超長混凝土結構溫度應力影響分析

聶行

中鐵上海設計院集團有限公司南昌院 江西 南昌 330000

引言

近20年來，我國經濟實力的不斷增長逐步推動著現代城市的高速發展，我國建筑行業也取得了長足的發展，人們對建筑使用功能、建筑美感也提出了更高的要求，大空間、大跨度的體育場館、會展中心、城市樞紐中心等建筑應運而生。這一類大型公共建筑在綜合考慮結構整體性、防水性、保溫性以及不影響建筑使用功能及美觀性的前提下，結構設計中通長采用少伸縮縫或不設伸縮縫的處理方式，然而根據我國《鋼筋混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）（2015版）中對鋼筋混凝土結構中伸縮縫間距的設置要求，大型公共建筑的長度通常會超出規范限值，使得結構出現超長情況。在超長結構中，溫度變化和混凝土自身收縮都會引起混凝土內部產生較大次應力，進而引起結構開裂[1]，危及結構安全及建筑美觀。因此，溫度應力分析在超長結構設計中已成為不容忽視的問題之一。

本文以某體育館為研究對象，分析了考慮溫度作用下，結構樓板內力的變化特點，為結構設計提出有效的技術措施。

1 項目概況

該項目房屋建筑高度為18.45m，地上四層，地下一層，為多層框架結構，嵌固端設置在地下室頂板。房屋主要有籃球館、游泳館、訓練館。根據建筑使用功能及房間布置，橫向設有兩道伸縮縫，將結構分為3部分，分別為39.7m，63.3m，41.1m?？v向不設伸縮縫，縱向長度67.7～102m，均超過規范限值，且超出值較大。中間部分屋面采用鋼結構網架屋面，其余均采用混凝土屋面。結構梁、柱模型詳圖1。

圖1 結構梁、柱模型

2 溫度應力分析

2.1 溫度荷載的的確定

鋼筋混凝土結構主要考慮混凝土早期水化熱與外部環境溫差（混凝土收縮當量溫差）、驟降溫差、日照溫差、使用冷熱源溫差和季節溫差等五種類溫度荷載型[2-5]，其中驟降溫差、日照溫差、使用冷熱源溫差一般可通過加強保溫隔熱措施解決，因此本文主要考慮混凝土收縮當量溫差和季節溫差作用下對樓板的影響。

混凝土收縮是一個長期過程，其最終收縮量與材料構成、構件大小、施工養護及環境溫度等因素有關，混凝土收縮時產生的拉應力，可把后澆帶封閉后的殘余變形等效為結構的整體降溫。研究表明混凝土齡期為120d時已完成收縮總量的70%。根據《超長混凝土結構無縫施工標準》中混凝土收縮時相對變形值的當量溫度計算公式：

其中εy（t）為齡期為t時混凝土收縮影響的相對變形值，α為混凝土的線膨脹系數，取1.0×10-5。

混凝土最終收縮量εy（∞）=3.24·M1·M2·M3···M11（×10-4），綜合系數M=M1·M2·M3···M11，取為1.5。該工程縱向后澆帶設置間距不超過30m，要求后澆帶封閉應在兩側結構完成120d后封閉，則結構設計中需考慮的殘余收縮變形等效收縮降溫ΔTk‘=0.3εy（∞）（×10-5）=14.58℃。

由季節溫差引起的最大降溫溫差公式為：ΔTk=Ts,min-T0,max，其中Ts,min為結構最低平均溫度，根據有關數據統計，該地最低平均氣溫在一月為4℃；T0,max為結構最高初始平均溫度，結構主體合龍溫度按10～20℃考慮，T0,max取為20℃。最大降溫溫差ΔTk=16℃。

當考慮混凝土收縮和季節溫差的作用，綜合等效降溫溫差ΔTstk=14.58+16=30.58℃。

2.2 混凝土徐變松弛及剛度折減

考慮到鋼筋混凝土徐變應力松弛的非線性因素，實際的溫差應力將小于按彈性計算的結構，計算中取徐變應力松弛系數為0.3以折減計算結構。

考慮到混凝土構件截面裂縫的影響，混凝土的彈性剛度折減系數取為0.85。

2.3 模型分析及計算結構

2.3.1 分析模型。該工程結構分析計算采用盈建科建筑結構計算模塊YJK-A（5.2.1）版，計算模型做了以下處理：

（1）由于地下室與土體接觸，認為地下室保持恒溫，不考慮溫度作用對地下室的影響。

（2）溫度荷載施加于梁柱節點上，樓板選擇NQ6Star單元，彈性板荷載計算方式采用有限元計算。

2.3.2 計算分析結構。

（1）樓板變形分析。降溫工況下，二層樓板變形圖如圖2。

圖2 降溫工況下二層樓板變形圖

從圖2可以看出，結構中部變形較小，端部變形較大。這是由于溫度作用及混凝土收縮產生的變形均發生在混凝土內部，中部收到約束較小，變形可以向兩端發展，而端部收到邊梁和邊柱的約束較大，這導致了端部的較大變形，由圖中可看出端部出現較大翹曲。

（2）樓板應力分析。降溫工況下，各樓層Y向應力分布圖如圖3～圖5。

圖3 二層樓板應力Sig-yy分布圖（N/mm2）

圖4 三層樓板應力Sig-yy分布圖（N/mm2）

圖5 四層樓板應力Sig-yy分布圖（N/mm2）

由圖2～圖4可知，同一樓層樓板，降溫工況下樓板中部均出現較大拉應力，且應力分布出現中間大兩端小的趨勢，壓應力集中出現在外圍四周。二層混凝土斜撐處梁柱連接點均出現較大的應力集中，拉應力最大可達2.4Mpa，已超出混凝土的極限抗拉強度。三層樓板開洞處角部也出現較大拉應力，拉應力最大可達0.9Mpa。在樓板配筋時，應根據降溫工況下樓板應力計算，提高拉應力較大區域的配筋率。對于樓板開洞角部位置，可將角部倒角使其圓滑過渡，減少應力集中，從而改善溫度應力。

對比2～4層樓板應力Sig-yy分布圖，二層樓板在降溫工況下產生的拉應力最大，隨著樓層增加，樓板拉應力逐漸減小，到四層時溫度應力值接近零。其原因在于，二層距離地下室最近，受到嵌固端的約束最大，隨著樓層增加，樓板受到的約束作用越小，溫度應力也隨之減少。

3 溫度應力控制措施

超長結構的溫度應力受諸多因素影響，如結構布置形式、施工工藝、建筑保溫隔熱措施等。超長結構設計中減少溫度應力的措施如下：

結構布置形式宜簡單規則，避免構件之間協調變形引起的內力過大，剛度較大的豎向構件宜布置在中部，減小對梁板構件的約束作用。

在混凝土材料的選用上，宜首選低水化熱水泥，同時嚴格控制水灰比，優化混凝土配合比。

超長結構應設置后澆帶，以釋放混凝土早期收縮產生的應力，后澆帶設置間距宜為20～30m。后澆帶封閉時間可適當延后，盡可能減小后澆帶封閉后的殘余變形。

受溫度應力影響較大的樓層，樓板應根據降溫工況下應力分布配筋，樓板板頂的框中鋼筋宜貫通，且其在梁端部最小鈾固長度滿足受拉描固要求。

4 結束語

本文采用盈建科軟件對超長結構在季節溫差和混凝土自身收縮作用下的樓板溫度應力進行了分析，了解了超長結構樓板溫度應力的分布特點，并得出以下結論：

溫度荷載應根據工程所在地氣象資料，并結合混凝土自身收縮的等效溫差、后澆帶的設置對溫度應力的影響，計算出合理的溫度荷載。

在降溫工況下，樓板中部均出現較大拉應力，且應力分布出現中間大兩端小的趨勢。二層樓板在降溫工況下產生的拉應力最大，隨著樓層增加，樓板拉應力逐漸減小。豎向剛度較大處和樓板開洞處角部均出現較大拉應力，在這些部位均應加強結構構造措施。受溫度影響較大是底層，特別是結構中部會產生較大拉應力，結構中部的梁、板配筋需加強。