大面積超長混凝土結構的溫度應力分析與設計探討

付春松　吳麗琴

摘 要：預留伸縮縫會影響建筑物的外觀、增加構造措施和建筑成本，因此，建筑師會采用避免設置伸縮縫的超長混凝土結構。本研究主要對大面積超長混凝土結構的溫度應力進行分析和設計探討，并提出解決溫度應力的相關意見。

關鍵詞：超長混凝土；溫度應力分析；裂縫

目前，我國正處于城市化進程快速發展的階段，因此，城市建設中越來越多的公共建筑和工業建筑發展起來。在這些工程的建設中，為了滿足城市建設的需求，越來越多的大面積超長混凝土結構應用于工程建設中，并且，在這些超長的混凝土結構中，對結構不設縫長度的要求也越來越高。科學研究表明，混凝土的結構越長，溫度變化而引起的結構收縮變形就越大，由于結構對收縮變形的約束產生的溫度應力就越大，結構裂縫就越多。因此，要對溫度應力進行詳細的研究。

1 大面積超長混凝土結構的溫度應力研究現狀分析

目前，國內外對混凝土結構中溫度應力問題的研究還是主要集中在超長混凝結構、道路橋梁結構以及公路水泥混凝土路面結構上。就這三個領域而言，由于超長大體積混凝土結構的應用起步比較晚，因此很長一段時間內對該結構應用中出現的溫度應力問題研究資料不太豐富，在實際中遇到該問題時只能根據一般的經驗以及粗略的估算來研究溫度應力的產生對超長混凝土結構會造成怎樣的影響，然后再采取一定的解決措施。但是社會發展到今天，城市中公共建筑以及工業建筑的增多，使得超長混凝土結構的應用范圍更加廣泛，因此，結構中再出現溫度應力的問題，就不能再粗略的進行解決。所以新的溫度應力研究辦法在不斷的試用。

隨著近年來計算機技術的不斷普及和推廣，超長混凝土結構中出現的溫度應力現象常用有限元方法來進行研究，如ANSYS、ABAQUS、SuperSAP、ETABS等。這些軟件可以對具有各種邊界條件的復雜混凝土結構作有限元分析，并得到可信的結果。

2 大面積超長混凝土結構中溫度應力的作用分析

通過對多個工程混凝土結構的研究和分析可以發現，結構中出現混凝土裂縫的原因一部分是因為混凝土結構在使用中的自身收縮以及環境溫度變化引起的混凝土收縮。而在大面積超長混凝土的結構設計中，為了確保混凝土結構及其周邊構件在使用中不發生裂縫，最有效的方法就是在超長混凝土的構件上施加預應力來抵消這兩部分的拉應力。所以，為了更好的確定改進措施，需要對引起混凝土結構的裂縫的兩種原因進行定量的分析，只有這樣才能有效合理的確定超長混凝土結構設計中預應力所需的鋼筋數量以及布置的方位，最大程度的減少溫度應力帶來的結構損害。

2.1 大面積超長混凝土結構中溫度應力引起的結構收縮

超長混凝土結構在使用中會遇到和其他材料一樣的問題，即隨著溫度的改變而出現不同程度的形變。與混凝土結構自身產生的形變收縮不一樣，這種溫度引起的形變會是循環反復的出現。人們通過研究發現，超長混凝土結構中由于溫度升高而產生的應力被稱為壓應力，而由于溫度降低而引起的溫度應力則稱為拉應力。一般來說，各種超長混凝土結構具有的抗拉能力要遠遠小于其抗壓能力，所以，在超長混凝土結構的應用中，要特別注意由于溫度降低而對混凝土結構帶來的不利影響。

此外，超長混凝土結構由于溫度降低而產生的拉應力會使得混凝土結構中的裂縫更加嚴重，其后果很有可能是導致超長混凝土結構的大面積開裂。理論上來說，超長混凝土結構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硬初期所表現出來的塑性收縮，并且這一時期的形變產生的非常快，但是到了混凝土結硬的后期，由于結構中自由水的大量蒸發而引起的干縮是混凝土形變的主要原因。

2.2 大面積超長混凝土溫度應力的形成過程

混凝土溫度應力的形成過程經歷了三個部分即早期應力、中期應力和晚期應力。

混凝土從開始澆筑一直到成分中的水泥完成放熱作用，歷時大約一個月的時間，這一階段的混凝土有兩個特點即在此段時間內混凝土的溫度場是急劇變化的，并且超長混凝土具有的彈性模量會隨著時間的變化產生較大的幅度變化，因此，這一時期的溫度應力就是所謂的早期應力。

混凝土的中期應力是兩種溫度應力的相互疊加，早期應力之后，混凝土中的水泥放熱作用會基本的結束，從其放熱結束到冷卻作用的完成，這一階段由于外界溫度變化而引發的溫度應力與之前的早期應力疊加在一起被稱為中期應力。當超長混凝土完成冷卻后，能夠引起其發生溫度應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生的應力與之前的應力相加在一塊就是晚期應力的形成。

2.3 大面積超長混凝土溫度應力具有的特點

超長混凝土結構在完成澆筑之后會面臨水泥水化熱大量釋放的問題，這種現象導致混凝土的中心結構溫度會大于其表面的溫度。所以，一般來說，超長混凝土結構中心所具有的熱膨脹會遠大于其結構表面形成的熱膨脹。由于溫差存在而使得超長混凝土結構中心會產生壓應力，結構表面產生的是拉應力。溫度應力與其他應力的不同體現在溫度應力而產生的結構形變往往是可以恢復的，并且具有反復性。但是其他原因引起的混凝土開裂現象則不具備該特點。除此之外，溫度應力的特點還體現在以下幾點：

超長混凝土結構產生的收縮、形變以及溫度變化的產生等都是具有長期性；并且在循序漸進的收縮和變形中，超長混凝土結構的應力會逐漸的松弛，整體的應力值大小與一次瞬時全部變形情況下產生的彈性值相比，會大大的減小；超長混凝土結構中由于溫度應力與收縮形變而產生的板中應力主要是受到了柱和梁的約束。

此外，超長混凝土中溫度應力的存在并不能完全消除，這是因為即使由于外界溫差引起的溫度應力消失，由于混凝土結構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，溫度應力并不會完全的消失。

2.4 大面積超長混凝土結構中溫度應力的種類

超長混凝土結構中溫度應力一般分為兩類，即平均溫度應力和彎曲溫度應力。這兩種應力分別是由不同的原因產生的。

當建筑中的樓板受到溫度降低或者是溫度升高的作用之后，就會產生熱脹冷縮，從而使樓板產生形變，但是由于建筑在設計中都會對樓板添加一些結構上的約束，正是這些約束的存在使得樓板內部存在應力，但是這種應力由于是分布均勻的，所以被稱為平均溫度應力。

而彎曲溫度應力產生的原因則主要是超長混凝土結構中的樓板發生變形也會引起柱剪力的產生，柱剪力的產生又會引起柱彎矩。與此同時由于樓板結構中有柱和梁剛接檔，所以產的柱彎矩就會傳到梁板上，從而就產生了彎曲溫度應力。

3 大面積超長混凝土結構的溫度應力設計探討

為了更好的解決溫度應力存在而對超長混凝土結構造成的影響，人們借助于當代計算機軟件通過對溫度應力的設計探討，來消除或緩解這種影響。對于超長混凝土工程結構而言，由于自然環境條件變化所產生的溫度荷載有三種類型：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

年溫差是影響超長混凝土結構中出現溫度應力的重要原因之一。如果超長混凝土的結構中沒有設立后澆帶或者是后澆帶留設的時間較短，那么此時在分析年溫差的影響時還應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混凝土結構在凝結硬化時的初始溫度與使用期間溫度極值的差值。

此外，在超長混凝土的結構中還存在材料的抗拉強度遠小于其抗壓強度的特點，所以，控制年溫差應取初始溫度與使用期間所能達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代表的是超長混凝土凝結構在結硬化時的初始溫度，Tmin代表的是結構在使用期間所達到的最低溫度值。

然而，在實際的混凝土結構設計中，人們并不能事先準確的得知混凝土的澆筑時間，所以，也就不一定能夠精確的計算出混凝土結構在使用中的溫度最低值。為了有效的解決這個問題，人們就取超長混凝土在結構使用中夏天所達到的最高氣溫與冬天所達到的最低氣溫之差來作為年溫差的計算方式。

3.2 對超長混凝土結構中的溫度應力分析進行模擬設計

以一個超長二層框架結構為例進行說明，假設其平面尺寸是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構，規定次梁截面的尺寸是200mm*400mm，并且樓板的厚度都設計為均為100mm。此結構中超長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，線脹系數為1.5*10-5/℃。

同時在利用該結構進行溫度應力分析中采用的是大型有限元軟件ANSYS。應用 CAD軟件建立整體的混凝土結構模型，然后利用文件轉換的方式導入到SAP2000中進行相關參數的計算。此外，超長混凝土結構中的板及剪力墻應該利用Shell單元或者是Shell181單元進行相應的模擬計算，超長混凝土結構中其余的梁柱結構或者是構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 對溫度內力的分析

在對溫度應力進行研究的過程中還要考慮到溫度內力在超長混凝土結構中的分布情況。這種溫度內力造成的影響有柱內力、梁內力和板內力。

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

為了解決該問題，設計人員結合SAP2000軟件或者是ANSYS軟件對超長混凝土結構中的溫度應力的大小進行計算，然后根據分析結果配置合適的預應力筋數量。

4 結語

總而言之，大面積超長混凝土結構溫度應力的分析及設計探討是一個相對比較復雜的課題。在實際的應用中，溫度應力的產生涉及到許多的內容，近年來，人們一直在致力于研究控制溫度應力的方法。目前，我國大面積超長混凝土結構中控制溫度應力較好的方法是無粘結預應力技術，并且，在對溫度伸縮縫相關內容進行結果分析時可以采用的科學軟件是ANSYS，該軟件的應用，不僅可以分析出混凝土結構設計中的預應壓力，還能以此結果作為人們改進的依據，最終有效的控制溫度應力。

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作者簡介：付春松（1978.12- ），男，講師，工程師，博士研究生，研究方向：建筑結構設計與建筑施工技術。