《预应力混凝土结构设计规范》^[1]规定，当钢筋混凝土结构的平面长度大于

《混凝土结构设计规范》中规定的最大伸缩缝间距时，定义为超长结构。我国的经济发展推动了工程建设的发展，为保障建筑工程结构与功能的完整性，多数工程都不采用超长结构或不设置结构缝。在施工过程中，混凝土结构会受到温度等非荷载因素的影响而出现变形，结构受约束作用产生约束内力，其出现温度效应。而温度效应对于混凝土超长结构的梁、板裂缝的影响巨大。故此，本文以鲁南高铁临沂北站站前广场项目为例，通过采用缓粘结预应力等措施，缓解温度效应产生的影响，以实现裂缝控制。

1 工程概述

某高铁站北站站前广场项目，项目总建筑面积20.46万m²。包括广场地下两层建筑面积19.65万m²，主要为地下停车场、出租车蓄车场及设备管理用房；广场东侧建设一级长途客运站一座，站房、辅助及设备用房建筑面积约7100m²；广场西侧建设公交调度中心一座，建筑面积1000m²；建设高架落客平台匝道4条，宽15m，总长约1400m（如图1所示）。

工程建设的结构体系为：框架—剪力墙，筏板基础作为地基基础。地下一层及二层的梁、板、框架柱结构的混凝土强度为C40，地上梁、板、框架柱混凝土强度为C30，选用HRB400级钢筋。北站站前广场平面总尺寸为483.7m×224.1m，沿纵向设两道结构缝，分为136.5m×224.1m，201.7m×224.1m和136.5m×224.1m三个结构单元。因为结构长度超过规范限制，所以本文针对地下室一层顶板的温度应力问题进行分析，并进行预应力设计以及相关构造措施布置。

图1  北站站前广场建筑效果图

2 温度应力分析

2.1 混凝土收缩当量温降

混凝土随时间的变化会不断缩小，即混凝土收缩^[2]。混凝土收缩的计算方法有许多种，本文采用王铁梦收缩模型^[3-4]，计算混凝土在正常状态下的最大收缩值，其他状态下的最大收缩值并进行修正。公式如下：

     （1）

式中：任何时间段内混凝土的收缩以ℇ_y表示；各类非标准字体修正系数以M_i表示。

在设计结构时，用温度降低值替换混凝土收缩，以此来计算混凝土收缩引起的温度应力，其计算公式如下：

     （2）

式中：混凝土线膨胀系数以α_c表示。

此项目以4种混凝土收缩当量温降工况为主：①不设置后浇带；②后浇带的闭合在浇筑完成后的30d进行；③后浇带的闭合在浇筑完成后的60d进行；④后浇带的闭合在浇筑完成后的90d进行。4种工况下，后浇带的闭合在浇筑完成后的90d进行的混凝土收缩当量温差最低。

2.2 温度作用

在升温作用下，混凝土会发生膨胀，但不会出现温度裂缝，分析裂缝控制结构时，以最大季节温降为主^[5]，公式如下：

     （3）

式中：T₀表示混凝土建筑完成后的平均温度；T_min表示结构的月最低温度。

将T_min取-10℃，T₀20℃。当离地表深度超过10m时，土体基本为恒温，则可考虑结构温度变化折减系数为0.7，故最大季节温降：

2.3 徐变及应力松弛

混凝土徐变性质可分为两种情况：①应力不变，时间变化则变形增加，即“徐变变形”；②变形不变，时间变化则应力降低，即“应力松弛”。徐变变化及应力松弛都需要慎重考虑^[6]。

以按龄期调整的有效模量法为例，引入老化系数，考虑徐变影响及配筋方法，混凝土框架和板结构徐变应力计算公式如下：

     （4）

式中：老化系数用χ（t，t₀）表示，而混凝土的徐变系数则用φ（t，t₀）表示。

混凝土老化系数表示徐变的衰弱受应力的连续变化所影响，与加载龄期、持荷时间、徐变系数有关，公式如下：

     （5）

式中：应变变形后保持不变时，松弛系数用K（t，t₀）表示；松弛系数计算公式如下：

     （6）

根据工程开展情况，徐变应力折减系数为R_s（∞，7）=0.340。

用表1表示此次工程最终计算的降温温差。

表1   降温温差

3 温度应力计算结果

温度应力的计算选择YJK软件^[7]。

3.1 楼板应力结果分析

降温温差以13.32℃为例，地下室顶板的应力情况，楼板X，Y向应力分布详见图2。

图2  降温温差13.32℃作用下地下室顶板

温度应力分布/MPa

从图2得出，X向顶板温度应力由中间向左右两边降低，楼板中间的应力分布较为均匀，取值范围在0.9~1.1MPa，左右两边的温度应力逐渐缩小，主要原因是左右两边的约束力较小。而竖向构件与楼板交接处、局部剪力墙与楼板交接处等受竖向刚度及水平约束力的影响，温度应力随之增加。Y向顶板的温度应力取值范围在1.6~2.2MPa，上下两侧为压应力。X向顶板为短边，Y向顶板为长边，根据温度应力对混凝土影响得出，X向整体温度要低于Y向，需要重点关注Y向的裂缝控制^[8]。

3.2 梁内力结果分析

图3表示降温温差在13.32℃时，地下室顶板梁轴力；图4为X向弯矩示意图。

图3  降温温差13.32℃作用下地下室顶板梁轴力示意图

图4  降温温差13.32℃作用下地下室顶板梁X向弯矩示意图

从图3得出，梁上的轴力由中间向两端逐渐缩小。次梁大部轴力范围在1200 kN以下，楼梯洞口与剪力墙附近的主梁上轴力较大，最大可达4277.6 kN。由于y向为相对长边，轴力普遍比x向大，这与在板中的应力变化趋势相同。

由图4可知，梁端弯矩呈现边跨最大，且由顶板两端向中心点不断减小的特点。

3.3 降温温差对结构的影响

随着降温温差的增大，地下室顶板的最大拉应力也随之增大。地下室顶板温度效应作用下拉应力的大小，与温度的变化情况、后浇带设置情况、补偿收缩膨胀混凝土使用情况等因素相关。不设置后浇带或后浇带的闭合时间较短的情况下，顶板的拉应力增大。浇筑完成60d及以上时，进行后浇带的闭合或使用补偿收缩膨胀混凝土则能够有效降低顶板拉应力^[9]。

4 缓粘结预应力筋布置

在工程施工期间，需考虑项目工期问题及公共建筑的使用年限，结合建筑措施，将工程开展时板中设置的温度筋全部取消，在顶板双向密肋梁中设置21.8mm的大直径缓粘结预应力筋，以此来缓解温度应力。预应力筋沿X，Y双向布置，采用的低松弛钢绞线的规格如下：抗拉强度（f_ptk=1860N/mm²），公称直径（21.8mm），公称截面面积（A_p=313mm²），取有效预应力系数为0.58。对于顶板西侧截面为l 500mm×700mm的矩形梁，根据有限元计算结果，其楼梯洞口处温度拉力最大，可达4277.6 kN，则梁所用钢绞线的根数：n₁=4277.6/(1078.8×313×10^-3)=12.67，故取13根。对于截面为600mm×700ram的矩形梁，根据有限元计算结果，最大温度拉力按l254.8kN计算，则梁所用钢绞线的根数：n₁=1 254.8/(1078.8×313×10^-3)=3.72，故取4根。详见图6。

图5  预应力筋线型示意图

5 裂缝控制措施

5.1 收缩裂缝防治措施

收缩裂缝的防治处理措施是整个裂缝类型中较为复杂的一种，不仅需要在前期准备工作中进行处理，还需要对后续的养护进行重视。首先，建筑施工单位在对建筑物本身进行混凝土浇筑之后，需要及时给予夜盖养护，增加环境湿度。尤其是在夏季施工时，因为施工期本身所处的环境温度较高，需要及时对建筑混凝土浇筑物本身进行及时洒水养护工作，避免因昼夜温差过大造成的裂缝现象发生。同时，对于混凝土原材料的选择需要符合标准，尽量减少初期塌落度，降低砂率，严格控制骨料的含泥量。在施工过程中，需要确保各个建筑物之间的间隙达到一定的标准。通常墙体之间的间隔应当在5-8m之间，而墙高在3m范围之内的缝间距也应当保持在3m左右。严格按照施工图纸和施工方案进行浇筑作业。同时在施工时，还需要确保浇注位置的合理使用，为后续建筑作业提供良好的施工环境^[10]。

5.2 温差裂缝防治措施

温差裂缝在建筑中是最为常见的一种裂缝类型，其主要发生的原因是由于夏季和冬季的温度偏差较大造成的。因此，对于温度裂缝问题的处理可以直接从混凝土的材料配比方面入手，通过不断加入一些混合料，例如引气剂，塑化剂等，这些都可以代替原来的一部分水泥。在夏季浇筑时可以通过在混凝土原材料中加入一些冰块帮助达到降温的效果，使温度始终保持在一个恒温的状态，能够直接避免后期出现裂缝现象的发生。此外，在夏季实施浇筑工作时可以通过将冷却管放置在浇筑桩中，达到降温的目的。如果在冬季浇筑，可以通过添加保温设备的形式，减少温度过低或者是温差过大造成的裂缝。以上的几种措施可以实际结合建筑类型进行处理，确保温度保持在一定的范围之内，确保后期建筑的质量达到指标。

5.3 沉降裂缝防治措施

对于沉降裂缝的防治措施可以直接从地基、模板的强度和结构荷载等几个方面入手。首先，建筑物在设计建筑方案时，应当将软地基综合考虑在内，对软弱地基、不均匀地基应进行妥善处理后方可浇筑混凝土结构或构件，确保后期在实施浇筑流程时软基的硬度能够在合理稳定的范围之内。其次，使用的浇筑模板需要有足够的强度、硬度、刚度，底部的支撑点要坚实。在实施浇筑的过程中如果发现结构荷载不均匀应当及时给予相应的调整，设计时充分考虑结构的刚度，静定结构以及比较细柔的结构，常常不会因为不均匀沉降而开裂。

5.4 施工裂缝防治措施

施工裂缝是整个裂缝类型处理中较为复杂的一种，不仅需要对前期的设计方案进行处理，还需要对后续的养护工作进行重视。前期准备工作时，施工单位需要确保所有的地基的稳定性达到标准，提升地基的承载能力，减少沉降事件的发生几率，还可以直接通过填充法的形式对地基进行加固。对于混凝土浇筑配方比例的选择需严格按照相关的要求和标准进行，合理利用材料，减少裂缝的发生。混凝土配合比需要满足《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55的要求，将原材料的质量配比、标准、强度等级等进行综合性的设置，在施工方面采取调整措施，为后续施工提供有力的支撑和保障。

结语：

超长混凝土结构应根据实际工程情况选取合适的温度工况，以满足正常使用阶段要求。其温度效应的计算需综合考虑混凝土收缩与徐变以及环境温度变化带来的影响。除布置预应力筋以及设置后浇带外，应当采取一些构造和施工措施，如选用水化热低的水泥、加强应力集中处的配筋以及施工期间的温度控制等来控制裂缝。

参考文献：

[1] 陶学康, 李东彬, 王晓锋,等. 《混凝土结构设计规范》修订简介(八)——预应力混凝土结构构件[J]. 建筑结构, 2011, 41(10):6.

[2] 过镇海, 时旭东. 钢筋混凝土原理和分析[M]. 清华大学出版社, 2003.

[3] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]. 中国建筑工业出版社, 1997.

[4] 吴学利. 混凝土强度和干燥收缩预测模型的研究[D]. 中国建筑科学研究院, 2008.

[5] 汤小平. 超长混凝土地下室裂缝控制研究[D]. 东南大学, 2017.

[6] 中华人民共和国建设部. 建筑结构荷载规范[M]. 中国建筑工业出版社, 2006.

[7] 张玉明. 超长混凝土框架结构裂缝控制研究[D]. 东南大学, 2006.

[8] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 中国电力出版社, 1999.

[9] 陈尚志, 李佩勋, 蒋方新,等. 大直径缓粘结预应力混凝土梁静力试验研究[C]// 第十八届全国混凝土及预应力混凝土学术会议暨第十四届预应力学术交流会论文集. 中国土木工程学会, 2017.

[10] 华旦, 吴杰, 干钢. 超长混凝土结构的温度应力分析与设计实践[J]. 建筑结构, 2012, 42(7):4.