孙天荣

由于我国城市化发展建设历程的推进，大众对公共建筑设施的舒适性和功能性要求越来越高，因此，一些大型的公共设施正逐渐向超长、超高和大空间方向发展。与此同时，超长建筑物的出现给结构的设计和施工带来了一系列问题，由于超长混凝土结构内部自身收缩，以及在水泥水化热的作用下，结构产生了较大的温度应力，容易引起构件表面不均匀变化，使结构内部应力和应变更加复杂，产生不同程度的开裂，影响结构的承载力和安全性能，因此对设计和施工也提出了更高要求。

处于环境中的混凝土构件，由于气温的变化，使得混凝土内外产生了温差，形成温度应力，常常会使结构产生裂缝，从而降低结构的抗裂性和稳定性。在大尺寸混凝土构件中，水泥硬化前期放出大量的热，而混凝土同一方向传热较慢，使构件不同位置产生较大温差，在表面形成拉应力；后期混凝土由于体积膨胀受到基础或原结构的阻碍约束，表面也会产生拉应力；同时，结构内外温差和复杂多变的周围环境也会使混凝土产生很大的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗裂强度时，混凝土表面会出现开裂，拉应力得到释放，构件强度降低。因此掌握混凝土结构的温度应力变化规律，了解结构温度应力形成的原理和特性，并采取适当措施有效避免，对大尺寸混凝土结构的合理设计和施工意义重大。

一、工程概况

某国铁站厅站房总建筑面积为49964.8m2。主体结构为四层，高35m，候车室由东、西站房和高架候车室组成。

该站房地上、地下均为两层，其中地上二层为候车层，地面层为站台层，地下一层为广场层，地下二层为出站层，地面上两层之间设有办公和商业夹层，具体楼层关系见图1虚线范围区域。

图1 楼层关系图

站厅层位于地上二层，主要功能是为旅客提供候车场所，站厅层总长226m，宽122～137m，混凝土结构不设施工缝，强度为C35，图2为站厅层平面图。

图2 站厅层平面图

选取该站厅层为主要分析对象建立模型，采用SAP有限元软件进行模拟，分析该层双向超长结构的温度应力。

二、建模计算及结果分析

1.温度荷载确定

根据气象局提供的该项目地区气温数据，可以得到：

根据图3确定温度计算的基本参数取值如下表所示，其中正常工作情况为有暖气或空调，非正常情况为无暖气无空调。

表1 计算温度基本参数取值

图3 气温变化图

据相关资料分析，混凝土结构终凝温度取值范围一般为10～30℃，应结合不同地区和具体工程实际选取。

温度荷载的确定需要考虑众多因素，包括混凝土收缩、季节温差、温度骤变和日落后夜间形成的内高外低的温差；考虑混凝土徐变、覆土影响，并对开裂后构件进行刚度折减，对温度荷载进行适当折减；最后通过线性分布法模拟，得到构件计算温度。主要的温度荷载取值方法如下：

（1）混凝土收缩计算

混凝土温差自由应变为

式中：α为混凝土线膨胀系数，α=10-5/℃；

假定结构后浇带为两个月，结合该工程设计和施工实际情况，假定混凝土已完成大部分收缩变形，根据文献分析，混凝土收缩当量可用等效温差值表示，后期结构残余变形为5.0×10-5，由此

（2）季节温差

季节性温差由于温度变化呈现出周期性、反复性的发展规律，秋冬尤其明显。在计算时，可采用正常使用时结构中面计算温度T中与混凝土达到终凝时的温度T凝两者之差来表示：

施工过程中，混凝土结构通过自身热胀冷缩作用也会产生温度应力，计算时可通过混凝土收缩等效温差与季节温差相叠加。

（3）温度骤变

温度骤变会使结构内部和外部之间产生温度差，且温度差会随时间交替变化，假定该项目地区夏季最高气温平均值为39.0℃，冬季最低气温平均值为-11.0℃。

（4）昼夜温差

混凝土由于昼夜更替形成温度梯度，并随时间呈周期性变化，产生内高外低间歇性时间段温差。

表2 主要的温度荷载工况

综上：在最不利工况下，确定站厅层楼板温度为-8.25℃。

2.模型建立及结果分析

对站房整体建模，对结构进行有限元计算，模拟分析各温度荷载工况下模型结构内力和截面应力，图4为SAP建立的温度应力荷载分析模型。

图4 SAP温度应力荷载分析模型

通过SAP有限元分析，得到温度荷载工况下结构的板面应力如图5所示（只显示站厅层部分）。

图5 站厅层楼板温度应力（MPa）

图5为楼板不同荷载工况下温度应力计算图示。如图5所示，板面应力分布均匀、连续变化，靠近框架柱（约束大）应力较大，而在周边应力较小。

从图5可以得出，框架柱附近处的应力较大，在楼层边缘处的温度应力较框架柱的小。原因是框架柱的整体刚度大，楼板降温收缩受到原混凝土的约束较大，拉应力也较大；相反，相对竖向构件而言，边梁的侧向刚度要弱许多，原因是楼层周边只有边梁对楼板有约束作用。

楼板产生的温度应力稳定在0.3 MPa左右，在框架柱附近，消峰后极限应力约为2.5 MPa。由此可见，温度荷载产生的拉应力与混凝土抗拉强度已比较接近，若不采取措施，如加强配置温度应力钢筋等，混凝土表面会出现开裂，影响结构的外观和使用性能。

3.温度钢筋配置

根据文献资料及专家意见得，温度荷载计算结果应当与其它荷载组合分开计算，所得配筋结果可等效为增量钢筋附加到原有抗弯设计的钢筋量中。

普遍区域：

站厅层楼板：σ=0.3 MPa，取1 m板宽计算，轴向拉力：

N＝0.3×1000×150＝45 kN

单层单向增加配筋面积：

As＝N/fy/2=45000/360/2=62.5 mm2

本工程可在施工图阶段一层楼板普遍区域配置温度钢筋双层双向8@300 mm。

框架柱边：σ=2.5 MPa，按照一层楼板计算方法，可以得到单层单向增加配筋520 mm2，配置温度钢筋双层双向10@150mm。

三、减少温度应力措施

根据模型分析结果，为了减轻温度应力对混凝土结构内力和截面应力的影响，有效控制裂缝的发展，可以通过控制温度条件和改进构件约束条件实现。

1.控制温度措施

（1）改善材料品质和骨料级配，采用符合要求的连续粒级或较大粒度的骨料级配，避免单一粒级。可选用干硬性混凝土减少水泥产生的水化热，混合料掺适量外加剂减少水泥用量，控制结构表面和内部由于温差产生的拉应力。

（2）控制混凝土的拌和温度，如采用直接通入冷水，或加入冷却的碎石等方法。

（3）制定严密的施工组织计划，确定混凝土构件脱模时间，加强养护，采取保温隔热措施，有效防止温度骤变，减少恶劣环境产生的温度应力。

（4）热天对外围结构隔热，保证良好的散热条件，减少浇筑厚度，在寒冷季节采取保温措施。

（5）选择适当的结构长度和分层厚度，施工中暴露的混凝土浇筑块表面，增加散热面积。

2.改进约束条件措施

（1）在结构上尽量减少应力集中的布置，合理分缝分块，变超静定结构为自由变形结构，以减少约束应力；

（2）避免基础起伏过大；

（3）设计时可局部断开或开洞减少约束，超长混凝土板解除部分不必要的约束，或通过其他构件处理方式释放约束，减少温度应力。

此外，为提高混凝土的结构强度，改善混凝土抗裂性能，应当正确认识温度应力产生的原因，并根据不同原因采取相应措施。可以添加具有抗裂特性的纤维，适量提高配筋率，采用预应力构件等途径提高混凝土的抗裂性能等。抗裂纤维是经过特殊工艺技术生产而成的单丝粗纤维，外形轮廓分明，表面有粗糙的螺纹状，具有混凝土抗裂特性，如钢纤维或者聚丙乙烯纤维等。可以很大程度提高混凝土的抗渗、抗裂和抗冲击性能，有效抑制混凝土及水泥砂浆早期的收缩裂缝和沉降裂缝，延长超长工程的服役周期，缩减工程维修和加固的成本。

四、结语

本文综合考虑影响大型混凝土结构温度荷载的不同因素，通过某超长站房温度应力分析实例，在夏季和冬季正常情况和施工阶段分别分析结构的温度应力作用。结果表明，采用文中采用的温度应力分析方法，可以较准确地给出国铁站房超长结构由于温度变化导致的结构内力和截面应力，根据模型分析结构提出减少温度应力的措施，可以为施工图的设计起到显著的指导作用。