随着工程建设的发展, 超长混凝土结构得到大量的应用, 其广泛应用于大型的公共、会展、商业、厂房等建筑。超长混凝土结构取消或减少设置伸缩缝, 可以使建筑具有较好的平面、立面效果以及良好的功能, 且构造处理简便, 结构整体性好。在具备上述优点的同时, 超长混凝土结构的裂缝控制成为了难点, 需采取相应的技术措施解决。工程上常采取合理选材、设计、施工方面的综合措施, 其中, 通过在结构中施加预压力, 以减弱间接作用在结构中引起的拉应力, 得以针对性地防治结构的开裂, 是有效可行且往往被优先采用的方法, 在大型工程的实践中得到了广泛的应用。

　　 虽然超长混凝土结构及相关的预应力技术已经得到蓬勃的发展应用, 但因其所涉及问题的复杂性, 很多应用只是经验化的处理, 未必合理有效, 缺少规范化, 因而不利于超长混凝土结构的有效推广应用。为改善此状况, 在长期研究与应用实践的基础上, 新编的国家行业标准《预应力混凝土结构设计规范》 (JGJ 369—2016) ^[1]以及新修订的上海市标准《预应力混凝土结构设计规程》 (DGJ 08-69—2015) ^[2]中均编制了超长混凝土结构预应力设计的内容, 对于超长混凝土结构及其预应力的设计、施工进行了规定, 本文就其中的一些重要方面进行说明与探讨。

　　 超长混凝土结构的一般概念为长度超过了《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[3]所规定的钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距而未设置任何形式的永久变形缝的结构。当混凝土结构“超长”时, 实际上是考虑到其大范围的区域在温度作用、混凝土收缩及徐变等间接作用下的变形受到约束而引发显著的受拉效应, 混凝土开裂问题突出而需要采取控制措施。而实践与研究表明, 结构“超长”并不仅仅取决于结构的长度, 而是看约束条件、结构的几何形式、结构材料、结构所处环境的温度条件、混凝土收缩等因素是否会对结构产生显著影响^[4,5]。文献[4]中对该问题进行了分析研究, 总结出某些结构长度远超过了规范规定的不设缝长度而没有开裂, 而另一些结构长度不大, 满足规范不设缝长度要求的结构却产生了裂缝, 并用有限元方法计算对比直径20~60m不等的多个圆形混凝土筒仓结构, 发现在均匀温降条件下直径大小对结构环向应力的分布形态和极值几乎无影响;同时计算分析了环形结构的案例, 发现其最大温度应力出现在环形结构的内侧, 而非长度较大的外侧。文献[6]中也通过模型计算分析研究了环形超长混凝土结构的温度问题, 发现了与文献[4]中类似的温度应力规律, 且对比了同等结构长度、构件以及温度作用的作用下的环形超长框架结构与矩形超长框架结构, 前者沿结构长度方向的温度应力明显较小, 这也说明环形结构特殊的约束 (构件) 的分布使其温度应力具有不同的特点, 其“超长”问题并非仅以结构长度作为判断。

　　 基于对于结构“超长”的进一步认识, 《预应力混凝土结构设计规范》 (JGJ 369—2016) ^[1]与《预应力混凝土结构设计规程》 (DGJ 08-69—2015) ^[2]编入了广义超长混凝土结构的概念:即由于约束较强, 导致荷载和混凝土收缩、徐变、温差等间接作用的作用下, 构件受力超过限值的结构。广义超长混凝土结构的定义, 使超长混凝土结构的设计不是单一地以结构长度去判断, 而是采用合理的计算方法将结构效应量化, 使对于超长问题的考量更加科学合理。

　　 约束是使得结构“超长”的本质方面, 结构的柱、墙等竖向构件除提供竖向刚度抵抗重力及其他竖向荷载外, 还为结构提供了抗侧刚度。在超长混凝土结构中, 抗侧刚度直接影响温差应力、有效预应力等, 如竖向构件抗侧刚度、水平构件相互的变形协调之类的对结构自由变形的抑制作用可统一归为“约束”, 结构的约束越强, 一定的温差作用引起的应力越大, 而后张法建立的有效预应力越小^[5]。同时, 结构中的约束分布也是一个重要概念, 譬如环形结构的约束分布形成的结构约束状态有其特点, 同等构件设置在结构中不同的区位而形成的约束状态也不相同……。约束及约束的分布对结构预应力实际效应的影响显著, 在进行预应力设计时, 需特别注意考虑其影响^[7,8,9]。

　　 文献[5]中推导了约束系数η以描述弹性约束结构温度作用效应和完全约束结构温度作用效应的比例关系、弹性约束结构中实际建立预应力效应与预应力施加力的比例关系, 不动点一般是结构轴力最大的位置, 可用不动点处的约束系数η作为结构的约束系数的代表:

　　 对于规则单跨或多跨框架结构, 基于王铁梦法^[10]中各框架柱对框架梁的反向约束力与其距变形不动点的距离成线性关系的假定, 可推导出^[5]:

　　 式中:D_ci, D_ck分别为端部起第i, k根柱的抗侧刚度;E_BA_B为梁杆件的拉压刚度;m为框架变形不动点一侧半结构的跨数;x_i, x_k分别为端跨起第i, k跨距离变形不动点的距离。

　　 对于连续约束结构:

　　 式中:K为单位长度上的刚度;L为结构端部距离变形不动点的距离。

　　 理论及公式符号更具体的含义详见文献[5]。

　　 引入约束系数后, 尽管单跨框架、多跨框架、连续约束刚度结构的具体结构形式不同, 但结构变形不动点处的温度作用效应F_T都可以表示为:

　　 结构变形不动点的有效预应力作用F_P与预应力施加力N_P的关系为:

　　 采用约束系数的概念进行规则结构温差作用、预应力作用的简化计算具有物理意义明确、方法简洁的特点。且对于复杂约束超长混凝土结构的本质认知以及应用也是有益的。

　　 结构设计中, 模型计算时一般已较全面考虑了结构的实际约束状态, 可得到结构的温度作用效应、预应力效应的合理解, 进而进行具体的设计。当采用等效预压应力的简化设计方法时, 也应考虑结构约束的影响, 可采用约束系数η进行计算。

　　 在混凝土结构形成的过程中, 混凝土的强度等级及弹性模量等力学性能、混凝土收缩、混凝土徐变、预应力筋的松弛特性都是结构中与时间相关的因素。由于这些材料性能与时间的相关性, 对于同一结构, 不同施工过程, 其最终力学状态也不同, 此为结构施工过程的“时间效应”^[5,11,12]。

　　 由于施工过程中结构体系的变化、材料性能的发展、预应力施工的进行等, 对于同一结构, 不同的施工路径, 其最终力学状态不同, 此为结构施工过程的“路径效应”^[5,11,12]。

　　 实际工程的施工过程是时间效应与路径效应耦合的结果, 从而每个可能的结构施工过程都对应着不同的结构反应历程和整体成型时的最终反应^[5,12,13]。此外, 考虑施工过程的时间效应、路径效应的结构分析与整体的一次性分析的结果也不相同。

　　 文献[5]中通过框架算例分析发现, 当结构中预应力张拉施工过程同时伴随着结构刚度的变化 (例如混凝土浇筑) 时, 结构反应与子结构施工的相对顺序有关, 类似的, 也通过算例分析发现, 与时间相关的 (等效) 温差作用下, 结构反应与子结构施工的相对过程有关。文献[14]中通过预应力张拉与后浇带施工交叉的框架的施工过程分析, 发现此施工方式较整体张拉可显著减小端柱位移, 并显著增大框架梁的有效预压力且改善多跨梁中的有效预压力分布。文献[15]通过对上海东方体育中心的施工过程的比较分析, 发现在结构体周边留设后浇带并至张拉预应力之后再封闭周边后浇带, 可明显减小结构体中的次轴力, 从而有效减小框架梁的裂缝宽度。文献[16]中对上海某超长预应力结构进行了抗裂分析研究, 得出采用预应力筋张拉和后浇带交替施工的方式较整体张拉可大幅提高梁、板内的有效预压力并使预压力在构件长度上分布趋于均匀化。文献[17]中通过对体育场建筑预应力混凝土框架结构进行为期1年的混凝土应变监测, 与整体结构的温度效应分析相比, 实际结构由于采用了分块浇筑混凝土和张拉预应力、留设后浇带到气温较低时封闭的施工方法, 应变变化小于整体分析结果, 且绝大部分测点的应变增值小于混凝土极限拉应变。文献[18]对淮北体育场进行了施工过程的有限元分析, 考虑了预应力作用、季节温差作用以及混凝土的收缩与徐变, 分析结果表明不同的施工过程对于结构构件的变形和内力有重要影响。

　　 施工过程的时间效应与路径效应是影响超长混凝土结构受力效应的重要方面, 在工程应用中宜加以考虑, 并可以作为裂缝控制的一方面措施, 《预应力混凝土结构设计规范》 (JGJ 369—2016) ^[1]与《预应力混凝土结构设计规程》 (DGJ 08-69—2015) ^[2]对此方面作了规定。

　　 关于结构的裂缝控制, 应用广泛的是王铁梦提出“抗”与“放”的原则^[10], “抗”为使结构材料的强度超过约束应力或是材料的极限拉伸超过约束拉伸变形而不会引起开裂, 措施主要有选用高强低收缩的高性能混凝土、掺加膨胀剂、使用纤维混凝土、增加配筋率等;“放”即给结构创造自由变形的条件, 从而消弱约束应力而不会引起开裂, 措施主要有设置结构缝、设置滑动支座或隔离层、留设后浇带/施工缝或是采用跳仓法施工以取得一定时期的“放”的效果。

　　 “抗”、“放”原则以及“抗”、“放”结合的体系方法虽然已很好地在解决裂缝控制的问题, 但随着工程实践的发展, 其并未能完全概括或适用所有的问题, 如“抗”未能充分体现工程师对结构的能动的调控和优化, 而“放”多涉及早期温度收缩应力的释放, 对于中、后期及超长整体结构的温度收缩应力则作用不大。对于超长混凝土结构, “抗”、“放”原则未提及其本质问题———结构本身的约束及约束分布, 所以需在“抗”、“放”原则之外添加“防”的原则, 把“抗”、“放”、“防”共同作为工程结构裂缝控制设计的指导原则^[16]。

　　 通过采取调整结构的约束及约束分布等措施, 减小由变形变化引起的结构约束内力, 并确保结构构件对约束内力有足够的抗力, 从而实现裂缝控制, 这可以称为裂缝控制的“防”原则。

　　 文献[16]中对裂缝控制的“防”原则进行了总结, 认为“防”原则应该体现工程人员对于裂缝的主观能动控制并应适用于各种复杂工程结构, 从本质上诠释了结构的超长问题。而“防”原则的实现方法除减小温度作用、减小混凝土收缩量外还应包括在设计及施工中调整结构约束及约束分布 (可针对施工段的子结构及施工成型后的整体结构) 、施加预应力、选择合理的施工路径、设置诱导缝、控制梁柱线刚度比和控制分块施工的结构区块的合拢位置及时间等。“防”的原则并非完全独立于“抗”、“放”原则, 仍有一定的共通方面, 实践应用中可将这三种原则有机结合而采取综合的裂缝控制措施。

　　 采用预应力技术控制超长混凝土结构的裂缝也属于“防”的原则, 通过在超长混凝土结构的梁、板中布置预应力筋施加预应力, 不宜理解为只是抵消了温差效应, 而宜理解为将梁、板中的部分 (等效) 温差内力转移到了竖向约束构件上, 并且施工阶段、使用阶段均能持续起到作用, 文献[5]中对此具体进行了讨论。施加预应力从而主动调整了超静定结构中梁、板构件的受力状态、约束状态, 可减小梁、板中的约束拉力, 起到了裂缝控制的效果, 但因此也在竖向约束构件上施加了作用, 使竖向构件的变形及受力具有了新的特点, 特别是子结构或整体结构的端柱、端墙的位移和内力可能有所加大, 设计中需注意。结构在升温工况下, 由于混凝土抗压强度相对较大, 施加一定的预应力并不易造成混凝土压坏。

　　 如上一问题中所讨论, 通过合理安排超长混凝土结构的施工过程方案, 利用施工过程的时间效应和路径效应, 调整过程前后的结构约束、约束分布状况以及调控结构受到的间接作用, 可以大幅降低结构最终的综合温差反应。相关的, 超长混凝土结构的设计中应将结构筒体、墙体密集区布置在温度变形较小的区域, 施工中可以将强约束状态结构划分为规整的弱约束状态的子结构先后施工, 且在施工中张拉预应力时, 可临时地造成对象结构与强约束构件的隔离, 譬如在楼盖梁板与结构筒体之间设置后浇带, 待预应力施加完成再连成结构整体, 从而改善结构的受力状态。同时, 也可以合理选择结构合拢的时间, 宜选在气温较低的季节进行结构合拢。

　　 对于结构的裂缝控制的“防”原则, 《预应力混凝土结构设计规范》 (JGJ 369—2016) ^[1]与《预应力混凝土结构设计规程》 (DGJ 08-69—2015) ^[2]的多项技术规定中有所体现, 对于指导超长混凝土结构的设计将是有益的。

　　 本文基于《预应力混凝土结构设计规范》 (JGJ[1]) ^[1]的编制、《预应力混凝土结构设计规程》 (DGJ 08-69—2015) ^[2]的修订及相关的前期研究, 主要介绍了超长混凝土结构与预应力设计的一些重要方面。综上所述, 有以下认识:

　　 (1) 广义超长结构的定义更能体现结构超长问题的本质, 不再单一地以结构长度作为判断标准, 使超长混凝土结构及相关预应力设计更科学合理。

　　 (2) 超长混凝土结构及预应力的设计, 需考虑结构约束的影响, 约束及约束分布对于温度及收缩应力的影响显著。引入约束系数η后, 不同形式的结构的温度作用、预应力有效作用都可以归纳至统一形式, 采用约束系数的概念进行规则结构温差作用、预应力作用的简化计算具有物理意义明确、方法简洁的特点。且对于复杂约束超长混凝土结构的本质认知以及应用有所助益。

　　 (3) 结构施工过程的时间效应、路径效应影响着结构的受力状态, 每个可能的结构施工过程都对应着不同的结构反应历程和最终反应, 在超长混凝土结构的工程应用中宜加以考虑, 并可以作为裂缝控制的一方面措施。预应力张拉与后浇带施工交叉的分区块施工方式可显著增大结构中的预压应力且减小位移。

　　 (4) 通过采取调整结构的约束及约束分布等方法措施, 减小变形以及由变形变化引起的结构约束内力, 并确保结构构件对约束内力有足够的抗力, 实现裂缝控制, 这可以称为裂缝控制的“防”原则。“防”原则的实现方法除减小温度作用、减小混凝土收缩外还应包括在设计及施工中调整结构约束及约束分布状态、施加预应力、选择合理的施工路径、设置诱导缝、控制梁柱线刚度比以及控制分块施工的结构区块的合拢位置及时间等。实践中可将“抗”、“放”、“防”三种原则有机结合而采取综合的裂缝控制措施。