混凝土收縮徐變對超長結構溫度應力的影響分析

黃長鑫

（青島隆岳置業有限公司，山東 青島 266000）

1 引言

結構中的溫度應力分析問題較為復雜，當前的設計規范中針對此問題給出的多為構造措施，并不能很好地解決實際工程中大體量、超長結構遇到的問題。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[1]，當發生可能危及結構安全或正常使用的溫度作用效應時，宜進行間接作用分析，但規范對于具體如何分析未給出說明。

為此，本文結合某工程算例，探究了混凝土收縮徐變對溫度應力的影響并給出了合理建議，以期為實際工程中超長、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；柱截面為800 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 200 mm、板厚200 mm，剪力墻厚度300 mm；梁、板、墻、柱混凝土強度均為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 混凝土的收縮

根據目前研究的結果，混凝土的收縮應變與以下影響因素有關：混凝土齡期、混凝土強度等級、尺寸效應、所處環境的相對濕度、所用水泥品質、用量等[2]。由CEB-FIP MC90 提出的混凝土齡期t時刻的收縮應變εcs（t）的計算公式，得到混凝土的收縮應變齡期曲線，如圖2 所示。

圖2 混凝土收縮應變齡期曲線

從圖2 曲線可知：（1）混凝土早期收縮應變速率快，設置后澆帶十分重要；（2）收縮效應不可忽視，應盡量使混凝土低溫入模合攏、并保持溫度和適當的濕度，從而減小負溫差效應；（3）收縮效應前期（0～3 a）增長快，3 年以后逐漸趨于穩定，在結構設計齡期內持續變形。

4 混凝土的徐變

混凝土的徐變與應力及時間相關，其變形的與作用的應力同向。根據CEB-FIP MC90 給出混凝土作用持續時間t時刻的徐變的計算公式，計算得到算例中混凝土構件徐變系數的時間曲線，如圖3 所示。

圖3 混凝土徐變系數時間曲線

從圖3 曲線中可知：（1）徐變效應前期（0～3 a）增長速率快；（2）徐變效應3 年以后趨于穩定，在結構設計齡期內持續變形；（3）設計模擬時，由于前期徐變速率快，施工階段模擬時時間步長選擇3～7 d 為宜；進入使用階段后，徐變的變化速率降低，其迭代步長選擇30～90 d 為宜。

5 計算分析結果

為研究混凝土收縮徐變和施工過程模擬對結構溫度應力的影響，本文利用MIDAS GEN V800 軟件對算例建立了兩個有限元分析模型。模型①不考慮混凝土收縮徐變，考慮施工過程逐層施加溫差，模型②考慮混凝土收縮徐變，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4～圖6 所示，各模型主要計算結果見表1。

表1 模型主要計算結果

圖4 溫度作用下變形圖

圖5 溫度作用下構件彎矩圖

圖6 溫度作用下邊框架柱彎矩圖（單位：kN·m）

模型①、②結果對比可知：（1）考慮混凝土收縮徐變效應后，結構整體變形趨勢未發生較大變化，最大位移仍發生在裙房框架柱跨中，但結構最大位移增大；（2）同時結構柱底反力減小；從邊框架柱的彎矩圖可看出，考慮混凝土收縮徐變后，邊框架柱底彎矩減小，柱頂彎矩增大，彎矩值整體上有所降低。

6 結語

本文結合某工程算例，較為詳細地對影響結構溫度應力的關鍵因素進行了探討，得到以下結論：

1）混凝土施工階段收縮應變變化速率快，對于大體量及超長結構來說，需采取設置溫度后澆帶，混凝土低溫入模，減小澆筑過程中混凝土溫度和濕度的變化等構造措施來減小混凝土的收縮應力。

2）混凝土施工階段的徐變變化速率快，進入使用階段后徐變變化趨于穩定；設計模擬時，由于前期徐變速率快，施工階段模擬時時間步長選擇3～7 d 為宜，進入使用階段后，徐變的變化速率降低，其迭代步長選擇30～90 d 為宜。

3）混凝土的收縮和徐變效應可以起到降低溫度應力峰值的作用，使應力分布更為均勻。因此，在溫度應力的計算過程中，尤其對于大體積及超長混凝土結構而言，考慮混凝土的收縮和徐變性能，對優化結構布置、節約鋼筋含量起到一定作用。