行了温度应力分析，并采用等效温度当量法模拟混凝土收缩徐变，通过设置温度附加钢筋来抵抗温度作用及混凝土收缩徐变；同时，采取了多种有效的施工措施，最终基本解决了超长结构温度应力过大而导致混凝土开裂问题，实际应用效果良好，可为后续类似工程设计施工提供参考。
关键词：超长结构 ；抗裂设计； 收缩徐变
1. 工程概况
位于沈阳市青年大街的某超长购物中心地下4层，地上5层，局部6层，采用混凝土框架结构；整个平面造型形如橄榄，两端窄，中间宽，南北方向长约360m，东西方向宽约200m，结构整体ETABS模型如图1所示。为满足建筑师及业主的要求，在地下室部分未设置伸缩缝；而在地上部分设置1道伸缩缝，间距分别为140m、190m。按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）的要求，框架结构超过55m应设置伸缩缝，或采取其它可靠措施。
2. 非荷载作用
(1) 温度作用
施工阶段在南北、东西方向间距50-60m左右设置后浇带；同时在后浇带内部设置膨胀加强带。为减小温度应力，后浇带封闭时间限定在春、秋两季，结构封闭温度近似取为10℃。由于混凝土的热惰性，短时间内的温度变化并不会对结构产生影响，温差的取值主要由月平均温度，或更严格地由周平均温度控制。根据沈阳市中心气象台多年资料统计，周平均最低气温为-19℃。因此，设计时考虑10℃-（-19℃）=29℃的温差变化。
(2) 混凝土收缩徐变
混凝土收缩是一个长期的过程，其最终收缩量与其材料构成、构件尺寸、环境影响及施工养护等多方面因素有关。收缩徐变根据王铁梦的《工程结构裂缝控制》[1]中的公式进行计算，同时按文献[3]中提到的后浇带封闭前后两阶段受力进行计算。
设计时要求结构后浇带至少6个月之后才允许封闭，保守按6个月计算，因而结构整体收缩应变应扣除后浇带封闭之前的收缩量，即为：
ε(∞) - ε(180)= 3.18×10-4 - ε(∞)•(1-e-1.8)=5.3×10-5；
按混凝土的线膨胀系数1.0x10-5/℃，结构最终的整体收缩应变等效的温度当量为5.3℃。
3. 内力分析及结构设计
采用了ETABS V9.2.0结构分析软件进行了温差和收缩效应分析，并参考了文献[2]提到的荷载分项系数取值进行荷载组合和配筋设计，分项系数具体为：重力荷载的分项系数取为1.25，温差效应的分项系数取为1.2，组合系数取为0.8。分析时，采用壳单元模拟混凝土楼板和地下连续墙，杆单元模拟框架梁柱，同时偏于保守的假定结构嵌固于基础底板上，结构模型如图1所示。
图1 结构整体ETABS模型
(1). 框架柱的内力及配筋计算
根据模型计算结果，在温度荷载作用下内力最大的框架柱一般位于边角处或洞口周圈，其中角柱受到两个方向的水平剪力作用，受力最为不利。同时，根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）构造要求的配筋率进行了框架柱承载力校核，计算结果表明，无需增大框架柱的配筋来抵抗超长结构产生的附加温度作用。
(2). 地下室外墙的内力及配筋计算
由于南北方向长度约为360m，该区域温度作用下水平方向的拉应力较大，L1到B1层的应力约为3MPa，B1层到B4层的应力约为1.5MPa；而东西方向最大长度仅为200m，该区域温度作用下水平方向的拉应力相对较小，L1到B1层的应力大约在1.8MPa，B3到B4层的应力在1.5MPa以下。水平方向温度作用所需的附加配筋率见表1。
表1 地下室外墙由温差收缩产生水平方向轴向应力及附加配筋率统计。
水平方向最大受拉应力(MPa) 水平分布钢筋最小配筋率
区域A B4-B1 1.5 0.5%
B1-L1 3 1.0%
区域B B4-B3 1.5 0.5%
B3-B1 － 规范要求的0.25％
B1-L1 1.8 0.6%
(3). 框架梁内力及配筋对比
在温度作用下，框架梁会产生轴向拉应力，整体而言首层及地下一层轴向拉应力最大；而对每一楼层而言，在开洞位置处，框架梁的拉应力较其它位置大，首层框架梁的轴向拉应力如图2所示。由于温度作用下，框架梁内产生轴向拉应力，同时考虑便于施工，将附加钢筋放置在框架梁两侧，类似于腰筋放置。各层梁的最大轴向拉应力及附加配筋如表2所示。
表2 各层梁温差收缩轴向应力及附加配筋率统计
轴向拉应力MPa 额外全截面配筋率
四层最大处（以上各层参考四层） 0.15 0.05%
三层最大处 0.3 0.10%
二层轴向拉应力介于0.6MPa至1.2 MPa的梁 1.2 0.40%
二层轴向拉应力在0.6MPa以下的梁 0.6 0.20%
首层轴向拉应力介于2.0MPa至2.8 MPa的梁 2.8 0.93%
首层轴向拉应力在2.0MPa以下的梁 2.0 0.67%
地下一层轴向拉应力介于1.2MPa至1.8 MPa的梁 1.8 0.60%
地下一层轴向拉应力在1.2MPa以下的梁 1.2 0.40%
地下二层、地下三层轴向拉应力介于0.6MPa至1.2 MPa的梁 1.2 0.40%
地下二层、地下三层轴向拉应力在0.6MPa以下梁 0.6 0.20%
图2：首层框架梁温度作用下轴向应力图 图3： 首层楼板温度作用下主应力分布图
(4). 混凝土楼板应力及配筋对比
因受到地下室外墙的约束，首层混凝土楼板应力较大，绝大部分在2.5MPa左右，而在洞口边、核心筒周围、剪力墙转角处应力更大，最大接近3.3MPa，首层楼板主应力如图3所示。对于三层以上楼板，由于竖向构件尺寸较小，侧向约束较弱，楼板应力也相对较小，基本保持在0.54MPa以内（相当于φ6@250的附加钢筋）。各层楼板的附加钢筋如表所示。
表3 各层板温差收缩所需附加配筋率统计
楼层 位置 附加配筋率
三层以上 剪力墙及洞口周围 0.42%
其它区域 0.14%
二层 剪力墙及洞口周围 0.42%
其它区域 0.27%
首层 剪力墙及洞口周围 0.92%
其它区域 0.42%
地下室 剪力墻及洞口周围 0.5%
其它区域 0.33%
4. 施工措施
（1）后浇带及膨胀加强带设置
通过设置后浇带及膨胀加强带，一方面释放施工阶段的温度应力，另一方面较少收缩徐变的不利影响；后浇带间距为50~60m。后浇带与其两侧混凝土的浇筑时间差不低于6个月，以便释放由收缩徐变产生的应力。
(2) 混凝土配合比设计与养护
采用收缩小的水泥，减小水灰比和水泥浆用量，并在混凝土中加入适宜的外加剂，在合理范围内使用粗骨料，选用粒径较大、级配良好的粗骨料，掺加减水剂和粉煤灰，改善混凝土和易性，从而最大限度降低水化热；同时，注重混凝土浇筑后的保温和加水养护，提高养护质量，减少混凝土收缩变形，防止由此产生的有害裂缝。
(3) 掺加适量的优质抗裂剂
根据《超长地下室混凝土结构防裂技术规定》（SYGJ 2007-1）规定，选用河北同邦生产的抗裂剂。该抗裂剂先后应用于天津电视台、天津铜锣湾广场等多个超长混凝土结构，效果良好。抗裂剂的实际掺量根据混凝土试配结果进行调整，最终选定每立方米混凝土掺量定位36kg。
5. 实施效果
通过理论分析和配筋计算，结合现场采取的多种有效施工措施，该超长结构施工过程中尚未发现任何有害裂缝。截止目前，主体结构已施工完成，结构设计及施工达到了预期设计效果，但其经济性有待商榷。
参考文献:
[1]. 王铁梦. 工程结构裂缝控制. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2]. 徐培福，傅学怡，王翠坤，肖从真. 《复杂高层建筑结构设计》. 北京：中国建筑工业出版社，2005
[3]. 张玉明，孟少平，边广生. 考虑具体施工条件的超长混凝土结构温度应力计算. 建筑技术，2006（1）：64-66
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：超长结构 ；抗裂设计； 收缩徐变
1. 工程概况
位于沈阳市青年大街的某超长购物中心地下4层，地上5层，局部6层，采用混凝土框架结构；整个平面造型形如橄榄，两端窄，中间宽，南北方向长约360m，东西方向宽约200m，结构整体ETABS模型如图1所示。为满足建筑师及业主的要求，在地下室部分未设置伸缩缝；而在地上部分设置1道伸缩缝，间距分别为140m、190m。按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）的要求，框架结构超过55m应设置伸缩缝，或采取其它可靠措施。
2. 非荷载作用
(1) 温度作用
施工阶段在南北、东西方向间距50-60m左右设置后浇带；同时在后浇带内部设置膨胀加强带。为减小温度应力，后浇带封闭时间限定在春、秋两季，结构封闭温度近似取为10℃。由于混凝土的热惰性，短时间内的温度变化并不会对结构产生影响，温差的取值主要由月平均温度，或更严格地由周平均温度控制。根据沈阳市中心气象台多年资料统计，周平均最低气温为-19℃。因此，设计时考虑10℃-（-19℃）=29℃的温差变化。
(2) 混凝土收缩徐变
混凝土收缩是一个长期的过程，其最终收缩量与其材料构成、构件尺寸、环境影响及施工养护等多方面因素有关。收缩徐变根据王铁梦的《工程结构裂缝控制》[1]中的公式进行计算，同时按文献[3]中提到的后浇带封闭前后两阶段受力进行计算。
设计时要求结构后浇带至少6个月之后才允许封闭，保守按6个月计算，因而结构整体收缩应变应扣除后浇带封闭之前的收缩量，即为：
ε(∞) - ε(180)= 3.18×10-4 - ε(∞)•(1-e-1.8)=5.3×10-5；
按混凝土的线膨胀系数1.0x10-5/℃，结构最终的整体收缩应变等效的温度当量为5.3℃。
3. 内力分析及结构设计
采用了ETABS V9.2.0结构分析软件进行了温差和收缩效应分析，并参考了文献[2]提到的荷载分项系数取值进行荷载组合和配筋设计，分项系数具体为：重力荷载的分项系数取为1.25，温差效应的分项系数取为1.2，组合系数取为0.8。分析时，采用壳单元模拟混凝土楼板和地下连续墙，杆单元模拟框架梁柱，同时偏于保守的假定结构嵌固于基础底板上，结构模型如图1所示。
图1 结构整体ETABS模型
(1). 框架柱的内力及配筋计算
根据模型计算结果，在温度荷载作用下内力最大的框架柱一般位于边角处或洞口周圈，其中角柱受到两个方向的水平剪力作用，受力最为不利。同时，根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）构造要求的配筋率进行了框架柱承载力校核，计算结果表明，无需增大框架柱的配筋来抵抗超长结构产生的附加温度作用。
(2). 地下室外墙的内力及配筋计算
由于南北方向长度约为360m，该区域温度作用下水平方向的拉应力较大，L1到B1层的应力约为3MPa，B1层到B4层的应力约为1.5MPa；而东西方向最大长度仅为200m，该区域温度作用下水平方向的拉应力相对较小，L1到B1层的应力大约在1.8MPa，B3到B4层的应力在1.5MPa以下。水平方向温度作用所需的附加配筋率见表1。
表1 地下室外墙由温差收缩产生水平方向轴向应力及附加配筋率统计。
水平方向最大受拉应力(MPa) 水平分布钢筋最小配筋率
区域A B4-B1 1.5 0.5%
B1-L1 3 1.0%
区域B B4-B3 1.5 0.5%
B3-B1 － 规范要求的0.25％
B1-L1 1.8 0.6%
(3). 框架梁内力及配筋对比
在温度作用下，框架梁会产生轴向拉应力，整体而言首层及地下一层轴向拉应力最大；而对每一楼层而言，在开洞位置处，框架梁的拉应力较其它位置大，首层框架梁的轴向拉应力如图2所示。由于温度作用下，框架梁内产生轴向拉应力，同时考虑便于施工，将附加钢筋放置在框架梁两侧，类似于腰筋放置。各层梁的最大轴向拉应力及附加配筋如表2所示。
表2 各层梁温差收缩轴向应力及附加配筋率统计
轴向拉应力MPa 额外全截面配筋率
四层最大处（以上各层参考四层） 0.15 0.05%
三层最大处 0.3 0.10%
二层轴向拉应力介于0.6MPa至1.2 MPa的梁 1.2 0.40%
二层轴向拉应力在0.6MPa以下的梁 0.6 0.20%
首层轴向拉应力介于2.0MPa至2.8 MPa的梁 2.8 0.93%
首层轴向拉应力在2.0MPa以下的梁 2.0 0.67%
地下一层轴向拉应力介于1.2MPa至1.8 MPa的梁 1.8 0.60%
地下一层轴向拉应力在1.2MPa以下的梁 1.2 0.40%
地下二层、地下三层轴向拉应力介于0.6MPa至1.2 MPa的梁 1.2 0.40%
地下二层、地下三层轴向拉应力在0.6MPa以下梁 0.6 0.20%
图2：首层框架梁温度作用下轴向应力图 图3： 首层楼板温度作用下主应力分布图
(4). 混凝土楼板应力及配筋对比
因受到地下室外墙的约束，首层混凝土楼板应力较大，绝大部分在2.5MPa左右，而在洞口边、核心筒周围、剪力墙转角处应力更大，最大接近3.3MPa，首层楼板主应力如图3所示。对于三层以上楼板，由于竖向构件尺寸较小，侧向约束较弱，楼板应力也相对较小，基本保持在0.54MPa以内（相当于φ6@250的附加钢筋）。各层楼板的附加钢筋如表所示。
表3 各层板温差收缩所需附加配筋率统计
楼层 位置 附加配筋率
三层以上 剪力墙及洞口周围 0.42%
其它区域 0.14%
二层 剪力墙及洞口周围 0.42%
其它区域 0.27%
首层 剪力墙及洞口周围 0.92%
其它区域 0.42%
地下室 剪力墻及洞口周围 0.5%
其它区域 0.33%
4. 施工措施
（1）后浇带及膨胀加强带设置
通过设置后浇带及膨胀加强带，一方面释放施工阶段的温度应力，另一方面较少收缩徐变的不利影响；后浇带间距为50~60m。后浇带与其两侧混凝土的浇筑时间差不低于6个月，以便释放由收缩徐变产生的应力。
(2) 混凝土配合比设计与养护
采用收缩小的水泥，减小水灰比和水泥浆用量，并在混凝土中加入适宜的外加剂，在合理范围内使用粗骨料，选用粒径较大、级配良好的粗骨料，掺加减水剂和粉煤灰，改善混凝土和易性，从而最大限度降低水化热；同时，注重混凝土浇筑后的保温和加水养护，提高养护质量，减少混凝土收缩变形，防止由此产生的有害裂缝。
(3) 掺加适量的优质抗裂剂
根据《超长地下室混凝土结构防裂技术规定》（SYGJ 2007-1）规定，选用河北同邦生产的抗裂剂。该抗裂剂先后应用于天津电视台、天津铜锣湾广场等多个超长混凝土结构，效果良好。抗裂剂的实际掺量根据混凝土试配结果进行调整，最终选定每立方米混凝土掺量定位36kg。
5. 实施效果
通过理论分析和配筋计算，结合现场采取的多种有效施工措施，该超长结构施工过程中尚未发现任何有害裂缝。截止目前，主体结构已施工完成，结构设计及施工达到了预期设计效果，但其经济性有待商榷。
参考文献:
[1]. 王铁梦. 工程结构裂缝控制. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2]. 徐培福，傅学怡，王翠坤，肖从真. 《复杂高层建筑结构设计》. 北京：中国建筑工业出版社，2005
[3]. 张玉明，孟少平，边广生. 考虑具体施工条件的超长混凝土结构温度应力计算. 建筑技术，2006（1）：64-66
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。