裂缝控制的高层建筑成本研究

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１概述

因住宅建筑功能需求，建筑不设缝平面尺寸已接近或超过了现行混凝土结构设计规范［１］中伸缩缝最大间距。某些情况下，温度作用在结构中产生了大量裂缝，严重影响了建筑的正常使用，需要进行后期处理从而增加工期和成本。对于严寒地区越冬建造的建筑，温差变化明显，更应加强对降温产生裂缝的分析和控制。

２裂缝控制和成本分析

２．１工程案例介绍本工程位于吉林省吉林市，建筑总建筑面积为１０７５４．３９ｍ２，地下１层，地上１８层，建筑高度５２．５ｍ，结构平面长度为５３．２ｍ，宽度为１２．３ｍ，楼电梯洞口间距１２．６ｍ。剪力墙厚２００ｍｍ，梁高４００ｍｍ～４８０ｍｍ，标准层板厚１００ｍｍ～１２０ｍｍ。结构平面见图１。剪力墙混凝土强度等级为：首层Ｃ４０，２层，３层Ｃ３５，４层至屋面Ｃ３０。梁板混凝土强度Ｃ３０。设计使用年限为５０ａ，结构安全等级为二级，最高月平均气温３２℃，最低月平均气温－３１℃。根据混凝土结构设计规范［１］伸缩缝最大间距为４５ｍ，超出规范限值约为１．１８倍，故对结构温度作用进行补充分析。

２．２温度作用考虑到施工工况影响，温度计算时，可按未封闭混凝土后浇带施工阶段、后浇带封闭至竣工交付阶段、投入使用三个阶段。本项目设置后浇带间距小于３０ｍ，后浇带封闭前结构受温度作用和混凝土收缩影响很小；在建筑投入使用后考虑到冬季地热采暖，夏季空调制冷因素，计算温差小于施工阶段。故将后浇带封闭至竣工交付阶段作为最不利工况，进行温度作用分析。混凝土结构的环境温度降低将引起结构的收缩变形，当温度应力超过混凝土抗拉强度时可造成混凝土结构的开裂；同时混凝土材料自身收缩变形也不可忽略，工程上一般将混凝土自身收缩变形等效为当量温差，与环境温差共同考虑。依据建筑结构荷载规范［２］，温度作用主要考虑两种情况：１）当量温差；２）环境温差。当量温差可通过混凝土收缩变形进行换算：ΔＴ＝（εｙ（ｔ）－ε０ｙ）／a，而收缩变形εｙ（ｔ）＝３．２４×１０－４（１－ｅ－０．０１ｔ）Ｍ１Ｍ２…Ｍｎ，式中ｔ以天为单位［３］取混凝土龄期为１２０ｄ，修正系数乘积Ｍ１Ｍ２…Ｍｎ近似取１．０后得到最终收缩变形εｙ（ｔ）＝２．２６×１０－４。故当量温差ΔＴ＝（２．２６×１０－４－３．２４×１０－４）／１．０×１０－５＝－９．８℃。环境温差计算时，结构合拢温度５℃～１０℃，非越冬建造时室外最低气温０℃，最高气温２０℃，故降温温差为０℃－１０℃＝－１０℃，升温温差２０℃－５℃＝１５℃；越冬建造时室外最低气温－３１℃，最高气温３２℃，故降温温差为－３１℃－１０℃＝－４１℃，升温温差３２℃－５℃＝２７℃。温差统计表见表１。

２．３计算分析采用ＭｉｄａｓＧｅｎ分析模型进行如下简化：墙底假定为刚接；墙体楼板选用考虑平面外刚度的板单元；框架梁选用梁单元。材料参数按混凝土结构设计规范选取，仅考虑恒载、活载、施工工况及温度作用。经计算，最不利作用为降温，其楼板拉应力计算结果如表２所示，越冬降温结构变形见图２。计算结果表明：结构整体受降温作用整体变形趋势符合高层建筑温度作用变形规律［４］。非越冬工况下，温度变化计算值变化在５℃以内，虽楼板长度为５３．２ｍ，但受到楼电梯间洞口有利影响，温度应力在１．１ＭＰａ以下，楼板温度拉应力未超过Ｃ３０混凝土设计抗拉强度；越冬建造工况下，因温差变大剧增，温度应力明显增大，主要受影响楼层为首层顶板，应力集中区域主要体现在９轴至１５轴交Ｄ轴处的两道横墙之间（见图３），楼板拉应力范围主要在２．４ＭＰａ～３．２ＭＰａ之间，首层顶板温度拉应力超过Ｃ３０混凝土设计抗拉强度，其他层楼板温度拉应力未超过Ｃ３０混凝土设计抗拉强度［５］。由此可见，位于严寒地区的该建筑在越冬建造时温度作用显著。

２．４楼板抗裂技术措施楼板应力计算结果表明：对于非越冬建造工况，温度应力未超过混凝土材料强度设计值，在充分利用材料强度下可满足温度应力的抗拉强度要求，可通过设置后浇带、控制混凝土坍落度、水灰比，以及加强施工养护等常规防裂技术进行设计和施工。越冬建造工况温度应力计算值高于混凝土抗拉强度设计值，在采取常规防裂技术的基础上，参考温度应力计算结果并结合工程经验，采用专项技术措施。一般可采用补偿收缩混凝土、钢纤维混凝土或附加温度钢筋等措施，综合考虑成本和施工工艺，本工程采用在楼板中配置双层双向钢筋网片的方法进行补强，补强位置为首层顶板，补强钢筋为直径１０ｍｍ，间距为２００ｍｍ的通长ＨＲＢ４００钢筋网片。

２．５成本分析经计算：非越冬建造工况单层楼板钢筋含量３．９６ｔ；越冬建造工况楼板钢筋含量：首层顶板７．３９ｔ，其他层３．９６ｔ。与非越冬建造相比，越冬建造单项工程钢筋含量增加７．３９ｔ－３．９６ｔ＝３．４３ｔ，本项目共含８个相近体型的高层住宅，项目钢筋含量合计增加３．４３×８＝２７．４４ｔ。由２０２１年吉林市第七期建筑工程材料参考价格，该钢材除税价为５２１０．９３元／ｔ，故项目的材料费增加２７．４４×５２１０．９３＝１４．３０万元。按文献［６］将材料费换算为建筑成本，增加约２８．６０万元。

３结论

本文以超长高层建筑为基础，计算建造过程中温度作用影响，分析其造成成本增加情况，结论如下：１）严寒地区大型超长住宅项目越冬建造会导致成本增加，可根据当期市场需求情况采用总承包合同避免冬期施工，合理分配进度分期施工；若受工期限制，也可招标多个分包商，加快进度共同施工，可节约成本并保证质量。２）区别于常规住宅项目，超长剪力墙结构体系的住宅项目在初步设计阶段应综合考虑温度作用影响，在满足相关设计标准的前提下，通过优化超长方向剪力墙截面尺寸和增加剪力墙间距，从而减小该方向刚度，可减小温度作用的影响，降低建筑成本。３）拟建类似项目超长住宅不设缝、楼板不配置温度钢筋的条件：平面长度在规范限值１．１８倍以内，折算计算温度不超过５℃，楼电梯间洞口间距不大于１２．６ｍ。４）拟建类似项目越冬建造时考虑温度影响，材料费增加可按首层顶板钢筋量的１．８７倍估算。

参考文献：

［１］中华人民共和国住房和城乡建设部．混凝土结构设计规范：ＧＢ５００１０—２０１０［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１５．

［２］中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑结构荷载规范：ＧＢ５０００９—２０１２［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１２．

［３］王铁梦．工程结构裂缝控制［Ｍ］．２版．北京：中国建筑工业出版社，２０１７．

［４］赵娟，巴恒静，陈淮．超长高层建筑结构温度问题研究［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２００５．

［５］王飞．某三联跨门式刚架温度应力分析［Ｊ］．山西建筑，２０２１，４７（５）：５６－５８．［６］吴学伟．住宅工程造价指标及指数研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２００９．

作者:詹东杰 单位:吉林市建筑设计院有限责任公司