鋼筋混凝土超長梁溫度作用下應力分析

李棟謀

【摘要】在超長鋼筋混凝土梁的結構設計中，有時必須考慮溫度效應，這取決于結構本身的特點。溫度和應力影響結構裂縫和構件的產生和發展。本文應用有限元理論，研究了溫度作用下超長梁的水熱溫度對施工過程和應力狀態的影響，為超長結構梁的設計和溫度控制提供了理論依據。

【關鍵詞】鋼筋混凝土框架結構;超長梁;有限元理論

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.02.175

隨著溫度的升高，越受到重視混凝土結構。結構內外溫度的變化導致結構內部溫度和壓力的升高，導致混凝土表面出現局部裂縫，影響混凝土的耐久性和安全性。結構溫度變化引起混凝土抗裂性和導熱性較差，結構溫度變化的原因主要有兩個：一是環境溫度的變化天然混凝土材料隨著外界溫度的升高而膨脹，隨著外界溫度的降低而收縮。第二，水泥固化過程中產生的水化熱使構件內部溫度升高，導致構件內外溫差較大，產生溫度應力。

1、溫度應力對超長混凝土結構的影響

1.1溫度裂縫特征

混凝土在水化過程中干燥和收縮，混凝土自身在加熱和冷卻時膨脹和收縮。混凝土入模后，由于受模具和鋼筋的約束，混凝土會出現收縮裂縫或溫度裂縫。在普通超長建筑中，混凝土可能有收縮或溫度裂縫收縮應力和溫度應力共同作用引起的溫度裂縫在建筑中很常見。它的特點是快速收縮，高達總收縮的90%。六個月后可完成，一年后穩定變形最小，主要收縮區域為下底、頂層、結構梁、樓板、明挑檐等。

1.2地層溫度的影響分析

建筑工程中的溫差包括垂直和水平溫差。然而，在低高度超長平面建造中，只能考慮水平溫度的差異。季節性溫差和太陽暴曬引起的溫差可分為兩類：一方面，土壤溫差是——也就是說，當地氣溫的差異;另一方面，場地溫度的差異，也就是施工現場的溫度的差異，局部溫度變化對整體結構的影響是有限的，不應理解為考慮現場溫度的水平溫差，溫度差是考慮到當前結構荷載標準規定的月平均最高溫度和最低月平均，可作為設計依據的是（過去30年）。設計地下室溫度相對較低，相對穩定溫差。而一樓的建筑暴露在外，特別是在施工階段，沒有保溫措施。因此，底層受拉的是地下室外墻和混凝土墻柱、梁、板。

1.3分析計算溫度

（1）梁：在溫差的作用下，建筑底部梁產生的軸力最大。縱梁兩端軸向力較大。隨著不斷升高的樓層，構件中的梁受建筑物底部的約束越來越小，其變形越來越大，迅速減小的是梁的軸力。當它到達頂部建筑物時，底部的粘結力會小一些。當日照溫差為局部溫差時，梁的軸力較小。根據有關資料，

梁端的曲率扭矩主要取決于梁水平結構和梁間節點的剛度。在規則柱網結構中，框架梁端彎矩較大，框架端部的彎曲力矩較大。然而，在數據庫和工程實踐中，端部曲率力矩較小且分布均勻，可以確定溫度應力對梁單元的影響集中在建筑物底部。（2）樓板：溫度應力分布與發展規律于梁相似。底層與基礎（或地下室頂部）接近，底層受框架梁和剪力墻的約束，導致最大應力。區別在于樓層頂部，盡管建筑物頂部的底部約束非常小。但是，由于屋面板之間較大的溫差，變形約束會產生額外的溫度應力，從而導致屋蓋產生較高的溫度應力。《高層建筑規范》要求頂層厚度為120mm，且應為雙向鋼筋。為了抵抗溫度應力的不利影響，對建筑物的屋面進行了加固。與此同時，在建筑布置中根據經驗，突變點與剪力墻交點處的應力出現突變。（3）剪力墻和柱：墻和剪力柱是垂直受力構件。建筑建筑不受縱向限制，可以自由回收。立柱內力的變化主要發生在扭矩較低時。剪力墻的布置限制了梁、板的水平變形，增大了剪力墻周圍梁的溫度應力。

1.4降低溫度應力的措施

在《鋼筋混凝土設計與施工規范》中，目前設計人員最常用的方法是后澆帶所述措施。早期收縮是混凝土的特點，采用設計思想是“澆筑為主”。通過初始收縮應力釋放，收縮應力引減小溫度變形。在很多材料的介紹中都強調，如果設計和施工處理不好，不僅會減少裂縫，還會給結構設計留下隱患。因此，傳統方法可參考以下幾點：間距：規范要求30～40m，氣候和環境是實際距離應考慮的，約30m為宜。位置：宜在小跨度梁或受力較小的部位布置，一般布置在梁跨的1/3處;布置平面時，梁與后澆帶的布置應平行。800-1000mm是寬度，規格。預留搭接寬度鋼筋應滿足搭接要求。加固：后澆帶梁縱向加固目前有兩種方法。第一種方法是梁、板鋼筋全部斷開后搭接（按規定要求）。但由于梁體的粘接焊接，截面小，操作困難，不易保證質量，無法正常進行施工。第二種：斷開板鋼筋，連續連接梁鋼筋。目前，它已廣泛應用于施工中，但當梁的主筋連續且配筋數量較多時，混凝土的收縮會受到抑制，不能達到預期的效果。

2、案例分析

2.1分析確定了有限元模型

工程結構設計規范如圖1所示。建立了有限元集分析模型。考慮到基礎應力對上部結構的影響，在柱后施加相同的約束。同時，根據結構在施工過程中的環境條件，對整個結構施加溫度效應。

在ANSYS中，分析單元是solid70。考慮到木模板的存在及其對混凝土澆筑過程中影響水化熱積累，在模型的側、底部設計了木模板2cm厚。混凝土線膨脹系數取，混凝土導熱系數為8.6kj/（M.H.℃），木模板系數為0.84kj/（M.H.℃），它們的比熱容為0.96kj/（kg.℃）、1.8kj/0（kg.℃）。它們流換熱的表面系數為53kj/（m2.K）、49.4kj/（m2.K）。溫度初始為25℃。

2.溫度下的應力分析。（1）測定了水化熱。本文采用改進的指數函數公式來提高水泥的水化熱值。根據《水工混凝土設計規范》（sll91），公式計算如下：

式中，QT為水化累積熱（kJ/kg），Q0為最終水化熱（kJ/kg）、t期第一階段tn、n是常數。（2）材料的模量彈性。混凝土硬化后的彈性模量隨時間變化。根據《水工混凝土設計規范》（sll91），確定了以下公式：

式中，E是28天時混凝土的彈性模量（n/mm2）。（3）分析計算。水泥水化熱和環境溫度引起的溫度效應作為體積荷載作用于構件。進行計算分析采用ANSYS結構分析模塊。實際工程情況是梁構件的約束條件模擬，類似于多跨連續梁。初始溫度設定為當地平均溫度的25%，持續13天。泊松比為0.2，密度p=2500 kg/m3。

2.3結果分析

從應力應變分布特征來看，支撐區附近的應力應變值較大，然而，構件中部的應力分布較低。由于混凝土的水熱效應，試驗的內部溫度升高，

內部變形受外部變形的限制。因此，在約束應力作用下，內應力減小，外應力增大。因此，在較大的受力約束下，構件表面容易產生裂紋。

通過對水化熱和溫度分析應力分布，得出以下結論：混凝土硬化過程中釋放的水化熱使構件內部溫度升高，從而導致構件內外溫差。由于溫差的存在外表面產生拉應力，內外溫度升高，混凝土的拉應力逐漸增大，局部拉應力大于抗拉強度。因此在混凝土硬化過程中應采取保護混凝土表面的措施，防止混凝土表面溫度迅速膨脹，造成內部構件溫差過大。外部溫度和壓力的影響下，應力集中發生在鋼筋混凝土梁支撐節點附近的約束條件很重要，并且可能存在豎橫向裂紋，影響梁縱截面鋼筋溫度。

參考文獻：

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