付春松　吳麗琴

摘 要：預(yù)留伸縮縫會(huì)影響建筑物的外觀、增加構(gòu)造措施和建筑成本，因此，建筑師會(huì)采用避免設(shè)置伸縮縫的超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)。本研究主要對(duì)大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)探討，并提出解決溫度應(yīng)力的相關(guān)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)混凝土；溫度應(yīng)力分析；裂縫

目前，我國(guó)正處于城市化進(jìn)程快速發(fā)展的階段，因此，城市建設(shè)中越來(lái)越多的公共建筑和工業(yè)建筑發(fā)展起來(lái)。在這些工程的建設(shè)中，為了滿足城市建設(shè)的需求，越來(lái)越多的大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程建設(shè)中，并且，在這些超長(zhǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)結(jié)構(gòu)不設(shè)縫長(zhǎng)度的要求也越來(lái)越高?？茖W(xué)研究表明，混凝土的結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)，溫度變化而引起的結(jié)構(gòu)收縮變形就越大，由于結(jié)構(gòu)對(duì)收縮變形的約束產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就越大，結(jié)構(gòu)裂縫就越多。因此，要對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的研究。

1 大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力研究現(xiàn)狀分析

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力問(wèn)題的研究還是主要集中在超長(zhǎng)混凝結(jié)構(gòu)、道路橋梁結(jié)構(gòu)以及公路水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)上。就這三個(gè)領(lǐng)域而言，由于超長(zhǎng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起步比較晚，因此很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)該結(jié)構(gòu)應(yīng)用中出現(xiàn)的溫度應(yīng)力問(wèn)題研究資料不太豐富，在實(shí)際中遇到該問(wèn)題時(shí)只能根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)以及粗略的估算來(lái)研究溫度應(yīng)力的產(chǎn)生對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)造成怎樣的影響，然后再采取一定的解決措施。但是社會(huì)發(fā)展到今天，城市中公共建筑以及工業(yè)建筑的增多，使得超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍更加廣泛，因此，結(jié)構(gòu)中再出現(xiàn)溫度應(yīng)力的問(wèn)題，就不能再粗略的進(jìn)行解決。所以新的溫度應(yīng)力研究辦法在不斷的試用。

隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷普及和推廣，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的溫度應(yīng)力現(xiàn)象常用有限元方法來(lái)進(jìn)行研究，如ANSYS、ABAQUS、SuperSAP、ETABS等。這些軟件可以對(duì)具有各種邊界條件的復(fù)雜混凝土結(jié)構(gòu)作有限元分析，并得到可信的結(jié)果。

2 大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力的作用分析

通過(guò)對(duì)多個(gè)工程混凝土結(jié)構(gòu)的研究和分析可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)混凝土裂縫的原因一部分是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)在使用中的自身收縮以及環(huán)境溫度變化引起的混凝土收縮。而在大面積超長(zhǎng)混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了確保混凝土結(jié)構(gòu)及其周邊構(gòu)件在使用中不發(fā)生裂縫，最有效的方法就是在超長(zhǎng)混凝土的構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力來(lái)抵消這兩部分的拉應(yīng)力。所以，為了更好的確定改進(jìn)措施，需要對(duì)引起混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫的兩種原因進(jìn)行定量的分析，只有這樣才能有效合理的確定超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中預(yù)應(yīng)力所需的鋼筋數(shù)量以及布置的方位，最大程度的減少溫度應(yīng)力帶來(lái)的結(jié)構(gòu)損害。

2.1 大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)收縮

超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)在使用中會(huì)遇到和其他材料一樣的問(wèn)題，即隨著溫度的改變而出現(xiàn)不同程度的形變。與混凝土結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的形變收縮不一樣，這種溫度引起的形變會(huì)是循環(huán)反復(fù)的出現(xiàn)。人們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中由于溫度升高而產(chǎn)生的應(yīng)力被稱(chēng)為壓應(yīng)力，而由于溫度降低而引起的溫度應(yīng)力則稱(chēng)為拉應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，各種超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)具有的抗拉能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓能力，所以，在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，要特別注意由于溫度降低而對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響。

此外，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度降低而產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)使得混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫更加嚴(yán)重，其后果很有可能是導(dǎo)致超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的大面積開(kāi)裂。理論上來(lái)說(shuō)，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的這種形變都是先快后慢的，早期混凝土中水泥石的體積形變是其結(jié)硬初期所表現(xiàn)出來(lái)的塑性收縮，并且這一時(shí)期的形變產(chǎn)生的非?？?，但是到了混凝土結(jié)硬的后期，由于結(jié)構(gòu)中自由水的大量蒸發(fā)而引起的干縮是混凝土形變的主要原因。

2.2 大面積超長(zhǎng)混凝土溫度應(yīng)力的形成過(guò)程

混凝土溫度應(yīng)力的形成過(guò)程經(jīng)歷了三個(gè)部分即早期應(yīng)力、中期應(yīng)力和晚期應(yīng)力。

混凝土從開(kāi)始澆筑一直到成分中的水泥完成放熱作用，歷時(shí)大約一個(gè)月的時(shí)間，這一階段的混凝土有兩個(gè)特點(diǎn)即在此段時(shí)間內(nèi)混凝土的溫度場(chǎng)是急劇變化的，并且超長(zhǎng)混凝土具有的彈性模量會(huì)隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生較大的幅度變化，因此，這一時(shí)期的溫度應(yīng)力就是所謂的早期應(yīng)力。

混凝土的中期應(yīng)力是兩種溫度應(yīng)力的相互疊加，早期應(yīng)力之后，混凝土中的水泥放熱作用會(huì)基本的結(jié)束，從其放熱結(jié)束到冷卻作用的完成，這一階段由于外界溫度變化而引發(fā)的溫度應(yīng)力與之前的早期應(yīng)力疊加在一起被稱(chēng)為中期應(yīng)力。當(dāng)超長(zhǎng)混凝土完成冷卻后，能夠引起其發(fā)生溫度應(yīng)力的因素就是外界溫度的變化，所以這種由于溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力與之前的應(yīng)力相加在一塊就是晚期應(yīng)力的形成。

2.3 大面積超長(zhǎng)混凝土溫度應(yīng)力具有的特點(diǎn)

超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)在完成澆筑之后會(huì)面臨水泥水化熱大量釋放的問(wèn)題，這種現(xiàn)象導(dǎo)致混凝土的中心結(jié)構(gòu)溫度會(huì)大于其表面的溫度。所以，一般來(lái)說(shuō)，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中心所具有的熱膨脹會(huì)遠(yuǎn)大于其結(jié)構(gòu)表面形成的熱膨脹。由于溫差存在而使得超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中心會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的是拉應(yīng)力。溫度應(yīng)力與其他應(yīng)力的不同體現(xiàn)在溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形變往往是可以恢復(fù)的，并且具有反復(fù)性。但是其他原因引起的混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象則不具備該特點(diǎn)。除此之外，溫度應(yīng)力的特點(diǎn)還體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮、形變以及溫度變化的產(chǎn)生等都是具有長(zhǎng)期性；并且在循序漸進(jìn)的收縮和變形中，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力會(huì)逐漸的松弛，整體的應(yīng)力值大小與一次瞬時(shí)全部變形情況下產(chǎn)生的彈性值相比，會(huì)大大的減??；超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中由于溫度應(yīng)力與收縮形變而產(chǎn)生的板中應(yīng)力主要是受到了柱和梁的約束。

此外，超長(zhǎng)混凝土中溫度應(yīng)力的存在并不能完全消除，這是因?yàn)榧词褂捎谕饨鐪夭钜鸬臏囟葢?yīng)力消失，由于混凝土結(jié)構(gòu)中水泥水化熱的存在，其中心與表面還是存在一定的溫差，因此，溫度應(yīng)力并不會(huì)完全的消失。

2.4 大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力的種類(lèi)

超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力一般分為兩類(lèi)，即平均溫度應(yīng)力和彎曲溫度應(yīng)力。這兩種應(yīng)力分別是由不同的原因產(chǎn)生的。

當(dāng)建筑中的樓板受到溫度降低或者是溫度升高的作用之后，就會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮，從而使樓板產(chǎn)生形變，但是由于建筑在設(shè)計(jì)中都會(huì)對(duì)樓板添加一些結(jié)構(gòu)上的約束，正是這些約束的存在使得樓板內(nèi)部存在應(yīng)力，但是這種應(yīng)力由于是分布均勻的，所以被稱(chēng)為平均溫度應(yīng)力。

而彎曲溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因則主要是超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中的樓板發(fā)生變形也會(huì)引起柱剪力的產(chǎn)生，柱剪力的產(chǎn)生又會(huì)引起柱彎矩。與此同時(shí)由于樓板結(jié)構(gòu)中有柱和梁剛接檔，所以產(chǎn)的柱彎矩就會(huì)傳到梁板上，從而就產(chǎn)生了彎曲溫度應(yīng)力。

3 大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)探討

為了更好的解決溫度應(yīng)力存在而對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)造成的影響，人們借助于當(dāng)代計(jì)算機(jī)軟件通過(guò)對(duì)溫度應(yīng)力的設(shè)計(jì)探討，來(lái)消除或緩解這種影響。對(duì)于超長(zhǎng)混凝土工程結(jié)構(gòu)而言，由于自然環(huán)境條件變化所產(chǎn)生的溫度荷載有三種類(lèi)型：日照溫度荷載、驟然降溫溫度荷載、年溫溫度荷載。

3.1 年溫溫度荷載的變化分析

年溫差是影響超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)溫度應(yīng)力的重要原因之一。如果超長(zhǎng)混凝土的結(jié)構(gòu)中沒(méi)有設(shè)立后澆帶或者是后澆帶留設(shè)的時(shí)間較短，那么此時(shí)在分析年溫差的影響時(shí)還應(yīng)該把混凝土收縮作用的影響一起加入到研究中。所謂的年溫差指的是超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)在凝結(jié)硬化時(shí)的初始溫度與使用期間溫度極值的差值。

此外，在超長(zhǎng)混凝土的結(jié)構(gòu)中還存在材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn)，所以，控制年溫差應(yīng)取初始溫度與使用期間所能達(dá)到的溫度極小值的差值，ΔTn=T0-Tmin，其中ΔTn代表的就是年溫差，而T0代表的是超長(zhǎng)混凝土凝結(jié)構(gòu)在結(jié)硬化時(shí)的初始溫度，Tmin代表的是結(jié)構(gòu)在使用期間所達(dá)到的最低溫度值。

然而，在實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人們并不能事先準(zhǔn)確的得知混凝土的澆筑時(shí)間，所以，也就不一定能夠精確的計(jì)算出混凝土結(jié)構(gòu)在使用中的溫度最低值。為了有效的解決這個(gè)問(wèn)題，人們就取超長(zhǎng)混凝土在結(jié)構(gòu)使用中夏天所達(dá)到的最高氣溫與冬天所達(dá)到的最低氣溫之差來(lái)作為年溫差的計(jì)算方式。

3.2 對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力分析進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)

以一個(gè)超長(zhǎng)二層框架結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)其平面尺寸是95m*30m，框架的每層層高都是6m，縱向布置17根柱，而橫向布置柱的根數(shù)為6根，每根柱子之間的距離是6m。柱子的截面尺寸是600mm*600mm，對(duì)樓蓋的選擇都采用主次梁體系，縱橫方向上主梁之間的距離都是6m，梁截面尺寸都是250mm*600mm。此外，還需要在主梁的中間布置部分的次梁結(jié)構(gòu)，規(guī)定次梁截面的尺寸是200mm*400mm，并且樓板的厚度都設(shè)計(jì)為均為100mm。此結(jié)構(gòu)中超長(zhǎng)混凝土的澆筑原料是C30，并且得知C30的砼彈性模量值是3.0*104N/mm2，泊松比的值是為0.15，線脹系數(shù)為1.5*10-5/℃。

同時(shí)在利用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析中采用的是大型有限元軟件ANSYS。應(yīng)用 CAD軟件建立整體的混凝土結(jié)構(gòu)模型，然后利用文件轉(zhuǎn)換的方式導(dǎo)入到SAP2000中進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。此外，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中的板及剪力墻應(yīng)該利用Shell單元或者是Shell181單元進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算，超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中其余的梁柱結(jié)構(gòu)或者是構(gòu)件可以利用的模擬軟件或者是模擬單元是Frame或者是Beam188。

3.3 對(duì)溫度內(nèi)力的分析

在對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行研究的過(guò)程中還要考慮到溫度內(nèi)力在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中的分布情況。這種溫度內(nèi)力造成的影響有柱內(nèi)力、梁內(nèi)力和板內(nèi)力。

一般情況下，隨著柱子高度的增加，柱子底部對(duì)其上層結(jié)構(gòu)的約束作用就越小，因此柱的各項(xiàng)內(nèi)力也隨著減小。在梁內(nèi)力的分析中，由于梁的總長(zhǎng)度是95m，所以可以在有限元模型中被劃分為95個(gè)梁?jiǎn)卧?，并且每個(gè)單元的長(zhǎng)度都是1m。而板的中面第一主應(yīng)力沿板縱向大致以條帶式的形式分布，應(yīng)力在板與橫向主梁結(jié)合處引起突變，從邊跨到中跨，溫度應(yīng)力逐漸增大，分布漸趨均勻，溫度應(yīng)力的極值出現(xiàn)在跨中位置。

為了解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員結(jié)合SAP2000軟件或者是ANSYS軟件對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力的大小進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)分析結(jié)果配置合適的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的分析及設(shè)計(jì)探討是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的課題。在實(shí)際的應(yīng)用中，溫度應(yīng)力的產(chǎn)生涉及到許多的內(nèi)容，近年來(lái)，人們一直在致力于研究控制溫度應(yīng)力的方法。目前，我國(guó)大面積超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中控制溫度應(yīng)力較好的方法是無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，并且，在對(duì)溫度伸縮縫相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)可以采用的科學(xué)軟件是ANSYS，該軟件的應(yīng)用，不僅可以分析出混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的預(yù)應(yīng)壓力，還能以此結(jié)果作為人們改進(jìn)的依據(jù)，最終有效的控制溫度應(yīng)力。

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作者簡(jiǎn)介：付春松（1978.12- ），男，講師，工程師，博士研究生，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑施工技術(shù)。