考慮施工過程模擬的超長結構溫度應力分析

黃長鑫

（青島隆岳置業有限公司，山東 青島 266000）

1 引言

混凝土結構溫度應力分析涉及的因素較為復雜[1]，針對溫度效應，現行的設計規范及標準給出了一定的構造措施，但并不能很好地結合施工過程來揭示溫度應力對混凝土結構的影響，尤其在大體量混凝土結構的設計過程中，無法很好地解決實際問題。

目前，常規的溫度應力分析采用的方法是：統計全年最高溫度與最低溫度得到最不利溫差，并將其一次性輸入結構模型中，有時會考慮后澆帶設置，并輔助混凝土收縮徐變效應。但是由于實際工程是逐層建成的，不同樓層施工完成的時間不一樣，因而各層結構應輸入不同的溫差。因此，在溫度應力分析過程中，溫度應力不應一次性施加在結構或構件中。這種不考慮施工過程的溫差效應計算方法與實際存在一定差異，有必要對其進行優化設計。本文結合某工程算例，探究了考慮結構生命全過程最不利溫差的溫度應力分析方法，以及上述作用對結構溫度應力的影響，以期為超長、大體量工程的結構設計提供借鑒。

2 分析案例概況

本文對某實際工程進行了簡化處理，建立了一個主樓帶裙房的框架剪力墻結構作為分析對象。其中，主樓15 層，裙房5 層，無地下室，有空調采暖，各層層高均為4 m。柱網尺寸8 m×8 m，主梁截面為400 mm×700 mm；柱截面尺寸包括：800 mm×800 mm；1 000 mm×1 000 mm；1 200 mm×1 200 mm；板厚200 mm，剪力墻厚300 mm。梁、板、墻、柱混凝土強度等級均為C30。算例的整體模型如圖1 所示。計算軟件采用MIDAS GEN V800。

圖1 計算模型簡圖

3 施工過程模擬

實際工程是逐層建成的，不同樓層施工完成的時間并不相同，所以，結構應分層施加不同的溫度荷載，即：對混凝土結構進行溫度應力分析時，溫度應力要隨著施工過程分批施加至結構上，不能一次性施加。隨著施工過程的推進，結構每層施工時所處的月份不同，結構的溫差也會有所差異。因此，結構設計時應充分溝通建設方，按照施工組織計劃逐步施加溫度荷載。以上是考慮施工過程的溫度應力分析要點，下面對具體操作過程進行闡述。

3.1 結構溫差計算

造成結構或構件產生溫度應力的溫度荷載主要分為兩種：

1）構件內表面與外表面之間的溫差，以下稱為局部溫差。

2）構件中心在結構壽命周期中所承受的溫度差，以下稱為整體溫差。建筑從施工到使用，結構構件經歷的局部溫差一般可通過施工覆蓋予以降低，考慮到其對結構的影響較小，暫不作為研究對象。但整體溫差卻對結構性能影響較大，本文將對其進行重點分析。

按照時間順序，整體溫差按照施工階段和使用階段分別考慮。低溫澆筑混凝土時，混凝土的合龍溫度按照施工當月的平均氣溫考慮。

施工階段：整體溫差=月最高（最低）氣溫±合龍時溫度使用階段：整體溫差=使用時溫度-合龍時溫度。

溫度效應計算參考了項目所在地的氣象統計資料。本算例中，由于主樓體量較小，溫度應力的影響可忽略，因此，僅考慮裙房結構的溫差效應。裙房溫差的計算結果如下。

3.1.1 施工階段

假設算例中施工每層需要1~2 個月，以最不利工況（最高溫度月份起算）進行各施工過程的溫差取值，設定裙房施工從溫度最高的7 月份開始，次年3 月底進行裙房的裝修。施工階段負溫差=月最低氣溫-合龍時溫度，則有：

7 月，1F 施工：1F 溫度差=-7.0 ℃；

8 月，2F 施工：2F 溫度差=-6.8 ℃；1F 溫度差=-6.9 ℃；

9 月，3F 施工：3F 溫度差=-6.5 ℃；2F 溫度差=-11.8 ℃；1F 溫度差=-12.9 ℃；

10 月，4F 施工：4F 溫度差=-12.8 ℃；3F 溫度差=-16.8 ℃；2F 溫度差=-22.8 ℃；1F 溫度差=-22.9 ℃；

11 月，5F 施工：5F 溫度差=-11.8 ℃；4F 溫度差=-19.9 ℃；3F 溫度差=-23.6 ℃；2F 溫度差=-29.6 ℃；1F 溫度差=-29.4 ℃。

3.1.2 裝修階段

考慮到主樓的施工時間，裙房的裝修時間從次年3 月開始計算。

次年3 月：1F 溫差=-3+5.7=2.7 ℃；

次年4 月：2F 溫差=3+3=6 ℃；

次年5 月：3F 溫差=8.3-3=5.3 ℃；

次年6 月：4F 溫差=13.9-8.3=5.6 ℃；

次年7 月：5F 溫差=20.1-13.9=6.2 ℃。

3.1.3 使用階段使用階段從次年3 月份主體裝修完工開始考慮。

基于非合作博弈的冷熱電聯供微能源網運行策略優化//林凱駿,吳俊勇,郝亮亮,劉迪,李德智,閆華光//(6):25

當構件裸露在室外時，使用階段溫差計算時，可取年平均最高、最低氣溫計算。當室內的構件位于采暖房間時，夏季取26 ℃、冬季取18 ℃；室內構件位于無采暖房間時，夏季取月最高氣溫-8 ℃、冬季取月最低氣溫+8 ℃。室內外交界構件，使用溫度可選室內外平均溫度-合龍時溫度。

對于本算例，考慮室內有采暖條件（夏季26 ℃，冬季18 ℃），則：

室內構件的最大負溫差=18 ℃-合龍溫度

室內外交界構件的最大負溫差=平均溫度-合龍溫度=6 ℃-合龍溫度

從而計算得到使用階段室內構件、室內外交界構件最大負溫差。

3.1.4 小結

由以上分析可知，本算例中結構的施工階段存在最不利溫度荷載。使用階段溫差較小，溫度荷載減小。

3.2 后澆帶設置

根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]第

3.4.13 條的要求，本算例后澆帶混凝土在兩個月后澆筑合龍。換言之，在結構施工模擬計算中，第3 層施工時，第1 層后澆帶封閉；第4 層施工時，第2 層后澆帶封閉，以此類推。

3.3 施工流程

結合以上分析，給出了本算例具體的施工流程，見表1。

表1 施工流程表

4 計算分析結果

本文利用MIDAS GEN V800 軟件對算例建立了有限元分析模型，模型考慮施工過程逐層施加溫差。各模型在溫度作用下的變形及內力如圖2、圖3 所示，主要計算結果見表2。

圖2 溫度作用下變形圖

圖3 溫度作用下構件彎矩圖

表2 各模型主要計算結果

注：F、D、M分別為支座反力、最大位移和最大彎矩；下標x、y、z表示方向。

由模型分析結果可知：考慮施工過程逐層施加溫差后，結構柱底彎矩減小，柱頂彎矩增大，結構支座反力減小；結構位移變化更加平緩，最大位移發生在裙房框架柱跨中，而非樓頂，與實際情況更為吻合。

5 結語

本文結合某工程算例，較為詳細地討論了施工過程模擬對結構溫度應力的影響，結論如下：

1）溫度應力計算時，應依據當地多年的氣象資料進行，同時結合構件的施工過程，進行最不利溫度荷載計算。

2）超長結構溫度應力分析時，應充分考慮溫度荷載與時間的關系，充分考慮施工過程的模擬，在模型中考慮后澆帶的設置，考慮溫差的逐步施加。

3）未按結構實際施工情況選取最不利溫度場、一次施加全樓溫差，將在一定程度上放大結構底部應力，縮小上部結構應力；同時導致上部結構溫差內力有所丟失，甚至反向失真。