超長混凝土框架結構溫度作用分析及設計

曹忠華

(合肥工業大學 建筑設計研究院，安徽 合肥　230009)

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超長混凝土框架結構溫度作用分析及設計

曹忠華

(合肥工業大學 建筑設計研究院，安徽 合肥230009)

摘要：以某工業廠區聯創中心為工程背景，分析混凝土收縮對結構產生的收縮當量溫度差；在計算溫度作用時應考慮混凝土徐變對混凝土產生的應力折減系數，并研究其取值依據；根據該建筑所處的位置認真研究了該結構在計算溫度作用時的溫差取值和取值依據；對超長混凝土框架結構溫度作用進行有限元分析，得出升溫工況下混凝土梁板內力及應力的變化情況，并總結溫度作用下超長混凝土框架結構的應力變化規律，為今后類似工程分析及設計提供理論依據和實踐依據。

關鍵詞：超長結構；溫度作用；有限元分析；后澆帶；當量溫差

0引言

某智慧產業園區內聯創中心位于安慶市宜秀區，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。該聯創中心主要建筑功能為大開間辦公，聯創中心地下室層高為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。建筑地下地上結構布置均未設置伸縮縫，因此建筑物長度已大大超過規范所規定的限制長度，設計時應考慮整個結構溫度變化和混凝土收縮對構件受力的影響[1]。

圖1　建筑整體效果圖

本工程采用現澆鋼筋混凝土框架結構體系，建筑結構安全等級為二級，設計使用年限為50年。建筑抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設防類別為標準設防類，設計地震分組為第一組，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。基本風壓為0.40 kN/m2(50 a重現期)，地面粗糙度類別為B類[1-3]。

1結構體系及混凝土收縮徐變影響

1.1結構體系選擇

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，若采用抗震縫將結構分為兩個結構單元，顯然無論從建筑使用方面或者兩個結構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結構單元進行設計，其標準層結構平面布置圖見圖2所示。

圖2　標準層結構平面布置圖

該建筑進行初步設計時，結構采用框架結構體系和框剪結構體系進行了對比分析，通過分析表明，框剪結構雖然在位移等方面有很多優勢，但由于其整個結構剛度很大且受建筑功能限制導致端部剪力墻較為集中，故存在以下缺點：① 結構整體剛度較大，地震作用力較大，結構造價成本較高。② 受建筑功能的影響導致剪力墻布置位置受到限制，導致結構整體扭轉無法控制，結構扭轉較為明顯，不利于結構抗震性能。③ 兩端結構剛度較集中，而建筑長度很長，導致結構受溫度作用更加明顯，不利于結構溫度作用的疏散。故綜合上述原因，且該結構總高度未超過50 m，所以最終該結構體系定為鋼筋混凝土純框架結構。

1.2混凝土的收縮及收縮當量溫度差

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象。根據混凝土收縮作用原理不同，混凝土收縮主要分為化學收縮、混凝土體積收縮、碳化收縮及溫度收縮四部分組成[4]。化學收縮是指水泥在水化過程中與其他因素無關的自然收縮現象；混凝土體積收縮是由于混凝土凝結過程中大量的水分蒸發所引起的收縮；碳化收縮過程是指空氣中的CO2與混凝土水泥石中的Ca離子發生化學反應而產生的收縮；混凝土的溫度收縮是指混凝土在使用過程中溫度變化時產生的線性收縮。因化學收縮和碳化收縮在整個收縮當量中所占比例較少，對結構沒有實質影響，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。由于混凝土隨著時間的變化而產生體積變小的情況，在超靜定結構中，收縮會對結構產生附加收縮應力，從而導致結構構件產生附加變形及裂縫等問題。因此對于超長結構應通過定量計算考慮混凝土收縮而產生的結構內力。在整個施工過程中，由于混凝土收縮變形所引起的溫度應力對主體結構影響不必單獨考慮，故文獻[5]中將混凝土收縮引起的變形換算成等效溫度作用，與結構的實際溫度變化相疊加來計算。收縮當量溫度差公式可采用：Ts=ε/α，其中ε為混凝土收縮應變，α為混凝土線膨脹系數。根據文獻[5]及其他專家的研究成果，對于一般超長結構，在合理控制后澆帶合龍時間的情況下，混凝土收縮當量溫差溫度可取△T=-5 ℃。

1.3混凝土徐變產生的應力松弛折減系數

混凝土的徐變是指長期持續荷載作用下，混凝土結構變形隨時間不斷增加的過程。由混凝土的徐變作用，其混凝土的應力隨著時間的延續而逐漸減小的現象即為應力松弛。正因混凝土徐變的存在，導致結構中實際應力會大大小于彈性分析的計算結果。為了更準確考慮混凝土的徐變對結構溫度作用的影響，在國內外的研究中均提出采用應力松弛折減系數來考慮混凝土徐變對溫度作用的影響。根據文獻[6]及目前國內外主要結構受力分析軟件說明的建議，混凝土應力松弛折減系數取0.3。

2溫差取值分析

該建筑總高不大于50 m，結構的豎向溫差效應影響不顯著[6]，但結構的平面長度超長很多，樓板的水平約束較強，水平溫差產生的效應較明顯。樓板在外部環境溫度降低時產生負溫差的情況下，樓板內部產生約束拉應力，設計時需考慮溫度作用組合對樓板受力強度及裂縫寬度進行計算，以確保結構安全。因此，有必要對結構進行定量的溫度作用分析。根據文獻[3]，安慶地區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要求其混凝土的終凝溫度10～15 ℃之間[7-9]，并根據相關文獻[5]，取室內工作的溫度(有空調)的情況下，夏季室內溫度為27 ℃，冬季室內溫度15 ℃，外露構件直接取值室外空氣基本氣溫最高及最低值，而內部構件則取室內溫度與室外氣溫的平均值。考慮到整個結構在其施工期間和正常使用期間的各種復雜情況，考慮其結構受力的最不利情況。該建筑擬在夏季施工，并在冬季來臨前正常使用，因此考慮該結構的溫度作用溫差取值具體見表1所例。

表1　設計計算所需溫差取值　℃

注：后澆帶合龍溫度根據組合最不利原則取值。

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

3溫度作用計算結果分析

由于該建筑總高度并不高，建筑寬度也較小，整體結構所受溫度作用的內力較容易釋放，故不對整體結構變形進行分析；同時由于建筑高度不高，框架柱所受溫度作用內力在其所有內力中占比非常小，可以忽略不計；在降溫作用下結構梁板均受壓，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件內力的影響。根據上述分析在進行溫度作用分析時考慮混凝土徐變產生的應力松弛系數為0.3，并考慮混凝土收縮當量溫差△T=-5 ℃。利用YJK1.5系列結構有限元分析軟件對該結構在升溫作用下進行分析。

3.1溫度作用下梁內力分析

梁作為框架結構的主要水平聯系構件，故其是承受水平方向溫度作用的主要受力構件之一。在框架結構中，所有的梁均為超靜定構件，故其在溫度作用下，根據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]。

溫度作用對構件內力影響最大值分析結果見表2所列。

表2　梁在溫度作用下單工況計算結果

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

3.2溫度作用下板內力分析

樓板 (含屋面板)對溫度作用相對于其他構件表現得更為敏感，這主要是因為樓板面大體薄的特點，故樓板和屋面板的溫度作用分析應作為工程設計的重點。

圖3中給出了首層樓板在升溫單工況情況下應力分布云圖。

根據有限元分析結果，對于超長混凝土結構樓板可得出以下結論：① 在各層樓板中，首層樓板的溫度應力值最大，引起首層樓板溫度應力最大的主要原因是首層距離底部基礎最近，同時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，應力表現出逐漸減小的趨勢。③ 在同層范圍內，溫度應力表現出兩端和洞口周邊出現較大的應力，端部溫度應力較大是升溫引起變形累積而產生的應力增加，洞口周邊是因為應力集中的原因。④ 在同層混凝土樓板內會同時存在壓應力與拉應力，出現壓應力的原因是柱網間規則的板單元受到框架梁的限制無法自由變形，板內會出現壓應力。

樓板內同時存在拉應力是因為樓層邊緣部位外露構件升溫值及變形大于內部構件，兩者間會產生一定的內力及變形差。

因此在考慮溫度變化對混凝土樓板的影響，應綜合考慮各種因素，利用有限元分析軟件對其進行單元分析才能正確把握樓板內溫度應力的分布，從而在設計中進行合理考慮。

圖3　首層升溫工況下樓板應力分布云圖

4結束語

本文主要分析了混凝土結構在溫度作用情況下，如何考慮混凝土收縮變形而產生的收縮當量溫差及如何考慮混凝土徐變而產生的混凝土應力松弛折減系數，并分析該結構溫差取值情況。最后利用分析結果對結構溫度作用工況下進行有限元分析，對混凝土梁板在升溫工況下內力及應力進行認真研究。得出該超長混凝土框架結構在溫度作用下梁的內力變化，總結了混凝土板應力變化規律，為今后類似項目的分析和設計提供理論依據和實踐經驗。

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[10]凡春海，魏彤彤.超長框架結構溫度荷載下非線性分析[J].工程與建設,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，合肥工業大學建筑設計研究院工程師．

中圖分類號：TU375.4;TU973.15

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0060-03