溫度作用下超精電子廠房大跨度樓板力學性能

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號： 1000-5013（2025）04-0410-09

Mechanical Properties of Large-Span Slab of Ultra-Precision Electronic Factory Under Temperature Action

MO Jialiang1，CHEN Lianjian2，FANG Sibao2，LI Haifeng （1.College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 36lo21，China; 2.Shanghai BaoyeGroup Limited Company，Shanghai 2O19oo，China）

Abstract：Based on the ultra-precision electronic factory of Tianma Optoelectronics Limited Company of Xiamen City，Fujian Province，ABAQUS finite element software was used to simulate 3-dimensional（3D） model of the beam-slab structure，the simulation data and the monitoring data from the construction site were compared.The influence of temperature action on the ultra-long structure with large-span slab was studied from the slab thickness，reinforcement ratioes，and concrete strength grades，and parameter value suggestions were proposed for actual engineering. The study shows that the influence of temperature action on the slab stres is positively correlated. Under temperature action，the reinforcement ratioes of the slab have a significant impact on the stress and deformation of the floor slab，while the strength grades of concrete only havea significant impact on the deformation of the floor slab，and the the slab thickness has a certain impact on the stress of the floor slab.The temperature difference has a certain impact on the deformation of the central floor.

Keywords：ultra-precision electronics factory；ultra-long structure；temperature action；large-span slab；finite element analysis

近些年，隨著國內科技的發展，電子工業快速崛起，超精電子廠房的建設也逐漸增加。然而，超精電子廠房通常設計成超長結構，即單一結構的單元平面尺寸超長，遠遠超出規范允許的結構單元尺寸。目前，國內外學者對溫度作用下超長結構的力學性能已開展了一些研究。張寒碩等[為了確定結構不同階段的溫度荷載，提出了關于超長混凝土框架結構溫度場的計算方法。文獻[2-7]分析了超長結構的設計、溫度應力及施工措施等，提出了一系列簡便易行、經濟實用的新技術措施。范重等[8]針對超長結構的特點，得到了溫度內力沿結構豎向的變化規律。何本貴等[9]探究溫度作用影響超長混凝土結構邊柱彎矩敏感性大小的先后次序。鄭永路等[10分析了超長鋼筋混凝土框架結構在溫度作用下的內力及變形特點。文獻[11-12]提出了一種基于退化三維實體虛擬層合單元的數值方法，得出后澆條的數量和保溫時間能有效地改變結構的溫度應力的結論。Li等[13」通過實驗模擬和有限元分析，研究超長結構的江蘇省南京市奧體中心主平臺的溫度應力和變形。Yang 等[14]對橢圓平面鋼筋混凝土框架的結構溫度效應進行了分析，得到了曲率對環形超長結構的溫度應力有明顯影響的結論。

關于溫度作用下超長結構樓板的力學性能研究較少，本文以福建省廈門市天馬光電子有限公司超精電子廠房項目為例，研究溫度作用下超精電子廠房大跨度樓板力學性能。

工程概況

天馬光電子有限公司超精電子廠房位于廈門市翔安區田溪路以東、溪東路以西、舫陽東路以南、內按大道以北的范圍內。項目總占地面積為65萬 m² ，總建筑面積為101萬 m² 。其中，廠房占地面積10.1萬 m² ，分為核心區、支持區兩部分，結構形式為框架混凝土結構，屋蓋為鋼筋混凝土，3層（3F）為有梁板結構，2F、4F為華夫板結構。超長結構電子廠房圖，如圖1所示。

2有限元模型校驗

2.1 模型參數設計

為了使三維有限元模型更加符合實際工程情況，在梁、板構件的基礎上，增加了上下層柱子。測點模型參數，如表1所示。表1中： a_#E 為柱長度； b_H 為柱寬度； 為梁長度； b_# 為梁寬度； Ψ_t 為板厚。

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2.2 模型材料本構

三維有限元模型涉及的材料均符合連續性、均勻性、各向同性。考慮到實際工程情況，混凝土材料彈性模量為 34.401GPa 、泊松比為0.2、密度為 2350kg?m^-3 、線膨脹系數為 1 . 0×1 0 "- 5℃。鋼筋材料為 205GPa ，泊松比為0.3，密度為 7850kg?m^-3[15-16] 。為方便計算，混凝土采用線彈性模型，鋼筋采用雙折線模型。

2.3 建模方法

在確保數值模擬分析精度的情況下，為兼顧計算成本，三維有限元模型中混凝土構件均采用8節點減積分三維實體單元（C3D8R）進行網格劃分模擬分析[17]。鋼筋構件均采用2節點三維桁架單元（T3D2）進行網格劃分，模擬分析網格劃分情況及邊界條件，如圖2所示。

在三維有限元模型中，混凝土和鋼筋的接觸約束采用內置區域方法，把鋼筋骨架嵌入混凝土中。為了模擬實際工程中柱與樓層的剛性連接，柱子邊界條件采用完全固定約束[18-19]。

相較于普通跨度樓板，超長結構樓板需要考慮溫度效應對樓板的影響。對整個三維有限元模型施加了結構的自質量，還對整個梁板結構施加了實際施工溫差（由實際工程記錄每日規定時間的廈門市日照溫度確定）。實際施工溫差 ΔT_k^[20] 的計算式為

ΔT_k=T_s，max-T_0，minc

式（1）中： T_s，max 為結構最高平均溫度； T_0，min 為結構最低初始平均溫度。

2.4 模型準確性驗證

根據施工圖紙測點的位置，在樓板的鋼筋構件內相應位置建立勘測點，方便觀測鋼筋應力、變形的變化狀況。實際工程與三維有限元模型測點位置的對比，如圖3所示。圖3中：圓點位置為實際工程測點所在位置；虛線交點處位置為三維有限元模型測點的位置;M、N、L、K為軸。

實際工程測量應力與有限元幾何模型中測點應力對比表，如表 2～5 所示。表 2～5 中： σ₁ 為測量應力； σ₂ 為有限元應力； ξ 為相對誤差。

在誤差范圍之內，三維有限元模型大部分測點結果均能對比成功，表明三維有限元模型模擬精度較高，驗證了三維有限元模型的準確性。

3 有限元仿真模擬

3.1 力學性能分析

實際工程與三維有限元模型測點應力 （σ） 對比，如圖4所示。由圖4可知：根據正態分布概念，測點1在最小溫差 0.5C 下的測點應力為 2.377MPa ，在最大溫差 10.0^°C 下的測點應力為 23.109MPa ；測點2在最小溫差 0.8° 下的測點應力為 2.547MPa ，在最大溫差 6.0° 下的測點應力為 18.422MPa ·測點3在最小溫差 5.7° 下的測點應力為 15.190MPa ，在最大溫差 下的測點應力為34.410MPa ；測點4在最小溫差 2.5°C 下的測點應力為 7.147MPa ，在最大溫差 9.8°C 下的測點應力為25.255MPa 。

溫度作用對樓板應力的影響近似呈正相關，溫差越大，樓板應力越大。同時，溫度作用產生的附加應力，使考慮溫度效應的超長結構樓板應力大于正常跨度的樓板應力。

三維有限元模型整體應力和變形圖，如圖5所示。樓板中心有限元應力和變形圖，如圖6所示。

由圖5可知：在同一溫度作用下，近梁端鋼筋混凝土承受的應力較大，最大應力存在于遠離最大尺寸柱的梁板節點處;梁板的變形大小與離最大尺寸柱的距離相關，當梁板形狀為規則四邊形時，隨著距離的增加，變形也逐漸增加，最大變形位于整體樓板中心處;當梁板形狀為矩形時，最大變形通常位于短邊中心處。由圖6可知：在同一溫度作用下，樓板中心承受最大應力和產生最大變形。

3.2 溫度作用下參數擴展分析

3.2.1參數設計以測點1三維有限元模型為例，建立了7個有限元擴展模型（ ΔM1～M7 ）。有限元擴展模型參數，如表6所示。表6中： η 為板配筋率。

3.2.2板厚影響合理的板厚可以確保建筑在承受荷載時不會發生破壞，增加板厚可以提高板截面剛度，從而增強承載能力。然而，過厚的樓板也會增加自質量和造價，同時，在溫度作用下，板越厚，上下表面溫差越大，表面拉應力越大[21]。

樓板中心不同板厚的模型應力對比，如圖7所示。由圖7可知：1）隨溫度差的增加，不同板厚模型的應力都呈現增大的趨勢；2）溫度差較低時，M3的應力遠大于其他模型的應力；3）隨溫度差的增大，M1的應力增漲趨勢明顯，遠大于M2的應力。

當板厚為 120～150mm 時，板的自質量影響小于板厚增加承載力作用的影響，當板厚為 150～180mm 時，板的自質量影響遠超過板厚增加承載力作用的影響。板厚在溫度差較低時，板厚增加承載力作用的影響較為顯著，在溫度差較大時，板厚增加承載力作用的影響出現明顯下降。不同板厚的模型變形（δ）對比，如圖8所示。

由圖8可知：1）隨著溫度差的增加，M3的變形均呈現增大的趨勢；2）M1、M2樓板中心的變形緩慢降低，隨著溫度的增大，變形開始增加。3）同一溫度差下，相同板厚的樓板中心的變形遠大于樓板近梁端的變形，變形增加了 10%～20% 。

3.2.3板配筋率影響板配筋率是影響鋼筋混凝土樓板承載能力的重要因素，板配筋率計算式為

式（2）中： A_s 為鋼筋面積； A 為板截面面積。

樓板中心不同板配筋模型的應力對比，如圖9所示。由圖9可知：1）隨著溫度差的增加，不同板配筋率模型的應力都呈現增大的趨勢；2）同一溫度作用下，板配筋率最小模型的應力最大，板配筋率最大模型的應力最小；3）溫度差較低時，不同配筋率模型的應力均相近，隨著溫度差增大到一定程度時，板配筋率模型最大的應力明顯小于板配筋率模型最小的應力。

不同板配筋率模型的變形對比，如圖10所示。由圖10可知：1）對于近梁端樓板來說，板配筋率大模型隨著溫度差的增加，變形趨勢保持平緩，板配筋率小模型的變形隨著溫度差的增加呈現逐漸增大的趨勢；2）對于樓板中心，隨著溫度差的增加，不同板配筋率模型的變形均呈現先減后增的趨勢；3）同一溫度差下，相同配筋率模型的樓板中心的變形遠大于樓板近梁端的變形，變形增加了 18%～25% 。

3.2.4混凝土強度等級影響隨著混凝土強度等級的提高，樓板的承載能力也隨之增強。在高層建筑或大型公共建筑中，為了滿足較大的荷載要求，通常會選擇較高強度等級的混凝土。因此，以混凝土強度等級C50為基準，樓板的剛度 （B）^[22] 為

式（3）中： E_cs 為樓板的混凝土彈性模量； I_s 為樓板的截面抗彎慣性矩。

在相同截面情況下，高強度等級的混凝土由于較高的彈性模量和抗壓強度，能更有效抵抗變形，提高結構的剛度。這有助于減少因變形引起的裂縫開展，提高結構的耐久性和使用性能。另一方面，過高的剛度可能導致結構的自振周期減小，從而使地震作用增大。樓板中心不同混凝土強度等級模型的應力對比，如圖11所示。

由圖11可知：1）隨著溫度差的增加，不同混凝土強度等級模型的應力都呈現增大的趨勢;2）在同一溫度差下，不同混凝土強度等級模型的應力均相接近。

樓板中心不同混凝土強度等級模型的變形對比，如圖12所示。由圖12可知：1）對于樓板近梁端，隨著溫度差的增加，不同混凝土強度等級模型的變形均呈現增大趨勢;2）對于樓板中心，隨著溫度差的增加，不同混凝土強度等級模型的變形均呈現先減后增的趨勢;3）同一溫度差下，相同混凝土強度等級模型樓板中心的變形遠大于樓板近梁端的變形，變形增加了 20%～25% 。

4結論

1）溫度作用對樓板應力的影響近似呈正相關，隨著溫度差增加，樓板應力越大。在同一溫度作用下，樓板應力和樓板變形受到最大尺寸柱的影響。樓板最大應力和最大變形往往發生在樓板中心。

2）在溫度作用下， 120～150mm 板厚對于增加承載力作用的效果較為理想，但板厚對于樓板變形的影響不大。在實際工程中，板厚設計不宜過厚，超過 150mm 時，需要考慮自質量和溫度共同作用的不利影響。3）在溫度作用下，板配筋率對樓板應力和變形均有明顯影響。同時，溫度差越大時，板配筋率越大，降低樓板應力和變形的效果越明顯。4）在溫度作用下，混凝土強度等級對樓板變形影響明顯。混凝土強度等級越高，樓板變形越小。5）溫度差的變化對于樓板中心變形有著明顯規律，隨著溫度差的增加，樓板變形一般呈現先減后增的趨勢，溫度差較低時，一定程度下可以抑制樓板的變形。樓板近梁端的變形通常隨著溫度差的增加而增大。同時，樓板中心的變形遠大于近樓板梁端的變形，變形一般增加了 10%～20% 。

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（責任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）