超長結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力分析

楊 竣 王曉東

(1.漢嘉設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310005； 2.中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052)

超長結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力分析

楊 竣1王曉東2

(1.漢嘉設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310005； 2.中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052)

以昆明某擬建工程為依托，分析了溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因，從梁、柱、樓板等構(gòu)件方面研究了溫度作用對構(gòu)件產(chǎn)生的影響，并探討了控制結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的措施，以避免結(jié)構(gòu)由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生過大的裂縫。

結(jié)構(gòu)，溫度，應(yīng)力，裂縫

0 引言

混凝土是一種熱脹冷縮的建筑材料，對于大跨度的混凝土建筑結(jié)構(gòu)而言，由于溫差較大所造成自身內(nèi)部熱量的變化，從而使混凝土收縮或者膨脹，造成溫度應(yīng)力。尤其是對于長度越長的結(jié)構(gòu)，其約束較多，溫差不易擴(kuò)散出去。造成溫度應(yīng)力在整個結(jié)構(gòu)中聚集，對于樓板來說，四邊均被約束住，從而易造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫。

1 工程概況

某擬建工程位于云南昆明某地，地下室2層，地上最高為4層，為一綜合體商業(yè)建筑，采用框架結(jié)構(gòu)形式，本工程設(shè)計使用年限為50年，考慮到建筑使用要求和外觀的美觀性，要求整個結(jié)構(gòu)不設(shè)置伸縮縫。整個結(jié)構(gòu)沿著縱向共134.1 m，主要柱距為7.8 m以及8.7 m；沿著橫向跨度為75.1 m。本文主要考慮溫度作用對整個結(jié)構(gòu)的影響，因此不考慮地震作用的影響，其荷載組合也是以恒、活和溫度應(yīng)力組合為主。

2 結(jié)構(gòu)溫度作用的確定

建筑物的環(huán)境溫度由空氣溫度加上太陽熱輻射在建筑物表面產(chǎn)生的日照溫度組成。因為日照具有方向性和直接性，所以建筑物的表面溫度通常與空氣溫度不相同；所以日照溫度對建筑物來說是一個非均勻分布的溫度場。根據(jù)地勘報告，此建筑用地處，月平均最高氣溫為29.8 ℃，月平均氣溫最低為-7.5 ℃。而其年平均氣溫基本在17.5 ℃。據(jù)此確定，最大升溫溫差為29.8-17.5=12.3 ℃；最大降溫溫差為-7.5-17.5=-25 ℃。

除此之外，混凝土收縮也會引起溫差?；炷潦且环N脆性材料，其收縮將會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉力作用，而混凝土實際是一種高受壓，低受拉的材料，因此，拉力會加速混凝土中的裂縫。通過不同的構(gòu)造措施可以抵消或消除由于收縮所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力作用。因此，本文著重討論由于季節(jié)性溫差造成的溫差應(yīng)力分布以及解決辦法。

3 結(jié)構(gòu)溫度作用分析

利用SAP2000建立如下模型:梁柱均使用Beam單元，板采用殼單元。梁柱之間的線剛度按照實際工程模型輸入。整個結(jié)構(gòu)未設(shè)置伸縮縫，溫差按照最大升溫溫差15 ℃，最大降溫溫差-25 ℃考慮。在SAP2000中溫度荷載在各個不同的單元產(chǎn)生熱應(yīng)變，這些熱應(yīng)變是材料膨脹系數(shù)和單元溫度變化的乘積。所以，在定義溫度荷載時候，是通過在不同工況下使用溫度梯度來實現(xiàn)的。在給單元指定溫度的時候，必須先給出參考溫度，再指定溫度荷載，如本文所分析，取參考溫度為平常溫度17.5 ℃，則指定的溫度荷載為32.5 ℃，通過此實現(xiàn)內(nèi)外溫差15 ℃的要求，對于降溫溫差同理可得。結(jié)構(gòu)的彈性模量為3×1010N/m2，泊松比為0.3。熱膨脹系數(shù)為1×10-5。本文擬從梁、柱和樓板等構(gòu)件逐一分析溫度作用對構(gòu)件的影響。

3.1 梁

梁選取軸線1處、軸線5處、軸線9處、軸線11處、軸線16處、軸線21處和軸線27處的主梁，并且在每一層的同一位置選擇相同的主梁進(jìn)行比較，其內(nèi)力分析如圖1，圖2所示。

框架梁的內(nèi)力在每一層之間的不同位置相差不大。但是由底層到頂層，呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，頂上兩層的軸力較底層差異較大。

溫度作用下的結(jié)構(gòu)，處于同一層的梁，其受到的溫差作用基本相同，又因為是位于同一層中，故受到的約束也是一致，故每一層所受到的溫度作用下的軸力大致相同。而隨著樓層數(shù)的增高，水平構(gòu)件梁受到底部的約束作用減少，且整個結(jié)構(gòu)的剛度是隨著樓層的增高而降低的。即隨著樓層數(shù)的增高，約束反而降低了。故在溫度作用下，其所受到的軸力也是逐漸減少。這表明了溫度作用主要是對結(jié)構(gòu)的底部產(chǎn)生的作用較大，因此在進(jìn)行溫度作用分析的時候，可以假定結(jié)構(gòu)在均勻溫度作用下，只考慮底部兩層梁的溫度作用。梁的彎矩分析總體也是呈現(xiàn)出此規(guī)律，并且溫度作用下，梁的不利彎矩總是出現(xiàn)在邊跨位置，注意在實際設(shè)計時候，應(yīng)加強(qiáng)梁的邊跨配筋。

3.2 柱

框架柱的最大內(nèi)力及位置見表1。

表1 框架柱的最大內(nèi)力及位置

在溫度作用下，柱子最不利位置在邊跨處，因為其承受了較大的彎矩和剪力。易發(fā)生彎曲和剪切破壞。因此在設(shè)計時，對端柱應(yīng)該放大其配筋比例，采取柱端加密，甚至全柱加密的方式，保證框架柱在溫度作用下的安全。

并且本文在上述梁柱分析的情況下，通過改變梁柱的線剛度比，反映結(jié)構(gòu)在溫度作用下的內(nèi)力分布規(guī)律。通過分析表明，梁柱線剛度的降低，將導(dǎo)致梁柱中溫度內(nèi)力減少，溫度變形增加的趨勢。這是因為作用在整個結(jié)構(gòu)上的溫度作用是確定的，但是梁柱線剛度減少，則表明梁柱之間的相互約束作用就越弱，所以，溫度應(yīng)力就越低。此分析也驗證了溫度變化和外界約束共同決定了溫度效應(yīng)的強(qiáng)弱。

3.3 樓板

樓板在溫度作用下的最大的變形出現(xiàn)在樓板大開洞的第四層的中間位置，此處的位移矢量值為14.984 mm。此處樓板由于受中空開洞的影響，為三邊約束樓板，受整個結(jié)構(gòu)的約束作用較弱，故此處樓板的變形就越大。綜觀整個結(jié)構(gòu)體系，溫度作用在樓板中的分布規(guī)律見表2。

表2 樓板溫度變形及拉應(yīng)力極值

樓板受到周邊約束作用越強(qiáng)，其溫度應(yīng)力就越大。降溫溫差作用將會在樓板內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，對樓板的受力影響較大。本次工程設(shè)計，樓板面積在第一層較大，所受到的溫度應(yīng)力較大，到上面各層，中間位置空置有中庭，將樓板斷開為幾個部分，影響相對較弱。但從總體看來，在樓板有縮進(jìn)和開洞位置處所產(chǎn)生的拉應(yīng)力均較多，是在設(shè)計中應(yīng)該著重考慮的部分。由溫度產(chǎn)生的整體拉應(yīng)力均已經(jīng)大于樓板所用混凝土材料C35的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，這表明結(jié)構(gòu)在溫度降溫工況作用下，基本處于帶裂縫工作狀態(tài)。本工程采用對樓板加強(qiáng)配筋的方式，來加強(qiáng)控制裂縫的發(fā)展。

4 控制結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的措施

1)加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件部位的強(qiáng)度。

對于板構(gòu)件來說，加強(qiáng)板厚對整個結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的控制不是很明顯。但是，在分析和計算過程中發(fā)現(xiàn)，增加板的配筋，控制樓板的最小配筋率，并且在樓板邊緣附近配置正負(fù)溫度負(fù)筋，采取雙向配筋方式等方法，能夠有效的減少樓板受到溫度作用所產(chǎn)生的裂縫；對于梁構(gòu)件而言，本工程實例表明，結(jié)構(gòu)在降溫時候，梁中產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大梁的拉應(yīng)力為4.2 MPa。故通過梁兩側(cè)所配的腰筋按照0.2%的配筋率構(gòu)造配筋，即可滿足溫度應(yīng)力的受力要求?？蚣苤芰^為復(fù)雜，但通過各種工況的比較表明，溫度應(yīng)力不是起控制作用的組合，按照地震作用等組合正常配筋即可滿足要求。但應(yīng)注意在柱子兩側(cè)按照要求，做好加密區(qū)的構(gòu)造配筋要求。

2)更新施工方法，采取后澆帶方式施工。

在施工過程中，在合適的時間合理設(shè)置后澆帶的位置。通常應(yīng)該將后澆帶設(shè)置在收縮變形或者溫度應(yīng)力集中處，并且在可能情況下，在溫度月平均氣溫降低的時候封閉澆灌施工。在施工過程中，以及施工后，應(yīng)加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)。

3)樓板抗裂措施。

對于樓板而言，其受到的約束應(yīng)力較大，針對此種情況，對于一些次要部位可適當(dāng)開小洞，即可作為設(shè)備管線的通道口，又在一定程度上釋放了約束應(yīng)力。并且在約束較大的部位設(shè)置板底溫度負(fù)筋，在整個板中配置抗裂鋼筋，適當(dāng)增大樓板的配筋率，均能夠有效防止樓板的溫度應(yīng)力裂縫發(fā)展。另一方面，引起板裂縫的主要原因就是混凝土的收縮變形?；炷劣不陂g會不斷釋放水化熱，引起內(nèi)外溫差較大，產(chǎn)生很大的溫度拉力，可以通過在混凝土中摻添加劑，如采用纖維混凝土的辦法，選用低熱低堿水泥，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等方法控制溫度應(yīng)力。

5 結(jié)語

本文通過對某實際工程在溫度工況下的分析，重點討論了結(jié)構(gòu)構(gòu)件(梁、樓板、柱)在溫度作用下的應(yīng)力分布規(guī)律和薄弱位置。并且在此基礎(chǔ)上對內(nèi)力較大的部位采取了加強(qiáng)措施，避免了結(jié)構(gòu)由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生過大的裂縫。當(dāng)然，對于溫度應(yīng)力的預(yù)防和控制，不僅在于設(shè)計上予以重視，更要在施工上以及構(gòu)造措施上加以控制，通過概念和先進(jìn)的技術(shù)手段，解決超長結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力問題。

[1] 鄭毅敏,劉永璨.某體育場環(huán)形超長結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2007(8):17-23.

[2] 彭 波,蔡宏儒.超長結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析方法與控制措施[J].江蘇建筑，2012(2):44-49.

On temperature stress analysis in super-long structures

Yang Jun1Wang Xiaodong2

(1.HanjiaDesignGroupCo.,Ltd,Hangzhou310005,China;2.ChinaUnitedEngineeringCorporation,Hangzhou310052,China)

Based on some planned project in Kunming, the paper analyzes the reasons for the temperature stress, researches the influence of the temperature effect on components from beams, columns, and slabs, and explores the measures to control the temperature stress of the structure, so as to avoid oversize cracks caused by the temperature stress.

structure, temperature, stress, crack

2015-05-20

楊 竣(1981- )，男，工程師； 王曉東(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)22-0037-02

TU311

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