基于溫度作用下預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋的結(jié)構(gòu)分析

朱 琳 張明遠 李 亢 傅禮銘

(1.中冶南方武漢建筑設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430077； 2.武漢理工大設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070； 4.湖北大成空間科技股份有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著人們對溫度的研究逐漸加深，溫度對建筑物的影響也不容忽視。新修訂的《建筑工程設(shè)計文件編制深度規(guī)定(2016版)》中，也新增了溫度作用的有關(guān)計算。溫度影響是屋蓋設(shè)計中需要考慮的一個重要環(huán)節(jié)，屋蓋周圍的環(huán)境溫度作用包括太陽輻射作用、空氣對流作用以及長波輻射作用等，而環(huán)境溫度的變化直接會導致結(jié)構(gòu)溫度場發(fā)生變化，于是，結(jié)構(gòu)在溫度作用下會產(chǎn)生溫度變形和溫度應(yīng)力[1]。由于混凝土空腔樓蓋具有減輕結(jié)構(gòu)自重、降低結(jié)構(gòu)造價、隔音性能良好等諸多優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注，但對于其溫度作用研究較少[2-4]。溫度作用會使混凝土產(chǎn)生裂縫，溫度裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性危害程度更大[5,6]。

屋蓋作為一個將室內(nèi)和室外隔開的構(gòu)件，承受著室內(nèi)外溫度的差異，在超靜定結(jié)構(gòu)中，溫度作用下會產(chǎn)生變形和位移。目前不同國家、不同地區(qū)對混凝土空腔樓蓋的溫度梯度模式及取值沒有取得共識。因此開展大跨度混凝土空腔樓蓋溫度場分布及溫度效應(yīng)的研究，確定更加符合該地區(qū)實際情況的混凝土空腔樓蓋溫度梯度分布模式，具有非常積極的意義。本文將結(jié)合工程實例應(yīng)用ANSYS軟件對溫度作用下的預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋的撓度及變形情況進行分析，以期為空腔樓蓋的溫度作用分析提供思路和參考。

1 工程概況

該工程是湖北省某學校的風雨操場體育館，該體育館占地面積約為190 000 m2；該工程層數(shù)為2層，第1層層高5.4 m，第2層層高6.0 m；取第2層進行溫度對樓蓋的影響分析研究，柱間距為6 m，橫向跨度達到36 m，縱向跨度有42 m，抗震設(shè)防分類為丙類抗震；抗震設(shè)防烈度為6度；場地土類型為Ⅱ；場地分組為第一組。該工程采用空腔樓蓋結(jié)構(gòu)形式，采用DCKQ構(gòu)件，混凝土等級采用C40，DCKQ空腔構(gòu)件剖面圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示[7-9]。

2 預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋數(shù)值模擬

2.1 ANSYS模型建立

ANSYS提供了對各種物理場量的分析模塊，簡而言之，ANSYS基本涵蓋了土木工程的方方面面，能夠提供較精準的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析。于是本文采取大型有限元分析軟件ANSYS對在大跨度預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的空腔樓蓋進行溫度作用下的撓度和內(nèi)力的分析。采用ANSYS對該預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋進行數(shù)值模擬分析，選用組合式進行建模，運用整體式考慮整個樓蓋的普通預應(yīng)力筋，采用實體力筋法中的節(jié)點耦合法來處理預應(yīng)力鋼筋，采用降溫法來施加預應(yīng)力。該預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋有限元模型如圖3所示，預應(yīng)力筋單元模型如圖4所示。

2.2 確定溫度梯度方案

對于本文所選的實際工程，是湖北省某學校的風雨操場，作為室內(nèi)場館，我們假定室內(nèi)溫度恒定為20 ℃，室外溫度根據(jù)查閱相關(guān)書籍資料可知：湖北地區(qū)夏季人體可以感受到的溫度有40 ℃，但是，橋面、屋面等長時間在室外處于太陽炙烤之下，溫度可以達到50 ℃；雖然隨著全球氣溫的變暖，現(xiàn)在湖北省冬季氣溫最低在-5 ℃左右，但是在20世紀90年代的時候冬季氣溫能達到-10 ℃。所以本章在研究溫度作用時，溫度上限選取50 ℃，溫度下限為-10 ℃。

綜上，為了更準確的研究該預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋在不同溫度梯度作用下的撓度和內(nèi)力變化，現(xiàn)根據(jù)上述實際情況，以5 ℃為溫度梯度，對該預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋取以下13種不同溫度梯度下進行撓度和應(yīng)力分析，見表1。

表1 溫度梯度設(shè)置情況 ℃

3 結(jié)果分析

3.1 撓度分析

預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋進行溫度加載后，該樓蓋的最大撓度值統(tǒng)計如表2所示，樓蓋跨中撓度值統(tǒng)計如表3所示。

表2 不同溫度梯度下該樓蓋最大撓度值

表3 不同溫度梯度下該空腔樓蓋跨中撓度值

由表2可以看出：隨著室外室內(nèi)的溫差由正最大變?yōu)樨撟畲蟮倪^程中，撓度值方向始終向下，且呈現(xiàn)增加趨勢，數(shù)值越來越大。

由表3可以看出：在以上13種工況中，該樓蓋的跨中撓度值隨著室外室內(nèi)的溫差由正最大變?yōu)樨撟畲蟮倪^程中，跨中撓度值由正變?yōu)樨摚医^對值越來越大。

綜上所述，可以很明顯的看出，溫度作用對該樓蓋撓度有著明顯的影響，變形總是更傾向于溫度高的一側(cè)，在室內(nèi)溫度恒定的情況下，室外溫度越高，上板面起拱值越大，可以抵消的向下的結(jié)構(gòu)位移值就越大，最終，該樓蓋呈現(xiàn)出的撓度值就越小；而室外溫度越低，相對而言下板面溫度較高，下板變形更大，于是，整個結(jié)構(gòu)的撓度值向下增大。

3.2 應(yīng)力分析

13種不同溫度梯度作用下，預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋X方向應(yīng)力值統(tǒng)計如表4所示。

表4 不同溫度梯度下該樓蓋X方向跨中應(yīng)力值

由表4可以很明顯的看出，在該樓蓋的跨中區(qū)域，溫度作用對該樓蓋X方向應(yīng)力值存在明顯的影響，在室內(nèi)溫度恒定的情況下，跨中X方向應(yīng)力值為壓應(yīng)力，隨著室外溫度的降低，壓應(yīng)力數(shù)值越來越小。

4 結(jié)語

研究溫度作用對大跨度預應(yīng)力混凝土空腔樓蓋撓度和受力性能的影響，有利于該新型結(jié)構(gòu)形式的推廣與應(yīng)用，并對實際工程具有指導意義。本文通過對不同溫度梯度作用下樓蓋的撓度值進行分析研究，得出了不同溫度梯度作用下的撓度值的變化特點：

1)隨著室外溫度的降低，該空腔樓蓋撓度值逐漸增大。該樓蓋撓度值的變化由邊緣附近先開始，然后逐漸向跨中過渡，直至布滿整個跨中，在跨中呈現(xiàn)出最大撓度值，溫度作用對跨中撓度值的影響更大。

2)隨著室外溫度的降低，該空腔樓蓋壓應(yīng)力值降低幅度越來越大。通過對溫度作用下該空腔樓蓋X方向應(yīng)力值的分析，可以看出，在室內(nèi)溫度恒定的情況下，跨中X方向應(yīng)力值為壓應(yīng)力，隨著室外溫度的降低，壓應(yīng)力數(shù)值越來越小；而壓應(yīng)力值降低幅度隨著溫度的降低越來越大。