复杂环境下大跨度混凝土梁裂缝控制设计实例

摘要：随着工业厂房规模越来越大，车间生产环境越来越复杂，结构设计在裂缝控制方面的要求越来越严格。通过对一个大型工业厂房工程在复杂环境下设计实例的分析，阐述了同一根梁上下部可以按实际情况采取不同的表面裂缝计算宽度限值，为大家提供了一个不同的结构设计思路。以供结构设计工程师参考。
　　关键词：复杂环境；腐蚀性；裂缝控制；
　　
　　1工程概况
　　本工程是山东省潍坊市某粘胶短纤维工程-纺练车间项目，建筑总高度31.950m，建筑面积17006.44㎡，属于高层工业厂房，结构形式是现浇钢筋混凝土框架结构。结构内集中了烘干车间、浴站、精炼车间、纺丝车间，CS2回收站等各种不同功能的车间以及各种类型的大型设备。由于车间内设备众多、生产工艺复杂，有的区域温度很高，有的区域有酸、碱性腐蚀性气体及液体排放，有的区域甚至有有毒性气体溢出，平时进入要带防护工具，所以造成混凝土结构的环境类别比较复杂。同时由于设备众多且重量较大，楼层上支下吊的各种输送管线很多，所以楼层的均布和集中荷载均很大。而且由于设备布置以及操作空间的要求，楼层梁的跨度较大且梁高由于净空有限制要求。所以由于荷载大、跨度大、环境复杂、净空要求等几种因素的综合影响，在梁的设计过程中裂缝控制成为了主要因素。
　　2荷载布置
　　现在我们拿出某一层中的某一跨12m的典型框架梁（此类梁以及其所处混凝土结构的环境类别在本项目中数量最多）来进行分析计算。柱距12m×8m，层高7m，楼面均布恒载为5.3kN/㎡，均布活载为8.0kN/㎡。梁上所承受的集中荷载中恒荷载有墙体自重、设备基础和钢平台及钢吊杆的自重等；活荷载有设备及其中物料重量，吊挂的管线和吊轨的重量，以及考虑这些设备在运行中产生的振动影响等等荷载。由于梁上集中荷载数量较多且布置比较复杂，同时没有规律性，为了简化起见，现不一一列出。我们只要把通过PKPM软件计算后的配筋结果给出就可以表述明白我们所要说明的问题。
　　3内力和配筋计算结果
　　为了使计算结果前后一致且具有可比性，计算过程统一用同一版本的SETWE软件，图1为梁配筋计算结果。从计算结果中可以看出由于荷载及梁跨度均较大，所以弯矩、剪力计算结果较大，相应的配筋计算结果也较大。
　　
　　图1梁配筋计算结果
　　4钢筋配置
　　此梁所处的混凝土结构的环境类别按《混凝土结构设计规范》GB50010–2002表3.4.1中规定为五类受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境[1]，也就是《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476–2008表3.2.1中规定的的Ⅴ类化学腐蚀环境[2]，并且结合《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046-2008[3],确定环境的腐蚀性等级为中腐蚀性，表面裂缝计算宽度限值为0.20mm。
　　钢筋混凝土梁截面为450×1350mm，混凝土强度等级为C35，钢筋全部为热轧钢筋HRB400。梁的配筋完全按PKPM软件裂缝控制自动选筋，分两种情况：
　　4.1按表面裂缝计算宽度限值为0.30mm选筋
　　梁上下部配筋均按表面裂缝计算宽度限值为0.30mm选取，如图2所示。按0.30mm裂缝宽度限值选筋，从图中可以看出选筋的结果已经比原配筋计算结果大出不少，虽然钢筋分布相对还比较合理，但是不满足相关规范中要求的表面裂缝计算宽度限值，不能采用。
　　
　　图2按0.30mm裂缝宽度限值选筋图3按0.20mm裂缝宽度限值选筋
　　4.2按表面裂缝计算宽度限值为0.20mm选筋
　　梁上下部配筋均按表面裂缝计算宽度限值为0.20mm选取，如图3所示。如果按0.20mm裂缝宽度限值选筋，上下部配筋均达到三层，给施工带来了很大麻烦，钢筋层数较多，钢筋的排布与绑扎和混凝土的浇筑与振捣的质量都不容易保证，给关键部位受力结构部件质量埋下隐患。梁下部钢筋可按弯矩包络图只需部分伸入支座，但上部钢筋太多地震时不易在梁上出现塑性铰，无法满足强柱弱梁的抗震要求。如果考虑加大梁的截面，首先受到设备操作净空要求的限制，其次梁柱比例将会较大失调，对整个结构来说都不利。所以完全按0.20mm的裂缝宽度限值来选配钢筋也不能完全满足安全和实际使用功能的要求。
　　4.3最终选筋结果
　　通过对工艺布置以及生产过程的详细了解，此梁的主要腐蚀介质为，梁下部为下层设备中蒸发出的酸及碱性蒸汽气体，对梁的裂缝控制要求较高，而梁上部主要为弱酸或弱碱性液体腐蚀。由于生产过程要分别经过酸洗和碱洗，本例中只是随意选取了一根梁，所以对整个楼层来说梁有可能在酸性或者碱性腐蚀介质中。在设计中建筑专业对梁的上下部都做了防腐蚀面层处理，但是考虑到梁下部要进行仰头施工，做好防腐蚀面层的难度较大，施工质量不易保证，再者是气体介质腐蚀，所以对梁下部裂缝控制要求较高，应从严控制，因此梁下部选筋应按0.20mm裂缝宽度限制控制。而梁上部由于是液体性腐蚀，建筑专业不光严格设计了防腐蚀面层，而且还在其上贴了耐酸碱瓷砖，防水、防腐蚀措施做的很好，并且在楼层上部的施工质量也容易保证，因此梁上部的表面裂缝计算宽度限值是否可以按0.30mm采用？经过与建筑专业研究协商并征得甲方同意采取了以下措施：
　　（1）在楼层所有梁板混凝土中添加膨胀剂，保证混凝土的密实性；加强监理保证梁的施工质量以及养护措施。
　　（2）让建筑专业设计防腐蚀面层时按柔性面层设计。
　　（3）楼面上设计适当围堰规划腐蚀性液体排放路径，尽量让其靠近跨中部位经过，并做好楼面找坡，规划好地漏位置，加快排放速度，尽量缩短腐蚀性液体在楼面的停留时间。
　　通过采取以上各种措施，梁上部配筋可以按0.30mm裂缝宽度限值选取，最终施工图配筋结果如图3中所示。本工程自建成至今一直在正常使用，没有产生因裂缝而影响结构安全和延误生产的事故。
　　
　　图3最终施工图配筋结果
　　5结论及建议
　　通过上面工程实例的分析，可见设计中结合工程的实际情况并与其他各专业紧密配合，使设计的最终结果既保证了结构的安全又很好的满足了工程实际使用功能的要求，在此大规模的工业厂房中取得了不错的经济效应。因此把这个工程实例写出来，提供给广大结构工程师一个不同设计思路的参考。
　　参考文献：
　　[1]    GB50010–2002混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
　　[2]    GB/T50476–2008混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
　　[3]    GB50046–2008工业建筑防腐蚀设计规范[S].北京：中国计划出版社，2008.
　　[4]    GB50009–2001建筑结构荷载规范（2006年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
　　[5]    龙驭球,包世华.结构力学教程[M].北京：高等教育出版社，1999.