程 媛,朱群紅

CHENG Yuan1, ZHU Qunhong2

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置變形縫,允許不同的結(jié)構(gòu)單體自由變形,目的是為減小由于溫差(早期水化熱或使用期季節(jié)溫差)和體積變化(施工或使用早期的混凝土收縮)等間接作用效應(yīng)積累的影響而引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力。一般來說,變形縫的最大間距不宜超過規(guī)范要求，然而確定變形縫的“正確”間隔又是一個(gè)有爭議的問題。規(guī)范建議的經(jīng)驗(yàn)距離通常用于常規(guī)建筑物結(jié)構(gòu)變形縫的設(shè)置。對(duì)于不規(guī)則形狀,以及建筑有特殊要求的結(jié)構(gòu),變形縫設(shè)置間距遠(yuǎn)超過規(guī)范限制,此時(shí)采用有限元分析樓板的溫度應(yīng)力并指導(dǎo)設(shè)計(jì)是非常必要的。

本文以寧夏煤業(yè)集團(tuán)辦公樓(以下簡稱寧煤辦公樓)的超長混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例,提出超長混凝土結(jié)構(gòu)平面溫度應(yīng)力的有限元分析方法。結(jié)構(gòu)分析主要考慮了以下幾個(gè)計(jì)算條件：一是建筑物體表溫度變化,主要是結(jié)構(gòu)體隨季節(jié)溫度變化；二是因工程建造期較短,考慮冬季和夏季兩種極端施工環(huán)境對(duì)不同樓層變形的影響；三是考慮鋼筋混凝土材料本身特性。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2-3]確定熱分析以及混凝土收縮分析的有限元計(jì)算參數(shù),分析過程中采取局部加強(qiáng)構(gòu)造的方式,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗溫度變化的能力,控制混凝土裂縫的開展。綜合參考文獻(xiàn)[1-6]以及本工程建筑物的獨(dú)特幾何形狀和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,對(duì)本工程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

本工程地處寧夏回族自治區(qū)銀川市西北經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),辦公樓地上12層,地下一層,頂層板頂高48.6 m。平面呈扇形,長約160 m,寬約30 m。辦公樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,按照現(xiàn)行國家規(guī)范與地方規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)三維示意圖見圖1,典型樓面平面示意圖見圖2,該圖包含樓板及框架柱示意。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010—2010)》,伸縮縫最大間距為55 m。但由于該建筑物獨(dú)特的平面,按照規(guī)范設(shè)置伸縮縫對(duì)結(jié)構(gòu)體系是不安全的,主要是因?yàn)榻ㄖ笤谡麄€(gè)大樓中部通高開洞,中部所留的結(jié)構(gòu)部分過于狹窄。所以該結(jié)構(gòu)無法設(shè)置伸縮縫,按照一個(gè)單體進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

圖1 三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 典型平面示意圖

2 溫度荷載分析

當(dāng)辦公樓投入使用后,取暖和空調(diào)開始運(yùn)行,可以控制結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度在一定的范圍內(nèi)波動(dòng),由此減少了結(jié)構(gòu)體溫的變化。所以可以推斷,結(jié)構(gòu)體溫的峰值只會(huì)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)建造過程中,且圍護(hù)結(jié)構(gòu)尚未完工,相比于建筑的整個(gè)生命周期,建造過程是個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間,在這個(gè)過程中遭遇極端天氣的可能性也是非常小的,所以我們的分析只考慮平均高溫和平均低溫。

圖3顯示了銀川地區(qū)近10年的月平均最低溫和月平均最高溫,數(shù)據(jù)來源于中國氣象局網(wǎng)站。使用現(xiàn)有數(shù)據(jù),擬合一條連續(xù)的設(shè)計(jì)溫度曲線,包括月平均最高溫和月平均最低溫,其中月平均最高溫發(fā)生在7月,月平均最低溫發(fā)生在1月。因此該設(shè)計(jì)溫度曲線最高溫為30.4℃,最低溫為-12.9℃。這條溫度曲線提供了整年的溫度變化情況。

圖3 銀川地區(qū)月平均高溫、月平均低溫、設(shè)計(jì)分析溫度

3 混凝土收縮

混凝土收縮是從混凝土凝結(jié)開始一直持續(xù)貫穿混凝土整個(gè)生命周期的現(xiàn)象。本文根據(jù)美國混凝土協(xié)會(huì)報(bào)告ACI 209R-1992(reapproved1997)中的研究成果即ACI混凝土收縮計(jì)算公式,對(duì)本工程混凝土自由收縮變形進(jìn)行模擬。

(1)

式(1)中：t表示養(yǎng)護(hù)后的天數(shù),εshu=0.000 78γsh,而γsh表示非標(biāo)準(zhǔn)條件下修正系數(shù)的乘積,在本研究中此項(xiàng)取值為1,認(rèn)為混凝土構(gòu)件基本滿足標(biāo)準(zhǔn)條件。

圖4顯示了混凝土隨時(shí)間變化的收縮應(yīng)變。從中可見,55%的收縮發(fā)生在混凝土澆筑的前45 d。由于采用后澆帶措施,結(jié)構(gòu)分析時(shí),可不考慮這部分的混凝土收縮。

圖4 混凝土自由收縮應(yīng)變

4 開工時(shí)間模擬

對(duì)于高層建筑物,隨著施工的推進(jìn),不同樓層混凝土樓板的施工環(huán)境溫度不同。處在不同樓層的樓板的混凝土齡期不同,收縮的速率也不同。在這個(gè)項(xiàng)目中,我們考慮溫度引起的應(yīng)變以及混凝土收縮引起的應(yīng)變。因此,需要考慮施工順序?qū)σ陨蠀?shù)造成的影響,例如開工時(shí)間、施工速度、施工進(jìn)程，這樣就能夠更準(zhǔn)確地模擬不同樓層的環(huán)境條件。

對(duì)于建造開始的時(shí)間,本文做兩種假設(shè)：冬季開始(1月份)；夏季開始(7月份)。假設(shè)一般每層樓建設(shè)時(shí)間為15 d，后澆帶封閉時(shí)間為45 d。每一層樓板的初始溫度選擇后澆帶澆注時(shí)的溫度,在此之間,近似認(rèn)為樓板是自由變形的。同樣,任何時(shí)間凈收縮變形需要用當(dāng)時(shí)的計(jì)算收縮變形減去后澆帶澆注前已經(jīng)發(fā)生的收縮變形。

施工模擬分析采用以上參數(shù),每一層樓板按照一定的時(shí)間間隔考慮施工工期的收縮應(yīng)變以及溫度應(yīng)變,最終求解一段時(shí)間后(例如2014年1、4、7、10月幾個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上)各樓層的應(yīng)變。圖5僅給出了施工起始時(shí)間在2013年1月和2013年7月的兩種情況。從圖中可以看出,溫度應(yīng)變和收縮應(yīng)變的和基本上都是負(fù)的,溫度最低的時(shí)候溫度應(yīng)變最大。兩種不同情況的區(qū)別在于,出現(xiàn)最大應(yīng)變的樓層不同：情況一出現(xiàn)峰值應(yīng)變的樓層接近頂層,而最小的應(yīng)變出現(xiàn)在底層；情況二則剛好相反。

圖5 開工時(shí)間對(duì)各樓層應(yīng)變的影響

5 溫度應(yīng)力分析

本文主要模擬上述兩個(gè)施工順序下的溫度荷載響應(yīng)。通過對(duì)每層樓板施加當(dāng)量溫度荷載的方式統(tǒng)一考慮收縮應(yīng)變和季節(jié)溫度應(yīng)變。當(dāng)量溫度荷載引起的樓板應(yīng)變與季節(jié)溫度應(yīng)變和收縮應(yīng)變之和是相同的。圖6-10分別顯示了第2,3,10,12層以及屋面樓板的拉應(yīng)力包絡(luò)圖。

從分析結(jié)果看,應(yīng)力總體水平較低,尤其是大樓的中部,大部分的樓板區(qū)域拉應(yīng)力均低于1 MPa,雖然存在局部的應(yīng)力集中,例如框架柱、中部連廊附近,有些區(qū)域的峰值拉應(yīng)力超過了1.5 MPa。盡管如此,拉應(yīng)力水平并沒有超過混凝土的抗拉強(qiáng)度,理論上是不會(huì)形成開裂的。

圖6 2樓樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖7 3樓樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖8 10樓樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖9 12樓樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖10 屋面樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

由于基礎(chǔ)的約束作用,二層樓面更容易出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,從分析結(jié)果上看,中部連廊部分應(yīng)力已經(jīng)超過了混凝土極限抗拉強(qiáng)度。在溫度荷載以及混凝土收縮共同作用下,一旦截面開裂,混凝土應(yīng)力釋放,而板中的鋼筋承受拉力,通過計(jì)算可知,這時(shí)鋼筋的拉應(yīng)力大概在10～20 MPa,這么小的鋼筋拉應(yīng)力不會(huì)明顯增加鋼筋數(shù)量。

6 結(jié) 語

寧煤辦公樓的分析計(jì)算,是為了研究溫度變化對(duì)于鋼筋混凝土樓板和建筑整體的影響, 收縮的荷

載也考慮在內(nèi)。本文使用有限元分析計(jì)算了混凝土收縮以及溫度變化對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響,其中混凝土收縮轉(zhuǎn)化成當(dāng)量溫度荷載。不同的樓層根據(jù)施工的順序,施加了相應(yīng)的當(dāng)量溫度荷載。計(jì)算結(jié)果顯示,樓板絕大多數(shù)區(qū)域拉應(yīng)力低于1.5 MPa,因此樓板不會(huì)在溫度和混凝土收縮荷載作用下產(chǎn)生裂縫。即使在局部區(qū)域,例如框架柱邊、角部等拉應(yīng)力超過了2.0 MPa,可能會(huì)引起微細(xì)裂縫,但局部板應(yīng)力會(huì)隨之釋放。

為了減少可能由混凝土收縮或者溫度變化引起的樓板裂縫,可以采取以下結(jié)構(gòu)措施：盡量在環(huán)境溫度低的時(shí)候澆注混凝土；在樓板的角部放射狀布置構(gòu)造鋼筋,增加連廊部分,特別是框架柱周邊的樓板厚度；所有樓板配筋應(yīng)至少滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010—2002)》規(guī)定的溫度收縮鋼筋的要求；樓板鋼筋上下雙向全部拉通。通過以上措施,超長混凝土框架結(jié)構(gòu)樓板的溫度應(yīng)力問題是可以得到解決的。

[1] ACI Committee 209. Prediction of Creep, Shrinkage and Temperature Effects in Concrete Structures[R]. Manual of Concrete Practice, 1990,Part 1, 209R 1-92．

[2] ACI Committee 224. Cracking of Concrete Members in Direct Tension[R]. Manual of Concrete Practice, 1990,Part 3, 224.2R-92.

[3] 張玉明. 考慮具體施工條件的超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算[J].建筑技術(shù),2006(1):64-66．

[4] 趙楠.超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)措施[J].結(jié)構(gòu)工程師, 2013(12):14-18．

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