超長地下結構溫度效應分析及工程應用

黃景銘

0 引言

熱脹冷縮是建筑物的普遍特性，一座建筑物，尤其是超長建筑，從施工到投入使用，結構所承受的溫度作用在各階段是不同的，相應的溫度作用效應也會隨之發生改變，只有充分分析建筑物在各個階段所承受的溫度荷載類型，采用合適的溫度荷載計算方法，確定溫度作用計算工況，才能為進行結構溫度作用效應計算作好準備。

1 溫度參數的確定

廈門地區溫度計算基本參數取值:夏季室外日平均氣溫為35.6℃;冬季室外日平均氣溫為4℃。室內溫度計算取值:正常工作情況(有空調)夏季為28℃;冬季為18℃;非正常工作情況(無空調)夏季為35.6℃;冬季為7℃。結構混凝土終凝溫度取值10℃～25℃，根據該工程實際情況可取:冬季的混凝土終凝溫度T=10℃;夏季的混凝土終凝溫度T=25℃。

2 溫度荷載的確定

2.1 混凝土收縮轉化為等效溫差取值

混凝土溫差自由應變為:

其中，α為混凝土線膨脹系數，α=10-5/℃。

結合該工程實際情況，考慮結構設置后澆帶(兩個月)，可認為混凝土已完成大部分收縮變形，據有關文獻[2]后期殘余變形僅為5.0×10-5。因此，混凝土收縮當量溫差為:

2.2 季節溫差

季節性溫度的變化是一個長期的過程，溫度變化呈現緩慢而勻速的發展態勢。季節溫差由結構正常使用時結構構件中面計算溫度T中與混凝土終凝溫度T凝之差來計算:

考慮施工過程中的結構混凝土自身收縮作用，只需將混凝土收縮等效溫差與季節溫差進行疊加，一并計算。

2.3 溫度驟變

廈門地區冬季極端最低氣溫平均值為-4.5℃，夏季極端最高氣溫平均值為39℃。

3 溫度工況

3.1 構件計算溫度參數

由于不受氣溫變化的直接影響，構件處于均勻溫度變化場之中，構件各部分溫度相同;外圍構件(屋蓋及外墻)，其中面溫度T中等于構件內外表面溫度的平均值，可用下式求得:

夏季正常工作環境，室內空調保持恒溫，有隔熱。

外圍構件:T中=(35.6℃ +28℃)/2=31.8℃;內部構件:T中=28℃。

夏季非正常工作環境，室內無空調，有隔熱。

外圍構件:T中=35.6℃;內部構件:T中=35.6℃。

冬季正常工作環境，室內空調保持恒溫，有保溫。

外圍構件:T中=(4℃ +18℃)/2=11℃;內部構件:T中=18℃。

冬季非正常工作環境，室內無空調，有保溫。

外圍構件:T中=(4℃ +7℃)/2=5.5℃;內部構件:T中=7℃。

3.2 溫度工況

工況1:混凝土收縮等效溫差+季節溫差(冬季結構混凝土終凝溫度至夏季構件計算溫度)，室內為夏季正常工作環境，外圍構件:31.8℃ -10℃ -5℃ =16.8℃;內部構件:28℃ -10℃ -5℃=13℃。工況2:混凝土收縮等效溫差+季節溫差(冬季結構混凝土終凝溫度至夏季構件計算溫度)，室內為夏季非正常工作環境，外圍構件:35.6℃ -10℃ -5℃ =20.6℃;內部構件:35.6℃ -10℃ -5℃ =20.6℃。工況3:混凝土收縮等效溫差+季節溫差(夏季結構混凝土終凝溫度至冬季構件計算溫度)，室內為冬季正常工作環境，外圍構件:11℃ -25℃ -5℃ =-19℃;內部構件:18℃ -25℃-5℃ =-12℃。工況4:混凝土收縮等效溫差+季節溫差(夏季結構混凝土終凝溫度至冬季構件計算溫度)，室內為冬季非正常環境，外圍構件:5.5℃ -25℃ -5℃ =-24.5℃;內部構件:7℃ -25℃ -5℃ =-23℃。工況5:冬季遭遇極低溫度天氣，外圍構件外表面溫度降低:-4.5℃ -4℃ =-8.5℃，外圍構件計算溫度較平均溫度降低:(-8.5℃ +0℃)/2=-4.25℃;內部構件溫度不變。

4 計算實例

4.1 溫度計算

本文以長300 m、寬100 m的假想地下2層結構為對象模擬測試溫度計算的過程，混凝土收縮在構件中產生拉應力使混凝土開裂，溫度荷載按最不利工況考慮:選取工況2作為升溫工況，選取工況4作為降溫工況，在溫度荷載作用下對主體結構進行溫度應力分析計算。由于組成建筑結構的各種構件本身特性不同，其在溫度作用下的溫度內力或應力的數值和分布也具有各自的特點和規律。下面分別分析結構各構件在工況4溫降作用下的溫度效應，并對分析結果采用不同的設計手段。

4.2 地下室頂板

計算顯示:地下2層中板大部分區域應力介于0.5 MPa～1.3 MPa，局部最大應力為1.5 MPa;地下1層頂板大部分區域應力介于 0.8 MPa～2.3 MPa，局部最大應力為 2.5 MPa;文中給出地下1層頂板整體施工階段x方向溫度應力(見圖1)，以及靠近洞口及側墻區域應力集中處應力分布圖。可以看到施工階段中間區域溫度應力最大，拐角、頂板洞邊以及洞口與洞口之間較窄等位置應力集中現象顯著，應力較大。有限元計算結果表明，部分區域的溫度拉應力超過混凝土的抗拉強度，如不配置相應的溫度筋，混凝土可能出現較多開裂。

圖1 溫縮下局部區域頂板面x向應力云圖

4.3 梁構件

經常有設計人員反映，考慮溫度荷載后，梁內力增大很多，超筋現象嚴重。究其原因，主要是因為對于混凝土結構，沒有考慮混凝土徐變產生的應力松弛和構件界面裂縫的影響，從而使結構溫度應力計算結果很大。以梁1為例:分別按照不計算溫度荷載，計算溫度荷載時不考慮應力松弛系數和梁柱混凝土彈性剛度折減，計算溫度荷載時考慮應力松弛系數和梁柱混凝土彈性剛度折減這三種情況計算，其計算結果如表1所示。

表1 梁1計算結果比較

表1計算結果表明:考慮混凝土徐變產生的應力松弛和構件界面裂縫的影響，其配筋結果要比不考慮溫度荷載大，但比較合理，梁也不會超筋。否則，溫度荷載計算值將會大很多，超筋現象嚴重，使得設計人員無所適從。

5 結語

本文討論了地下超長結構溫度作用計算工況的確定方法，考慮了可能影響建筑物溫度效應的各種因素，并通過具體工程實例進行了計算，實際計算表明，采用本文設計的超長地下結構溫度作用計算工況，可以滿足實際超長建筑溫度問題的計算需要，該方法具有一定工程適用性和可操作性，為今后工程技術人員考慮溫度作用設計溫度計算工況提供參考。

[1]GBJ 19-87，采暖通風與空氣調節設計規范[S].

[2]劉興發.混凝土結構的溫度應力分析[M].北京:人民交通出版社，1999.

[3]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社，1997.