超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力影響分析

聶行

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司南昌院 江西 南昌 330000

引言

近20年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長(zhǎng)逐步推動(dòng)著現(xiàn)代城市的高速發(fā)展，我國(guó)建筑行業(yè)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，人們對(duì)建筑使用功能、建筑美感也提出了更高的要求，大空間、大跨度的體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、城市樞紐中心等建筑應(yīng)運(yùn)而生。這一類(lèi)大型公共建筑在綜合考慮結(jié)構(gòu)整體性、防水性、保溫性以及不影響建筑使用功能及美觀性的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通長(zhǎng)采用少伸縮縫或不設(shè)伸縮縫的處理方式，然而根據(jù)我國(guó)《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）（2015版）中對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中伸縮縫間距的設(shè)置要求，大型公共建筑的長(zhǎng)度通常會(huì)超出規(guī)范限值，使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超長(zhǎng)情況。在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中，溫度變化和混凝土自身收縮都會(huì)引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大次應(yīng)力，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)開(kāi)裂[1]，危及結(jié)構(gòu)安全及建筑美觀。因此，溫度應(yīng)力分析在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已成為不容忽視的問(wèn)題之一。

本文以某體育館為研究對(duì)象，分析了考慮溫度作用下，結(jié)構(gòu)樓板內(nèi)力的變化特點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出有效的技術(shù)措施。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目房屋建筑高度為18.45m，地上四層，地下一層，為多層框架結(jié)構(gòu)，嵌固端設(shè)置在地下室頂板。房屋主要有籃球館、游泳館、訓(xùn)練館。根據(jù)建筑使用功能及房間布置，橫向設(shè)有兩道伸縮縫，將結(jié)構(gòu)分為3部分，分別為39.7m，63.3m，41.1m。縱向不設(shè)伸縮縫，縱向長(zhǎng)度67.7～102m，均超過(guò)規(guī)范限值，且超出值較大。中間部分屋面采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋面，其余均采用混凝土屋面。結(jié)構(gòu)梁、柱模型詳圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)梁、柱模型

2 溫度應(yīng)力分析

2.1 溫度荷載的的確定

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要考慮混凝土早期水化熱與外部環(huán)境溫差（混凝土收縮當(dāng)量溫差）、驟降溫差、日照溫差、使用冷熱源溫差和季節(jié)溫差等五種類(lèi)溫度荷載型[2-5]，其中驟降溫差、日照溫差、使用冷熱源溫差一般可通過(guò)加強(qiáng)保溫隔熱措施解決，因此本文主要考慮混凝土收縮當(dāng)量溫差和季節(jié)溫差作用下對(duì)樓板的影響。

混凝土收縮是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其最終收縮量與材料構(gòu)成、構(gòu)件大小、施工養(yǎng)護(hù)及環(huán)境溫度等因素有關(guān)，混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可把后澆帶封閉后的殘余變形等效為結(jié)構(gòu)的整體降溫。研究表明混凝土齡期為120d時(shí)已完成收縮總量的70%。根據(jù)《超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)縫施工標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土收縮時(shí)相對(duì)變形值的當(dāng)量溫度計(jì)算公式：

其中εy（t）為齡期為t時(shí)混凝土收縮影響的相對(duì)變形值，α為混凝土的線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5。

混凝土最終收縮量εy（∞）=3.24·M1·M2·M3···M11（×10-4），綜合系數(shù)M=M1·M2·M3···M11，取為1.5。該工程縱向后澆帶設(shè)置間距不超過(guò)30m，要求后澆帶封閉應(yīng)在兩側(cè)結(jié)構(gòu)完成120d后封閉，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需考慮的殘余收縮變形等效收縮降溫ΔTk‘=0.3εy（∞）（×10-5）=14.58℃。

由季節(jié)溫差引起的最大降溫溫差公式為：ΔTk=Ts,min-T0,max，其中Ts,min為結(jié)構(gòu)最低平均溫度，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地最低平均氣溫在一月為4℃；T0,max為結(jié)構(gòu)最高初始平均溫度，結(jié)構(gòu)主體合龍溫度按10～20℃考慮，T0,max取為20℃。最大降溫溫差ΔTk=16℃。

當(dāng)考慮混凝土收縮和季節(jié)溫差的作用，綜合等效降溫溫差ΔTstk=14.58+16=30.58℃。

2.2 混凝土徐變松弛及剛度折減

考慮到鋼筋混凝土徐變應(yīng)力松弛的非線性因素，實(shí)際的溫差應(yīng)力將小于按彈性計(jì)算的結(jié)構(gòu)，計(jì)算中取徐變應(yīng)力松弛系數(shù)為0.3以折減計(jì)算結(jié)構(gòu)。

考慮到混凝土構(gòu)件截面裂縫的影響，混凝土的彈性剛度折減系數(shù)取為0.85。

2.3 模型分析及計(jì)算結(jié)構(gòu)

2.3.1 分析模型。該工程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊YJK-A（5.2.1）版，計(jì)算模型做了以下處理：

（1）由于地下室與土體接觸，認(rèn)為地下室保持恒溫，不考慮溫度作用對(duì)地下室的影響。

（2）溫度荷載施加于梁柱節(jié)點(diǎn)上，樓板選擇NQ6Star單元，彈性板荷載計(jì)算方式采用有限元計(jì)算。

2.3.2 計(jì)算分析結(jié)構(gòu)。

（1）樓板變形分析。降溫工況下，二層樓板變形圖如圖2。

圖2 降溫工況下二層樓板變形圖

從圖2可以看出，結(jié)構(gòu)中部變形較小，端部變形較大。這是由于溫度作用及混凝土收縮產(chǎn)生的變形均發(fā)生在混凝土內(nèi)部，中部收到約束較小，變形可以向兩端發(fā)展，而端部收到邊梁和邊柱的約束較大，這導(dǎo)致了端部的較大變形，由圖中可看出端部出現(xiàn)較大翹曲。

（2）樓板應(yīng)力分析。降溫工況下，各樓層Y向應(yīng)力分布圖如圖3～圖5。

圖3 二層樓板應(yīng)力Sig-yy分布圖（N/mm2）

圖4 三層樓板應(yīng)力Sig-yy分布圖（N/mm2）

圖5 四層樓板應(yīng)力Sig-yy分布圖（N/mm2）

由圖2～圖4可知，同一樓層樓板，降溫工況下樓板中部均出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，且應(yīng)力分布出現(xiàn)中間大兩端小的趨勢(shì)，壓應(yīng)力集中出現(xiàn)在外圍四周。二層混凝土斜撐處梁柱連接點(diǎn)均出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，拉應(yīng)力最大可達(dá)2.4Mpa，已超出混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。三層樓板開(kāi)洞處角部也出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大可達(dá)0.9Mpa。在樓板配筋時(shí)，應(yīng)根據(jù)降溫工況下樓板應(yīng)力計(jì)算，提高拉應(yīng)力較大區(qū)域的配筋率。對(duì)于樓板開(kāi)洞角部位置，可將角部倒角使其圓滑過(guò)渡，減少應(yīng)力集中，從而改善溫度應(yīng)力。

對(duì)比2～4層樓板應(yīng)力Sig-yy分布圖，二層樓板在降溫工況下產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，隨著樓層增加，樓板拉應(yīng)力逐漸減小，到四層時(shí)溫度應(yīng)力值接近零。其原因在于，二層距離地下室最近，受到嵌固端的約束最大，隨著樓層增加，樓板受到的約束作用越小，溫度應(yīng)力也隨之減少。

3 溫度應(yīng)力控制措施

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力受諸多因素影響，如結(jié)構(gòu)布置形式、施工工藝、建筑保溫隔熱措施等。超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減少溫度應(yīng)力的措施如下：

結(jié)構(gòu)布置形式宜簡(jiǎn)單規(guī)則，避免構(gòu)件之間協(xié)調(diào)變形引起的內(nèi)力過(guò)大，剛度較大的豎向構(gòu)件宜布置在中部，減小對(duì)梁板構(gòu)件的約束作用。

在混凝土材料的選用上，宜首選低水化熱水泥，同時(shí)嚴(yán)格控制水灰比，優(yōu)化混凝土配合比。

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置后澆帶，以釋放混凝土早期收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，后澆帶設(shè)置間距宜為20～30m。后澆帶封閉時(shí)間可適當(dāng)延后，盡可能減小后澆帶封閉后的殘余變形。

受溫度應(yīng)力影響較大的樓層，樓板應(yīng)根據(jù)降溫工況下應(yīng)力分布配筋，樓板板頂?shù)目蛑袖摻钜素炌ǎ移湓诹憾瞬孔钚♀櫣涕L(zhǎng)度滿(mǎn)足受拉描固要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用盈建科軟件對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在季節(jié)溫差和混凝土自身收縮作用下的樓板溫度應(yīng)力進(jìn)行了分析，了解了超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)樓板溫度應(yīng)力的分布特點(diǎn)，并得出以下結(jié)論：

溫度荷載應(yīng)根據(jù)工程所在地氣象資料，并結(jié)合混凝土自身收縮的等效溫差、后澆帶的設(shè)置對(duì)溫度應(yīng)力的影響，計(jì)算出合理的溫度荷載。

在降溫工況下，樓板中部均出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，且應(yīng)力分布出現(xiàn)中間大兩端小的趨勢(shì)。二層樓板在降溫工況下產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，隨著樓層增加，樓板拉應(yīng)力逐漸減小。豎向剛度較大處和樓板開(kāi)洞處角部均出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，在這些部位均應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。受溫度影響較大是底層，特別是結(jié)構(gòu)中部會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)中部的梁、板配筋需加強(qiáng)。