嚴(yán)寒地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與材料的選擇

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摘要:結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從東北地區(qū)氣候特點(diǎn)入手，分析嚴(yán)寒、凍融環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生破壞的主要原因，提出嚴(yán)寒地區(qū)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要點(diǎn)及材料選用建議，以減輕嚴(yán)寒、凍融環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響。

關(guān)鍵詞:嚴(yán)寒地區(qū);結(jié)構(gòu)材料;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1東北地區(qū)氣候特點(diǎn)

東北地區(qū)自南向北橫跨中溫帶與寒溫帶，屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥。東北地區(qū)緯度較高，冬半年晝短夜長(zhǎng)，獲得熱量少，靠近冬季風(fēng)源地，處于北冰洋寒冷氣流南下通道，深受寒冷氣流影響。地勢(shì)西高東低，冬季寒冷氣流來(lái)自西北地區(qū)，冷空氣從高而下，加劇寒冷。以?xún)?nèi)蒙古呼倫貝爾市海拉爾區(qū)氣候特點(diǎn)為例，海拉爾屬中溫帶半干旱大陸性草原氣候。由于緯度偏高，遠(yuǎn)離海洋，加之大興安嶺的屏障作用，使?jié)駶?rùn)的海洋性氣候團(tuán)的影響減弱，大部分時(shí)間在西伯利亞高壓的控制之下，形成了如下區(qū)域氣候特點(diǎn):春季多大風(fēng)少雨，蒸發(fā)量大;夏季溫涼而短促，降水集中;秋季降溫快，霜凍早;冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，地面積雪時(shí)間長(zhǎng)。年平均氣溫為－1℃～－2℃，1月(最冷月)平均低溫為－30.83℃，7月(最熱月)平均高溫為25.84℃。

2嚴(yán)寒、凍融環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生破壞的主要原因

在工程領(lǐng)域主要使用的結(jié)構(gòu)材料包括水泥、混凝土、砌塊、砂漿、鋼材等。過(guò)低的溫度會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料性能產(chǎn)生不利影響。以鋼材為例，當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，隨著溫度降低，鋼材強(qiáng)度提高，但塑性和韌性降低，逐漸變脆。不合理的選材及設(shè)計(jì)使構(gòu)件極易發(fā)生脆斷。春暖花開(kāi)，氣溫升高，東北地區(qū)早晚溫差大，凍融循環(huán)對(duì)結(jié)構(gòu)破環(huán)也尤為嚴(yán)重。凍融循環(huán)主要由于結(jié)構(gòu)材料自身孔隙以及施工中濕作業(yè)拌和用水蒸發(fā)后留下的空隙。在凍融環(huán)境下，空氣中水蒸氣會(huì)進(jìn)入材料空隙中，低溫使空氣中水蒸氣結(jié)冰、膨脹產(chǎn)生拉應(yīng)力。而混凝土、砌塊特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高但抗拉強(qiáng)度低、水蒸氣結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)破壞結(jié)構(gòu)。所以，在設(shè)計(jì)嚴(yán)寒地區(qū)的工程項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)注意低溫、凍融環(huán)境對(duì)材料的影響，保證結(jié)構(gòu)的安全及耐久性符合規(guī)范要求。

3嚴(yán)寒地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中材料的選擇

3.1水泥

工程實(shí)踐中水泥是最常用的膠凝材料，按化學(xué)成分可分為硅酸鹽系水泥、鋁酸鹽系水泥、硫鋁酸鹽系水泥、鐵鋁酸鹽系水泥等，其中硅酸鹽系水泥在工程實(shí)踐中最為常用。通用水泥依據(jù)熟料、混合材料比例不同分為:硅酸鹽水泥(P•Ⅰ、P•Ⅱ)、普通硅酸鹽水泥(P•O)、礦渣硅酸鹽水泥(P•S)、火山灰硅酸鹽水泥(P•P)、粉煤灰硅酸鹽水泥(P•F)、復(fù)合硅酸鹽水泥(P•C)。其中，硅酸鹽水泥熟料含量最高，摻入混合材料最少。其特點(diǎn)是早期強(qiáng)度高、水化熱大、抗凍性好。普通硅酸鹽水泥在水泥熟料中摻入5%～20%的混合材料，其特點(diǎn)與硅酸鹽水泥基本相同，但抗凍性、耐磨性、抗碳化性能略有降低。普通硅酸鹽水泥價(jià)格是硅酸鹽水泥的0.6～0.7倍，價(jià)格相對(duì)較低。在滿(mǎn)足功能要求的同時(shí)，有利于節(jié)約建設(shè)投資。所以，普通硅酸鹽水泥在工程實(shí)踐中最為常用。礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥分別在水泥熟料中加入粒化高爐礦渣(含量＞20%且≤70%)、火山灰(含量＞20%且≤40%)、粉煤灰(含量＞20%且≤40%)、兩種混合材料(含量＞20%且≤50%)。水泥中大量混合料的摻入，會(huì)使這一類(lèi)水泥有以下特點(diǎn):水化速度慢，水化熱低;早期強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度發(fā)展較快;對(duì)溫度敏感，適合高溫養(yǎng)護(hù);耐腐蝕性好。但在水泥熟料中摻入大量混合料，使這一類(lèi)水泥的抗凍性不好，不適宜嚴(yán)寒地區(qū)使用。綜上所述，針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)工程，尤其是凍融環(huán)境下的工程，從經(jīng)濟(jì)性、適用性、耐久性等因素綜合考慮，應(yīng)該優(yōu)先選用普通硅酸鹽水泥(≥42.5級(jí))，且不宜使用混合材料摻量過(guò)過(guò)多的水泥(如:礦渣水泥、粉煤灰水泥等)。

3.2混凝土

工程實(shí)踐中混凝土是應(yīng)用最廣泛的建筑材料?；炷涟此媚z凝材料可分為:水泥混凝土、石膏混凝土、瀝青混凝土、樹(shù)脂混凝土等。其中，用水泥作為膠凝材料的普通混凝土最為常用。普通混凝土由水泥、砂、石、水、外加劑等拌和而成。其中，骨料(集料)一般占混凝土總體積的70%左右。骨料在混凝土中起到了骨架的作用，限制了混凝土的收縮。大小不同顆粒骨料搭配的程度叫做顆粒級(jí)配。骨料級(jí)配良好的混凝土，在節(jié)約水泥漿用量的同時(shí)，可以提高混凝土的流動(dòng)性和黏聚性，提高混凝土密實(shí)度及強(qiáng)度，減小混凝土的形變和收縮。針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)工程，尤其是凍融環(huán)境下工程，從經(jīng)濟(jì)性、適用性、耐久性等因素綜合考慮，應(yīng)優(yōu)先選用級(jí)配好的砂石進(jìn)行拌制，這樣可使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，有利于抵抗凍融循環(huán)對(duì)混凝土的破壞。還可節(jié)約水泥用量。嚴(yán)寒地區(qū)優(yōu)先選用普通硅酸鹽水泥(≥42.5級(jí))作為膠凝材料?；炷涟柚七^(guò)程中也可摻入外加劑(如松香皂等引氣劑)，使混凝土內(nèi)部摻入大量均勻分布且穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，提高混凝土的抗凍性。

3.3鋼材

工程實(shí)踐中，鋼材應(yīng)用極為廣泛。鋼材按化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼。依據(jù)脫氧程度可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼材受溫度影響很大，低溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)隨著溫度降低鋼材強(qiáng)度提高而塑性和韌性降低、逐漸變脆的低溫冷脆現(xiàn)象。低溫冷脆使鋼結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)使用安全。針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)工程，應(yīng)充分考慮項(xiàng)目氣候條件對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，合理選用適宜嚴(yán)寒地區(qū)使用的鋼材。應(yīng)注意鋼材中碳、磷、氮等對(duì)鋼材低溫冷脆性能的影響。

3.4砂漿

砂漿主要應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)砌筑、建筑物外立面抹面以及裝修材料粘結(jié)等。砂漿按所使用的膠凝材料種類(lèi)不同分為水泥砂漿、石膏砂漿、石灰砂漿、混合砂漿等。砂漿主要由膠凝材料、細(xì)骨料、水、摻和料及外加劑組成。大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)原材料質(zhì)量一定時(shí)，砂漿強(qiáng)度主要取決于膠凝材料強(qiáng)度與用量。膠凝材料技術(shù)性能對(duì)砂漿有著重要影響。針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)工程，在選用砂漿時(shí)宜優(yōu)先用以普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料的水泥砂漿。普通硅酸鹽水泥熟料含量較高，可以確保砂漿能夠抵抗嚴(yán)寒地區(qū)冬季低溫及凍融對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，提高耐久性。普通硅酸鹽水泥價(jià)格相對(duì)較低，有利于節(jié)約工程造價(jià)。

4嚴(yán)寒地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1砌體結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)嚴(yán)寒地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)注意凍融循環(huán)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響。依據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50003—2011中4.3.5條規(guī)定，在凍脹地區(qū)，地面以下或防潮層以下的砌體，不宜采用多孔磚，如采用時(shí)，其孔洞應(yīng)用不低于M10的水泥砂漿預(yù)先灌實(shí)。當(dāng)采用混凝土空心砌塊時(shí)，其孔洞應(yīng)采用強(qiáng)度等級(jí)不低于Cb20的混凝土預(yù)先灌實(shí)。在很潮濕的環(huán)境下，選用燒結(jié)普通磚砌筑時(shí)，強(qiáng)度不應(yīng)低于MU20，砌筑砂漿采用水泥砂漿時(shí)強(qiáng)度不低于M7.5。

4.2鋼結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)嚴(yán)寒地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)注意鋼材在低溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)低溫冷脆現(xiàn)象。低溫冷脆會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)脆性破壞，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)使用安全。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)在正確選擇鋼材的同時(shí)，充分考慮項(xiàng)目氣候條件，合理確定設(shè)計(jì)溫度，避免應(yīng)力集中。應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求制作，注意焊接殘余應(yīng)力的影響。在使用階段，不能隨意超載、改變結(jié)構(gòu)使用功能。盡量減小低溫對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，杜絕低溫冷脆現(xiàn)象的發(fā)生，確保鋼結(jié)構(gòu)使用安全。

參考文獻(xiàn):

［1］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，GB50017－2017［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

［2］砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50003—2011［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

作者：孫瑞澤 單位：內(nèi)蒙古誠(chéng)創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司