购物中心超长结构设计的新技术

购物中心超长结构设计的新技术

华润泰州万象城，为钢筋混凝土框架结构体系；平面长度225米而不设缝，超长结构设计采取了“抗放兼备、以放为主”的原则。地上建筑平面中部各层楼板采用诱导凹槽的创新技术，温度应力分析时结构性能接近于“楼板设伸缩缝断开”，楼板温度应力得以释放，温度钢筋大幅度减少；抗震分析时结构性能接近于“楼板连续不设缝”，结构抗侧刚度和结构整体完整性得以保证。项目开业一年半，使用良好，诱导凹槽技术经历了寒冷冬季的考验。

▲  图2 典型楼层结构平面图

2.1 合理布置后浇带、配置温度钢筋

地上部分每隔30m~40m左右设800mm宽的后浇带，尽量降低后浇带闭合时的终凝温度，低温入模。在地下室各层后浇带中设置传递外围土、水压力的钢支撑，侧向荷载会使地下室各楼层产生预压力，来抵消部分因温差收缩效应引起的楼层拉力。

结合温度应力计算结果，加强楼板配筋；在应力较大区域再增设附加温度钢筋。构造钢筋采用“细而密”的方式布置，对于地下室外侧壁，将水平构造钢筋垂直配置在受力筋外侧。

2.2 改善混凝土材料性能

1） 选用低水化热、低收缩和含碱量较低的水泥，水泥添加粉煤灰； 2） 选用坚固耐久的、级配合格、粒形良好的骨料； 3） 减小水胶比，水胶比小于0.5。尽量降低拌和水的用量，用水量不宜大于175kg/m ³ ； 4） 混凝土到浇筑工作面的坍落度控制小于160mm； 5） 在地下室迎水部位（如：地下室底板、侧墙和部分地下室顶板）混凝土中掺入改性聚丙烯纤维。

2.3 施工技术措施

控制混凝土的浇筑温度，以部分抵消混凝土收缩和温度应力对结构的不利影响。混凝土养护时湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变越小，因而可以使收缩减少。采用以下养护方案：

1） 对于大体积混凝土和大面积板面混凝土，表面抹压后用塑料薄膜覆盖，混凝土硬化后，采用蓄水养护或用湿麻袋覆盖，保持混凝土表面潮湿，养护时间不应少于14天。

2） 对于墙体等不易保水的结构，从顶部设水管喷淋，拆模时间不宜少于3天，拆模后用湿麻袋紧贴墙体覆盖，并浇水养护，保持混凝土表面潮湿，养护时间不应少于14天。

3） 冬季施工时，混凝土浇筑后，立即用塑料薄膜和保温材料覆盖，表层不得直接洒水，养护期不应少于14天。对于墙体，带模板养护不应少于7天。

▲  图3 外墙诱导缝节点

外墙和地下室楼面相连接处，由于楼面的平面刚度和平面内抗拉能力，混凝土受到较强约束，此处设置结构暗梁，未设置诱导缝（图4）。混凝土收缩变形会集中在暗梁部位，暗梁会承受较大拉力和轴向变形。暗梁配置纵向钢筋，以控制裂缝宽度。

外墙设置诱导缝，可使裂缝集中在诱导缝处出现，大幅度降低墙板裂缝。诱导缝中除了设置必要的钢筋外，一旦出现过大的裂缝还必须考虑设置止水措施，故设置成环、封闭的内外橡胶止水带外，还须设置加强防水层，才能做到诱导缝裂而不漏。诱导缝应加强观测并设置渗水处置措施，如有渗漏，可集中处理。

超长结构平面内楼板的刚度和连续性是结构各抗侧力构件协同工作的前提，而楼板的刚度和连续性又会导致楼板温度应力过大。通常工程中采用设置无粘结预应力钢筋、添加微膨胀剂来产生预压应力或者添加纤维来增加混凝土抗拉能力的方法，但这些方法均会带来工程造价的明显增加。设置诱导凹槽能以低廉的工程造价较好地解决这一问题。

诱导凹槽（图5）在相应位置梁采用双梁，双梁之间用通长的楼板降板来连接；垂直凹槽方向，框架梁在凹槽位置不连续。在垂直凹槽的方向，凹槽转动能释放温度变形，使温度应力显著减小；凹槽的设置会引起局部楼板的不连续，对垂直凹槽的方向结构抗侧刚度有轻微影响，但凹槽仍能够通过两侧梁的转动提供很大的抗侧刚度，保证结构的整体性。在平行凹槽方向，凹槽的剪切刚度又保证了楼板变形传递的连续性，使结构侧向刚度基本不变。

诱导凹槽中的凹槽利用聚苯板（或挤塑板）填实，避免了传统变形缝对建筑功能的影响，能达到不设永久伸缩缝的目的。为了提高凹槽的转动能力，配筋采用交叉方式，这样可以保证凹槽在过大的温度应力作用下有效转动，释放温度应力。

4.1 诱导凹槽力学原理及作用效应分析

▲  图7 平板连接应力云图/MPa

在两种模型沿长度方向平面外围位置施加水平均布力，并定义水平力与楼板最大侧移的比值为等效侧向刚度来考察整体刚度的变化。水平力作用下，垂直凹槽方向设置和不设置凹槽的结构侧向刚度相差约5%；平行凹槽方向设置和不设置凹槽的结构侧向刚度基本没有差别。

可见，诱导凹槽的设置弱化了楼板面内刚度（但未降低楼板面内承载力），明显降低了温度应力；同时也轻微降低了结构抗侧刚度。但楼板面内刚度的弱化所引起的温度应力的降低幅度和结构抗侧刚度的降低幅度完全不在一个数量级上。

4.2 诱导凹槽对整体结构抗震影响分析以及其位置确定

凹槽位置的设置需综合考虑地震作用效应、温度效应及建筑使用功能三个因素。

建筑平面地上部分沿Y向中间轴基本左右对称；按力学对称性原理，在X向水平地震力作用下，结构平面中部的楼板面内应力接近0，平面中部楼板的弱化对结构X向地震作用下的变形影响很小。PMSAP分析结果同时得到，小震作用下结构中部位置楼板应力仅为0.02MPa。而温度作用下，温度应力从中部向两侧扩散，中部的温度应力最大，将凹槽设置在中部可有效减小温度应力。

凹槽的剪切刚度能保证楼板Y向地震力的有效传递；仅略微影响结构的X向抗侧刚度，然而由于建筑平面的对称性，在对称轴附近设置诱导凹槽对结构X向地震作用下的变形影响较小。小震反应谱分析时，凹槽模型和不设缝平板连接模型相比，X向层间位移角变化很小，仅增加约2%；Y向层间位移角不变。小震弹性时程分析所显现的结构特性和小震反应谱分析较为一致。而结构平面呈狭长形状，地震作用短向（Y向）层间位移角为控制方向，长向（X向）层间位移角余量较大。

最终在中部对称位置附近设置两道Y向凹槽（见图2）。凹槽设置在柱网处，柱网处可设双柱而框架梁不贯通。

4.3 设置诱导凹槽的整体结构在温度作用下计算分析

整体结构分析时，SATWE、PMSAP等有限元分析软件用梁元模拟框架梁柱，用壳元模拟楼板，没有三维实体单元，不能准确分析诱导凹槽的转动效应，难以直接计算带诱导凹槽的结构。为了方便工程设计，将带诱导凹槽的三维实体单元简化模型和弹性楼板壳元等效简化模型进行对比分析，得到弹性楼板等效模型的力学特性参数，将其代入整体结构模型进行有限元分析。

在外加荷载、凹槽宽度等保持不变的条件下，弹性楼板壳元等效模型中中部平板连接处的相对位移与弹性模量成反比关系，通过改变平板连接板的弹性模量（但不改变平板连接板的抗拉承载力），使之接近凹槽的相对位移，便可以近似模拟凹槽模型的受力性能。

将图10中考虑刚度退化的带诱导凹槽的三维实体单元简化模型，与弹性楼板壳元等效简化模型进行对比分析，得到弹性楼板壳元等效简化模型的力学特性参数（具体过程从略）。等效模型中凹槽两侧的Solid梁单元采用梁元，等效模型凹槽位置的平板采用弹性模量修正的shell膜单元。图11与图12为上述两种对比简化模型的应力云图，可清晰地看出两者应力分布及大小的一致性。再将弹性楼板壳元等效简化模型的力学特性参数代入实际整体结构中，即可进行带诱导凹槽的整体结构的温度应力分析。

▲  图11 考虑凹槽刚度退化的模型应力云图（MPa）

整体结构温度应力分析结果可知，设置一道凹槽时，楼板最大应力为1.75MPa，大于C30混凝土的抗拉强度设计值1.43MPa；设置两道凹槽时，楼板应力基本降至1.30MPa以下，温度应力有效减小，满足了混凝土不开裂的要求，保证了建筑正常的使用功能。

4.4 设置诱导凹槽的整体结构的地震作用分析

抗震分析时，和4.3节相同，得到弹性楼板壳元等效模型的力学特性参数后，代入整体结构模型中进行地震作用分析。为了保证结构抗震安全，平面中部等效的壳元连接板分别采用不同的弹性模量进行计算，结构设计取上述计算结果的包络值。

建筑平面地上部分沿Y向中间轴基本左右对称，根据力学对称性原理，结构平面中部的楼板地震作用下面内应力接近0，平面中部壳元连接板采用不同的弹性模量时对结构地震作用影响很小。上述多种模型的计算结果差别极小，也再次论证了在建筑平面对称的中部位置设置诱导凹槽的适用性。

（1）本 购物中心为超长混凝土结构，设计通过温度效应计算，采用设施工后浇带、地下室迎水面混凝土添加改性聚丙烯纤维、局部设温度钢筋的常规措施来减小温度收缩效应对结构的不利影响。

（2） 地下室外墙设置诱导缝，使裂缝集中在诱导缝处出现，释放了温度应力，同时加强诱导缝位置的建筑防水。

（3） 地上结构平面中部采用了诱导凹槽来释放温度应力。由于建筑平面的对称性，在结构中部设置凹槽对结构抗震计算指标的影响很小，兼顾了结构整体性和抗震性能。诱导凹槽槽深和槽宽对节点变形能力均有较大影响，板厚对结构抗震作用下的整体抗侧刚度有影响；建议槽深≥400mm、槽宽≥150mm，凹槽板厚≥150mm。凹槽节点板面不应设置板面钢筋，以免限制节点转动而影响有效变形；节点近板底位置宜设置交叉斜筋，以加强节点延性。

（4） 本工程超长结构设计采用了诱导凹槽新技术，大幅度减少了温度钢筋，经济效益显著。工程于2020年5月结构封顶，于2021年6月开业，至今未发现楼板裂缝、使用良好。诱导凹槽新技术经历了寒冬的考验。