曹忠華

(合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥　230009)

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超長混凝土框架結(jié)構(gòu)溫度作用分析及設(shè)計(jì)

曹忠華

(合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥230009)

摘要：以某工業(yè)廠區(qū)聯(lián)創(chuàng)中心為工程背景，分析混凝土收縮對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮當(dāng)量溫度差；在計(jì)算溫度作用時(shí)應(yīng)考慮混凝土徐變對混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力折減系數(shù)，并研究其取值依據(jù)；根據(jù)該建筑所處的位置認(rèn)真研究了該結(jié)構(gòu)在計(jì)算溫度作用時(shí)的溫差取值和取值依據(jù)；對超長混凝土框架結(jié)構(gòu)溫度作用進(jìn)行有限元分析，得出升溫工況下混凝土梁板內(nèi)力及應(yīng)力的變化情況，并總結(jié)溫度作用下超長混凝土框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律，為今后類似工程分析及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超長結(jié)構(gòu)；溫度作用；有限元分析；后澆帶；當(dāng)量溫差

0引言

某智慧產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)聯(lián)創(chuàng)中心位于安慶市宜秀區(qū)，總建筑面積約3.7萬m3，地上建筑面積約3.1萬m3，地下建筑面積約0.6萬m2。該聯(lián)創(chuàng)中心主要建筑功能為大開間辦公，聯(lián)創(chuàng)中心地下室層高為4.5 m，底層層高為4.8 m，二、三層層高均為4.2 m，其余各層層高為3.8 m，典型地上建筑長寬為105.9 m×27.6 m，建筑總高度為48.25 m，屬于高層建筑，建筑效果圖見圖1所示。建筑地下地上結(jié)構(gòu)布置均未設(shè)置伸縮縫，因此建筑物長度已大大超過規(guī)范所規(guī)定的限制長度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)溫度變化和混凝土收縮對構(gòu)件受力的影響[1]。

圖1　建筑整體效果圖

本工程采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限為50年。建筑抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，框架抗震等級二級。建筑場地類別為Ⅱ類，場地土特征周期為0.35 s?；撅L(fēng)壓為0.40 kN/m2(50 a重現(xiàn)期)，地面粗糙度類別為B類[1-3]。

1結(jié)構(gòu)體系及混凝土收縮徐變影響

1.1結(jié)構(gòu)體系選擇

該建筑總高度為48.25 m，長度方向超過100 m，因建筑功能需要該建筑中間部位均為電梯間及上下貫通采光井，若采用抗震縫將結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，顯然無論從建筑使用方面或者兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元抗震性能方面均不合適，故綜合考慮后該建筑按照一個(gè)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2所示。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

該建筑進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)體系和框剪結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了對比分析，通過分析表明，框剪結(jié)構(gòu)雖然在位移等方面有很多優(yōu)勢，但由于其整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度很大且受建筑功能限制導(dǎo)致端部剪力墻較為集中，故存在以下缺點(diǎn)：① 結(jié)構(gòu)整體剛度較大，地震作用力較大，結(jié)構(gòu)造價(jià)成本較高。② 受建筑功能的影響導(dǎo)致剪力墻布置位置受到限制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)無法控制，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)較為明顯，不利于結(jié)構(gòu)抗震性能。③ 兩端結(jié)構(gòu)剛度較集中，而建筑長度很長，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受溫度作用更加明顯，不利于結(jié)構(gòu)溫度作用的疏散。故綜合上述原因，且該結(jié)構(gòu)總高度未超過50 m，所以最終該結(jié)構(gòu)體系定為鋼筋混凝土純框架結(jié)構(gòu)。

1.2混凝土的收縮及收縮當(dāng)量溫度差

混凝土收縮是混凝土中水泥在水化過程中，混凝土體積變小的現(xiàn)象。根據(jù)混凝土收縮作用原理不同，混凝土收縮主要分為化學(xué)收縮、混凝土體積收縮、碳化收縮及溫度收縮四部分組成[4]?；瘜W(xué)收縮是指水泥在水化過程中與其他因素?zé)o關(guān)的自然收縮現(xiàn)象；混凝土體積收縮是由于混凝土凝結(jié)過程中大量的水分蒸發(fā)所引起的收縮；碳化收縮過程是指空氣中的CO2與混凝土水泥石中的Ca離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的收縮；混凝土的溫度收縮是指混凝土在使用過程中溫度變化時(shí)產(chǎn)生的線性收縮。因化學(xué)收縮和碳化收縮在整個(gè)收縮當(dāng)量中所占比例較少，對結(jié)構(gòu)沒有實(shí)質(zhì)影響，故一般不考慮此部分的影響，因此混凝土的收縮僅考慮混凝土體積收縮和溫度收縮部分。由于混凝土隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生體積變小的情況，在超靜定結(jié)構(gòu)中，收縮會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加收縮應(yīng)力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生附加變形及裂縫等問題。因此對于超長結(jié)構(gòu)應(yīng)通過定量計(jì)算考慮混凝土收縮而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。在整個(gè)施工過程中，由于混凝土收縮變形所引起的溫度應(yīng)力對主體結(jié)構(gòu)影響不必單獨(dú)考慮，故文獻(xiàn)[5]中將混凝土收縮引起的變形換算成等效溫度作用，與結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫度變化相疊加來計(jì)算。收縮當(dāng)量溫度差公式可采用：Ts=ε/α，其中ε為混凝土收縮應(yīng)變，α為混凝土線膨脹系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[5]及其他專家的研究成果，對于一般超長結(jié)構(gòu)，在合理控制后澆帶合龍時(shí)間的情況下，混凝土收縮當(dāng)量溫差溫度可取△T=-5 ℃。

1.3混凝土徐變產(chǎn)生的應(yīng)力松弛折減系數(shù)

混凝土的徐變是指長期持續(xù)荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)變形隨時(shí)間不斷增加的過程。由混凝土的徐變作用，其混凝土的應(yīng)力隨著時(shí)間的延續(xù)而逐漸減小的現(xiàn)象即為應(yīng)力松弛。正因混凝土徐變的存在，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中實(shí)際應(yīng)力會(huì)大大小于彈性分析的計(jì)算結(jié)果。為了更準(zhǔn)確考慮混凝土的徐變對結(jié)構(gòu)溫度作用的影響，在國內(nèi)外的研究中均提出采用應(yīng)力松弛折減系數(shù)來考慮混凝土徐變對溫度作用的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[6]及目前國內(nèi)外主要結(jié)構(gòu)受力分析軟件說明的建議，混凝土應(yīng)力松弛折減系數(shù)取0.3。

2溫差取值分析

該建筑總高不大于50 m，結(jié)構(gòu)的豎向溫差效應(yīng)影響不顯著[6]，但結(jié)構(gòu)的平面長度超長很多，樓板的水平約束較強(qiáng)，水平溫差產(chǎn)生的效應(yīng)較明顯。樓板在外部環(huán)境溫度降低時(shí)產(chǎn)生負(fù)溫差的情況下，樓板內(nèi)部產(chǎn)生約束拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮溫度作用組合對樓板受力強(qiáng)度及裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算，以確保結(jié)構(gòu)安全。因此，有必要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量的溫度作用分析。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，安慶地區(qū)基本氣溫最低氣溫為-3(℃)，最高氣溫為36(℃)，一般對于樓面后澆帶合龍時(shí)要求其混凝土的終凝溫度10～15 ℃之間[7-9]，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]，取室內(nèi)工作的溫度(有空調(diào))的情況下，夏季室內(nèi)溫度為27 ℃，冬季室內(nèi)溫度15 ℃，外露構(gòu)件直接取值室外空氣基本氣溫最高及最低值，而內(nèi)部構(gòu)件則取室內(nèi)溫度與室外氣溫的平均值。考慮到整個(gè)結(jié)構(gòu)在其施工期間和正常使用期間的各種復(fù)雜情況，考慮其結(jié)構(gòu)受力的最不利情況。該建筑擬在夏季施工，并在冬季來臨前正常使用，因此考慮該結(jié)構(gòu)的溫度作用溫差取值具體見表1所例。

表1　設(shè)計(jì)計(jì)算所需溫差取值　℃

注：后澆帶合龍溫度根據(jù)組合最不利原則取值。

故本工程在分析溫度作用時(shí)，外露構(gòu)件升溫作用溫差取21(℃)、降溫作用溫差取-23(℃);內(nèi)部構(gòu)件升溫作用溫差取16.5(℃)、降溫作用溫差取-14(℃)。

3溫度作用計(jì)算結(jié)果分析

由于該建筑總高度并不高，建筑寬度也較小，整體結(jié)構(gòu)所受溫度作用的內(nèi)力較容易釋放，故不對整體結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析；同時(shí)由于建筑高度不高，框架柱所受溫度作用內(nèi)力在其所有內(nèi)力中占比非常小，可以忽略不計(jì)；在降溫作用下結(jié)構(gòu)梁板均受壓，而混凝土受壓性能良好，故本文主要分析梁及板在升溫情況下溫度作用對構(gòu)件內(nèi)力的影響。根據(jù)上述分析在進(jìn)行溫度作用分析時(shí)考慮混凝土徐變產(chǎn)生的應(yīng)力松弛系數(shù)為0.3，并考慮混凝土收縮當(dāng)量溫差△T=-5 ℃。利用YJK1.5系列結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對該結(jié)構(gòu)在升溫作用下進(jìn)行分析。

3.1溫度作用下梁內(nèi)力分析

梁作為框架結(jié)構(gòu)的主要水平聯(lián)系構(gòu)件，故其是承受水平方向溫度作用的主要受力構(gòu)件之一。在框架結(jié)構(gòu)中，所有的梁均為超靜定構(gòu)件，故其在溫度作用下，根據(jù)其兩端約束剛度不同在相同的溫度作用下，梁受到的溫度作用不同[10]。

溫度作用對構(gòu)件內(nèi)力影響最大值分析結(jié)果見表2所列。

表2　梁在溫度作用下單工況計(jì)算結(jié)果

由上述分析結(jié)果可知，在升溫作用下梁內(nèi)力變化較大，對梁受力性能及配筋影響較大，不可忽略。同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果受溫度作用較大的樓層為首層，受溫度影響最大的構(gòu)件在首層的兩端及大洞口所在部位。隨著樓層的增加，溫度作用對梁內(nèi)力的影響也逐漸減弱，在頂部三層左右，溫度作用對梁內(nèi)力影響基本可以忽略不計(jì)。

3.2溫度作用下板內(nèi)力分析

樓板 (含屋面板)對溫度作用相對于其他構(gòu)件表現(xiàn)得更為敏感，這主要是因?yàn)闃前迕娲篌w薄的特點(diǎn)，故樓板和屋面板的溫度作用分析應(yīng)作為工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖3中給出了首層樓板在升溫單工況情況下應(yīng)力分布云圖。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，對于超長混凝土結(jié)構(gòu)樓板可得出以下結(jié)論：① 在各層樓板中，首層樓板的溫度應(yīng)力值最大，引起首層樓板溫度應(yīng)力最大的主要原因是首層距離底部基礎(chǔ)最近，同時(shí)首層混凝土柱截面及剛度均比其他樓層較大，故受到的約束作用也最大。② 隨著樓層不斷的增加，應(yīng)力表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。③ 在同層范圍內(nèi)，溫度應(yīng)力表現(xiàn)出兩端和洞口周邊出現(xiàn)較大的應(yīng)力，端部溫度應(yīng)力較大是升溫引起變形累積而產(chǎn)生的應(yīng)力增加，洞口周邊是因?yàn)閼?yīng)力集中的原因。④ 在同層混凝土樓板內(nèi)會(huì)同時(shí)存在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力，出現(xiàn)壓應(yīng)力的原因是柱網(wǎng)間規(guī)則的板單元受到框架梁的限制無法自由變形，板內(nèi)會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力。

樓板內(nèi)同時(shí)存在拉應(yīng)力是因?yàn)闃菍舆吘壊课煌饴稑?gòu)件升溫值及變形大于內(nèi)部構(gòu)件，兩者間會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)力及變形差。

因此在考慮溫度變化對混凝土樓板的影響，應(yīng)綜合考慮各種因素，利用有限元分析軟件對其進(jìn)行單元分析才能正確把握樓板內(nèi)溫度應(yīng)力的分布，從而在設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理考慮。

圖3　首層升溫工況下樓板應(yīng)力分布云圖

4結(jié)束語

本文主要分析了混凝土結(jié)構(gòu)在溫度作用情況下，如何考慮混凝土收縮變形而產(chǎn)生的收縮當(dāng)量溫差及如何考慮混凝土徐變而產(chǎn)生的混凝土應(yīng)力松弛折減系數(shù)，并分析該結(jié)構(gòu)溫差取值情況。最后利用分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)溫度作用工況下進(jìn)行有限元分析，對混凝土梁板在升溫工況下內(nèi)力及應(yīng)力進(jìn)行認(rèn)真研究。得出該超長混凝土框架結(jié)構(gòu)在溫度作用下梁的內(nèi)力變化，總結(jié)了混凝土板應(yīng)力變化規(guī)律，為今后類似項(xiàng)目的分析和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

〔參考文獻(xiàn)〕

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[5]武可娟.超長框架結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究[D].濟(jì)南:山東科技大學(xué),2006.

[6]張堅(jiān).某超長混凝土結(jié)構(gòu)溫差效應(yīng)分析及構(gòu)造措施[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(1):63-67.

[7]劉開國.超長框架溫度變形與溫度應(yīng)力[J].建筑結(jié)構(gòu), 2002,30(2):36-37.

[8]馮健,呂志濤.超長混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2001,22(6):14-19.

[9]曹忠華,呂慶紅.超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制方法及應(yīng)用研究[J].工程與建設(shè),2009,23(4):562-564.

[10]凡春海，魏彤彤.超長框架結(jié)構(gòu)溫度荷載下非線性分析[J].工程與建設(shè),2008,22(6):757-759.

收稿日期：2016-02-19;修改日期:2016-02-23

作者簡介：曹忠華(1982-)，男，安徽潁上人，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院工程師．

中圖分類號：TU375.4;TU973.15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0060-03