巨型购物广场建筑新突破：超长结构无缝设计解析

随着社会经济的增长，近年来出现了许多大型的商业购物中心。而由于建筑使用功能的需要，越来越多的建筑物采用超长结构。即结构不设缝长度超过国家现行规范规定设缝的最大间距。

《混凝土规范》5.3.6条指出：“当结构所处坏境的温度和湿度发生变化，以及混凝土的收缩和徐变等因素在结构中产生的作用效应可能危及结构的安全或正常使用时，应进行专门的结构分析。”《混凝土规范》在第9.1.1条中规定了钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距，并在9.1.3条中指出：“当增大伸缩缝间距时，尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。”这是因为温度变化和混凝土收缩这类间接作用引起的变形和位移对于超静定混凝土结构可能引起很大的约束力，导致结构构件开裂，甚至使结构的受力形态发生变化。

工程实例为某大型购物广场工程。

1 工程概况

该购物广场工程位于广东省某市城区内，为一层地下室平台上的三塔建筑。南边为两栋地下一层地上20层的商住公寓，北边为一栋地下一层地上4层的购物广场。此次研究的对象为北边4层的购物广场。

该购物广场地上部分总建筑面积为41883.44m²，平面形状为162m×64.8m的矩形形状，见图1。柱网尺寸为8.1m×8.1m，屋面标高为22.650m。本建筑采用框架结构体系，并通过在电梯井处设置剪力墙形成少墙框架结构。典型框架梁截面为300x800和300x600，次梁截面为250x600，楼板厚度为120mm。结构嵌固端为地下室顶板，本地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，基本风压为0.35kN/m²。由于本建筑为人流密集的大型的多层商场，所以根据建筑工程抗震设防分类标准GB50223-2008，本建筑抗震设防类别应划为重点设防类（乙类），应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。综上，本工程框架和抗震墙的抗震等级均为三级。

由于建筑使用功能的需要，对该结构做不设温度缝的设计。

2 温度应力分析

2.1 温度场的建立

温度场与建筑结构所处的温度坏境有关，不仅受坏境最高温度、最低温度的影响，而且还与温度场建立的温度有关。根据《建筑结构荷载规范》均匀温度作用的标准值应按下列规

图1二层结构平面布置图

定确定：

对结构最大温升的工况，均匀温度作用标准值按下式计算：

△T_K=T_s,max- T_0,min

式中：△T_K——均匀温度作用标准值(℃)；

T_s,max——结构最高平均温度(℃)；

T_0,min——结构最低初始平均温度(℃)。

对结构最大温降的工况，均匀温度作用标准值按下式计算：

△T_K=T_s,min- T_0,max

式中：T_s,min——结构最高平均温度(℃)；

T_0,max——结构最低初始平均温度(℃)。

结构最高平均温度T_s,max和最低平均温度T_s,min宜分别根据基本气温T_max和T_min按热工学的原理确定。对于有围护的室内结构，结构平均温度应考虑室内外温差的影响；对于暴露于室外的结构或施工期间的结构，宜依据结构的朝向和表面吸热性质考虑太阳辐射的影响。

结构的最高初始平均温度T_0,max和最低初始平均温度T_0,min应根据结构的合拢或形成约束的时间确定，或根据施工时结构可能出现的温度按不利情况确定。混凝土的合拢温度一般可取后浇带封闭时的月平均气温，钢结构的合拢温度一般可取合拢时的日平均温度。

综上所述，结合本工程实际情况和计算简化的原则，结构最高平均温度T_s,max和最低平均温度T_s,min，分别取当地年平均最高气温和年平均最低气温。通过查阅当地气象资料，分别为35℃和5℃。本工程的施工时间为3、4月份，后浇带的封闭时间为5～7月份（考虑后浇带混凝土的养护时间不少于27d）。所以结构的最高初始平均温度T_0,max和最低初始平均温度T_0,min分别取当地5-7月份的最高温度和最低温度，分别为25℃和20℃。温差计算如下：

升温：△T_K=T_s,max- T_0,min=35-20=15℃；

降温：△T_K=T_s,min- T_0,max=5-25=-20℃。

《混凝土规范》9.1.3条中指出：“当增大伸缩缝间距时，尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。”混凝土收缩可通过等效当量温度来考虑，但结构间隔30-50m设置后浇带时，可考虑后浇带封闭之前混凝土收缩完成60%；同时混凝土水化热产生的温差在后浇带封闭之前已经得到平衡，计算时可不考虑该等效当量温度。

2.2 温度应力计算

温度应力计算采用PMSAP通用有限元分析软件，全楼楼板定义为壳单元，升温和降温的温差定义为温荷1和温荷2输入。程序按线弹性理论计算结构的温度效应，对于钢筋混凝土结构，考虑到温差的时间特征，会出现徐变而引起应力松弛等非线性因素，实际的温度应力将小于按照弹性计算的结果，所以取徐变应力松弛系数为0.3。依据《建筑结构荷载规范》的规定，其组合值系数为0.6，频遇值系数为0.5，准永久值系数为0.4。计算结果见表1，二层楼板温降工况下x向应力等值线见图2。

图2二层楼板温降工况下x向应力等值线图

表1温差引起的各层楼板最大平均拉应力

2.3 计算结果分析

通过计算结果可知，二层楼板的平均温度应力为1.1～1.5 MPa，小于混凝土(C30)的抗拉强度标准值(2.01 MPa)，仅在扶梯洞口边缘和电梯井筒附近出现了较大的应力，平均为2.2 MPa。其原因主要为楼板开大洞导致的应力集中以及电梯井筒处剪力墙对楼板的约束较强，导致井筒附近出现了较大的楼板应力。对此部分楼板应加大楼板钢筋配筋面积；而在各层楼板平均温度应力中二层楼板应力最大且逐层递减，其原因为结构的底部楼层受到约束最强，所以产生的温度应力最大。

3 设计技术措施

经过上述计算分析，对本工程结构的温度应力问题主要采取以下措施予以解决：

1）留设后浇带，后浇带间距30～40m，带宽800～1000mm，后浇带内钢筋采用搭接接头，后浇带混凝土在60天后浇筑。后浇带封闭时间应选择低温时节，后浇带浇筑完毕后亦须加强养护。

2）楼板设计，对所有超长的楼层楼板配筋均采用双向通长的配筋方式。对结构的二层和屋面层适当加大楼板配筋率。结合重力荷载作用下的配筋面积，二层和屋面层楼板x向配筋为8@150通长，其余楼层为8@200通长。对二层楼板温度应力大于2.0MPa的区域采用10@100双层双向配筋。楼板底部钢筋在支座处应拉通设置，否则应按受拉锚固设计。

3）楼层梁设计，楼层梁应按拉弯或压弯构件计算，并与原配筋计算结果（不考虑温度荷载）包络设计。框架梁上部两根负筋通长，二层和屋面层的次梁上部两根支座筋通长，其余楼层采用不少于2根14的架立筋与支座筋搭接，搭接长度满足受拉搭接要求。梁两侧腰筋总配筋率不少于0.2%，腰筋在支座处满足受拉锚固设计，即按抗扭腰筋设置。对二层梁轴力较大的洞口边缘和电梯井筒附近的梁适当加大通长筋和腰筋面积。

4）框架柱和剪力墙设计，框架柱和剪力墙配筋与原配筋结果取包络。对平面两端和受阳光直射的剪力墙适当加大配筋率至0.3%。

5）采用收缩小的水泥、减少水泥用量、在混凝土中加入适宜外加剂。混凝土应低温入模。施工时应做好新浇混凝土的养护工作。施工单位应在混凝土浇筑施工组织设计编制中协调搅拌站、监理、设计及甲方管理部门对混凝土浇筑、振捣、养护及塌落度控制做出技术方案，并严格执行，特别是塌落度的控制更应严格且得到搅拌站的同意。

6）保温隔热施工应结合主体施工进度尽快进行，屋顶花园覆土施工应在主体完工后尽快进行。

温度应力问题是结构设计中的难点问题。对平面超长的结构不能简单地加大伸缩缝间距，应经过精心的计算、分析和设计，并结合已有的工程经验和施工水平，对结构的温度应力有的放矢地采取各项综合的结构构造措施。

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