超長(zhǎng)地下結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析及工程應(yīng)用

黃景銘

0 引言

熱脹冷縮是建筑物的普遍特性，一座建筑物，尤其是超長(zhǎng)建筑，從施工到投入使用，結(jié)構(gòu)所承受的溫度作用在各階段是不同的，相應(yīng)的溫度作用效應(yīng)也會(huì)隨之發(fā)生改變，只有充分分析建筑物在各個(gè)階段所承受的溫度荷載類型，采用合適的溫度荷載計(jì)算方法，確定溫度作用計(jì)算工況，才能為進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度作用效應(yīng)計(jì)算作好準(zhǔn)備。

1 溫度參數(shù)的確定

廈門(mén)地區(qū)溫度計(jì)算基本參數(shù)取值:夏季室外日平均氣溫為35.6℃;冬季室外日平均氣溫為4℃。室內(nèi)溫度計(jì)算取值:正常工作情況(有空調(diào))夏季為28℃;冬季為18℃;非正常工作情況(無(wú)空調(diào))夏季為35.6℃;冬季為7℃。結(jié)構(gòu)混凝土終凝溫度取值10℃～25℃，根據(jù)該工程實(shí)際情況可取:冬季的混凝土終凝溫度T=10℃;夏季的混凝土終凝溫度T=25℃。

2 溫度荷載的確定

2.1 混凝土收縮轉(zhuǎn)化為等效溫差取值

混凝土溫差自由應(yīng)變?yōu)?

其中，α為混凝土線膨脹系數(shù)，α=10-5/℃。

結(jié)合該工程實(shí)際情況，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)置后澆帶(兩個(gè)月)，可認(rèn)為混凝土已完成大部分收縮變形，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[2]后期殘余變形僅為5.0×10-5。因此，混凝土收縮當(dāng)量溫差為:

2.2 季節(jié)溫差

季節(jié)性溫度的變化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，溫度變化呈現(xiàn)緩慢而勻速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。季節(jié)溫差由結(jié)構(gòu)正常使用時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中面計(jì)算溫度T中與混凝土終凝溫度T凝之差來(lái)計(jì)算:

考慮施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)混凝土自身收縮作用，只需將混凝土收縮等效溫差與季節(jié)溫差進(jìn)行疊加，一并計(jì)算。

2.3 溫度驟變

廈門(mén)地區(qū)冬季極端最低氣溫平均值為-4.5℃，夏季極端最高氣溫平均值為39℃。

3 溫度工況

3.1 構(gòu)件計(jì)算溫度參數(shù)

由于不受氣溫變化的直接影響，構(gòu)件處于均勻溫度變化場(chǎng)之中，構(gòu)件各部分溫度相同;外圍構(gòu)件(屋蓋及外墻)，其中面溫度T中等于構(gòu)件內(nèi)外表面溫度的平均值，可用下式求得:

夏季正常工作環(huán)境，室內(nèi)空調(diào)保持恒溫，有隔熱。

外圍構(gòu)件:T中=(35.6℃ +28℃)/2=31.8℃;內(nèi)部構(gòu)件:T中=28℃。

夏季非正常工作環(huán)境，室內(nèi)無(wú)空調(diào)，有隔熱。

外圍構(gòu)件:T中=35.6℃;內(nèi)部構(gòu)件:T中=35.6℃。

冬季正常工作環(huán)境，室內(nèi)空調(diào)保持恒溫，有保溫。

外圍構(gòu)件:T中=(4℃ +18℃)/2=11℃;內(nèi)部構(gòu)件:T中=18℃。

冬季非正常工作環(huán)境，室內(nèi)無(wú)空調(diào)，有保溫。

外圍構(gòu)件:T中=(4℃ +7℃)/2=5.5℃;內(nèi)部構(gòu)件:T中=7℃。

3.2 溫度工況

工況1:混凝土收縮等效溫差+季節(jié)溫差(冬季結(jié)構(gòu)混凝土終凝溫度至夏季構(gòu)件計(jì)算溫度)，室內(nèi)為夏季正常工作環(huán)境，外圍構(gòu)件:31.8℃ -10℃ -5℃ =16.8℃;內(nèi)部構(gòu)件:28℃ -10℃ -5℃=13℃。工況2:混凝土收縮等效溫差+季節(jié)溫差(冬季結(jié)構(gòu)混凝土終凝溫度至夏季構(gòu)件計(jì)算溫度)，室內(nèi)為夏季非正常工作環(huán)境，外圍構(gòu)件:35.6℃ -10℃ -5℃ =20.6℃;內(nèi)部構(gòu)件:35.6℃ -10℃ -5℃ =20.6℃。工況3:混凝土收縮等效溫差+季節(jié)溫差(夏季結(jié)構(gòu)混凝土終凝溫度至冬季構(gòu)件計(jì)算溫度)，室內(nèi)為冬季正常工作環(huán)境，外圍構(gòu)件:11℃ -25℃ -5℃ =-19℃;內(nèi)部構(gòu)件:18℃ -25℃-5℃ =-12℃。工況4:混凝土收縮等效溫差+季節(jié)溫差(夏季結(jié)構(gòu)混凝土終凝溫度至冬季構(gòu)件計(jì)算溫度)，室內(nèi)為冬季非正常環(huán)境，外圍構(gòu)件:5.5℃ -25℃ -5℃ =-24.5℃;內(nèi)部構(gòu)件:7℃ -25℃ -5℃ =-23℃。工況5:冬季遭遇極低溫度天氣，外圍構(gòu)件外表面溫度降低:-4.5℃ -4℃ =-8.5℃，外圍構(gòu)件計(jì)算溫度較平均溫度降低:(-8.5℃ +0℃)/2=-4.25℃;內(nèi)部構(gòu)件溫度不變。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 溫度計(jì)算

本文以長(zhǎng)300 m、寬100 m的假想地下2層結(jié)構(gòu)為對(duì)象模擬測(cè)試溫度計(jì)算的過(guò)程，混凝土收縮在構(gòu)件中產(chǎn)生拉應(yīng)力使混凝土開(kāi)裂，溫度荷載按最不利工況考慮:選取工況2作為升溫工況，選取工況4作為降溫工況，在溫度荷載作用下對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析計(jì)算。由于組成建筑結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)件本身特性不同，其在溫度作用下的溫度內(nèi)力或應(yīng)力的數(shù)值和分布也具有各自的特點(diǎn)和規(guī)律。下面分別分析結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在工況4溫降作用下的溫度效應(yīng)，并對(duì)分析結(jié)果采用不同的設(shè)計(jì)手段。

4.2 地下室頂板

計(jì)算顯示:地下2層中板大部分區(qū)域應(yīng)力介于0.5 MPa～1.3 MPa，局部最大應(yīng)力為1.5 MPa;地下1層頂板大部分區(qū)域應(yīng)力介于 0.8 MPa～2.3 MPa，局部最大應(yīng)力為 2.5 MPa;文中給出地下1層頂板整體施工階段x方向溫度應(yīng)力(見(jiàn)圖1)，以及靠近洞口及側(cè)墻區(qū)域應(yīng)力集中處應(yīng)力分布圖。可以看到施工階段中間區(qū)域溫度應(yīng)力最大，拐角、頂板洞邊以及洞口與洞口之間較窄等位置應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，應(yīng)力較大。有限元計(jì)算結(jié)果表明，部分區(qū)域的溫度拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，如不配置相應(yīng)的溫度筋，混凝土可能出現(xiàn)較多開(kāi)裂。

圖1 溫縮下局部區(qū)域頂板面x向應(yīng)力云圖

4.3 梁構(gòu)件

經(jīng)常有設(shè)計(jì)人員反映，考慮溫度荷載后，梁內(nèi)力增大很多，超筋現(xiàn)象嚴(yán)重。究其原因，主要是因?yàn)閷?duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，沒(méi)有考慮混凝土徐變產(chǎn)生的應(yīng)力松弛和構(gòu)件界面裂縫的影響，從而使結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果很大。以梁1為例:分別按照不計(jì)算溫度荷載，計(jì)算溫度荷載時(shí)不考慮應(yīng)力松弛系數(shù)和梁柱混凝土彈性剛度折減，計(jì)算溫度荷載時(shí)考慮應(yīng)力松弛系數(shù)和梁柱混凝土彈性剛度折減這三種情況計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 梁1計(jì)算結(jié)果比較

表1計(jì)算結(jié)果表明:考慮混凝土徐變產(chǎn)生的應(yīng)力松弛和構(gòu)件界面裂縫的影響，其配筋結(jié)果要比不考慮溫度荷載大，但比較合理，梁也不會(huì)超筋。否則，溫度荷載計(jì)算值將會(huì)大很多，超筋現(xiàn)象嚴(yán)重，使得設(shè)計(jì)人員無(wú)所適從。

5 結(jié)語(yǔ)

本文討論了地下超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度作用計(jì)算工況的確定方法，考慮了可能影響建筑物溫度效應(yīng)的各種因素，并通過(guò)具體工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算，實(shí)際計(jì)算表明，采用本文設(shè)計(jì)的超長(zhǎng)地下結(jié)構(gòu)溫度作用計(jì)算工況，可以滿足實(shí)際超長(zhǎng)建筑溫度問(wèn)題的計(jì)算需要，該方法具有一定工程適用性和可操作性，為今后工程技術(shù)人員考慮溫度作用設(shè)計(jì)溫度計(jì)算工況提供參考。

[1]GBJ 19-87，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]劉興發(fā).混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京:人民交通出版社，1999.

[3]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.