超长混凝土框架结构的温差效应分析.pdf

一 。基 。 第 4 5 卷 第 9 期 2 0 14 年 9 月 V o 14 5 N o 9 S e p t 2 0 1 4 超长混凝土框架结构的温差效应分析 刘 涛，高 桐，杨维毅 ( 潍坊市建筑设计研究院有限责任公司， 2 0 1 6 2 1 ，山东潍坊) 摘要：结合工程实例， 确定某超长混凝土框架结构在温差作用下的温度荷载， 利用有限元方法分析该结 构在温差作用下的收缩效应， 获得本工程的温度应力分布规律及数值并提出有针对性的加强措施。 关键词：超长建筑； 温差效应； 温度应力； 裂缝 中图分类号： T U 3 7 5 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 8 1 8 0 4 ANALYS I S OF TE lERATURE VARL 【 1 oN EF FECT S ON AN oVERLoNG CoNCRl E S TRUCTURE L I U T a o，GAO T o n g ， Y ANG We i- y i ( We i f a n g Ar c h i t e c t u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ，L t d ，2 0 1 6 2 1 ， We i f a n g ，S h a n d o n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n c o mb i n a t i o n wi t h p r a c t i c a l d e s i g n， t h e t e mp e r a t u r e l o a d o f a n o v e r l o n g c o n c r e t e f r a me s t r u c t u r e i s e n s u r e d； a l s o t e mp e r a t u r e a n d s h rin k a g e e f f e c t s o f t h e s t ru c t u r e we r e a n a l y z e d b y u s i n g f i n i t e e l e me n t me t h o d Th e d i s t rib u t i o n o f t e mp e r a t u r e s t r e s s a n d t h e v a l u e wa s o b t a i n e d Ta r g e t e d me a s u r e s we r e i n t r o d u c e d Ke y wo r d s ： o v e r l o n g s t r u c t u r e；t e mp e r a t u r e v a r i a t i o n e f f e c t ；t e mp e r a t u r e s t r e s s ； c r a c k 一 些大型公共建筑或工业建筑中 由于功能 、 外观 的需要或考虑结构整体陛，不允许在建筑物中间设置 温度伸缩缝， 致使结构超过规范上的伸缩缝限值， 成为 超长结构 1 。超长混凝土结构在外界及自身作用下易 产生裂缝， 会影响使用甚至危及安全。 1 工程概况 潍坊某汽车站 ， 总建筑面积2 5 万 m ， 地 上4 层 ， 局 部地下室 ， 地上总高度l 7 5 5 m( 至主要屋面) ， 建筑平 面呈L 形 。 考虑地下水位较高， 地下室部分不设缝， 候车办公 区中庭较多。 不宜设缝。经多方案比较 ， 在地下室顶板 以上设横向抗震缝一道，将该建筑分为候车办公区及 餐饮服务区。候车办公区平面尺寸为1 2 8 9 m x 4 1 5 m， 超出规范要求较多， 属超长混凝土结构。 该汽车站采用框架结构 ， 8 mx 8 m的典型柱网。二 层及以下框架柱截面为7 0 0 m m 7 0 0 m m，混凝土强度 等级为C 4 0 ， 其余部分柱截面为6 0 0 m m x 6 0 0 m m， 混凝 土强度等级为C 3 0 。楼盖 与屋盖采用现浇钢筋混凝土 梁板结构 ， 混凝土强度等级与柱相同。 典型框架梁截面 为3 0 0 m m x 6 5 0 m m， 次梁截面2 5 0 m m x 6 0 0 m m， 典型楼 板厚1 2 0 m m。建筑平面如图1 所示。 2 设计参数 超长混凝土结构产生裂缝的原因除本身永久荷载 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 3 1 9 作者简介： 刘涛( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 山东潍坊人， 主任工程师， 硕士， e m a i l ： c u mt l t 1 63 c o n ( b ) ( c ) 图1 汽车站建筑平面示意 ( a ) 一层楼面平面 ( 阴影部分为有地下室区域) ；( b ) 二层 楼面平面 ； ( c ) 三层楼面 屋顶典型平面 和活荷载外， 主要影响因素是温差作用( 季节温差与日 照温差) 和混凝土的收缩徐变影响。 2 1 温差取值 楼屋盖在施工和使用过程中所经受的季节温差 Z 为各月份的平均温度 与混凝土成型( 终凝) 温度 的差值 ， 即 = 一 T o E 。 2 0 1 4 年 9 月 刘涛 ， 等 ： 某超长混凝土框架结构的温差效应分析 8 l 9 许多工程设计时不能预先确定混凝土浇筑完成的 时间， 为减小问题分析的复杂性， 使设计相对简单， 本 工程考虑两种极端情况，即后浇带封闭时间为冬季较 低气温O 和夏季最高气温3 2 时。 潍坊地 区最低气温一 1 2 ， 最高气温3 6 ， 最大温 差为4 8 。 根据暖通专业设计要求， 夏天的室内空调设 计温度为2 6 ， 北方冬季采暖的温度为1 8 c lC 。 楼面和屋面按有空调和无空调分别考虑。建筑的 屋面通常有保温隔热等措施，但按屋面和室外温度相 同的极端情况考虑。季节温差计算见表1 。 表1 季节温差计算 楼层 后浇带冬季最低气温o o c 封闭 后浇带夏季最高气温3 2 封闭 无空调 3 6 一 ( 0 ) = 3 6 无空调 - 1 2 - 3 2 = - 4 4 楼 面 有空调 2 6 一 ( O ) = 2 6 有空调 1 8 3 2 = 一 1 4 屋面 无空调 3 6 一 ( O ) = 3 6 无空调 一 1 2 3 2 = 一 4 _4 本工程实际施工在3 8 月 且北方均按节能6 5 要 求采取保温隔热措施， 季节温差小于表中的计算温差。 2 2 混凝土收缩当量温差 混凝土的收缩对超长结构有较大的影响，根据文 献1 ，欧洲规范E N 1 9 9 2 2 中有关混凝土干缩应变可 按下列公式计算： s c d ( ) = d s ( ， ) h ， o ( 1 ) 式中： ，。 为混凝土的名义无约束干缩值； 风( ， t ) 为描述干缩应变与时间和理论厚度相关的系数 ： 为 与构件理论厚度相关的系数；t Y j 混凝土龄期 ( d ) ；t 为干缩开始时的混凝土龄期( d ) ， 通常为养护结束的时 间； ( t - t ) 为混凝土养护结束后的干缩持续期( d ) 。 具体 计算可见文献I 。 结构的整体收缩应变应扣除施工过程中已发生的 收缩应变，由于计算中混凝土的收缩变形无法直接输 入模型， 一般转化为当量温差进行计算。因此， 混凝土 收缩应变的当量温差( 负号代表为降温效应) ： 一 旦 ： 一 曼 ( o C ) ( 2 ) l xl 0 式 中： O t 为混凝土线膨胀系数 ( 1 ) 。 综合考虑文献1 ， 3 ， 4 ， 若温度后浇带封闭时间为6 0 d ， 则 拄6 O ) ： 一 1 9 7 。若温度后浇带封闭时间为 9 0 d， Ij AT ( t = 9 0 ) = 一 1 4 6 C 。 以上混凝土收缩应变当量温差计算中均未考虑膨 胀温度后浇带及混凝土中掺加微量膨胀剂等影响， 考 虑各种因素及经验系数 ，取该建筑的混凝土收缩应变 的当量温差为一 1 0 。 考虑混凝土收缩应变的当量温差后的设计温差荷 载见表2 。楼面的温差按有空调的情况计算， 主要因使 用阶段一般空调系统会正常工作，同时普通楼面在墙 面保温及屋顶保温等各种保温措施作用下，室内温度 不可能长时间均与室外温度相同。 表2 设计温差取值 正温差 负温差 部位 季节温差 计算温差 季节温差 收缩温差 计算温差 楼面 2 6 2 6 1 4 一 l O - 2 4 屋面 3 6 3 6 4 4 - 1 0 - 5 4 2 3 徐变应力松弛与刚度折减 季节温差和混凝土收缩是长期缓陧的过程在结 构中随时间增长混凝土发生徐变， 产生应力松弛 ， 结构 中实际的应力小于完全弹性分析的结果。国内的文献 及实际应用中， 一般取徐变应力松弛系数k 为0 3 。 混凝土构件施工后在内部及表面存在许多微小裂 缝， 这些裂缝使构件有些类似弹塑陛的性质， 计算温度 应力时须考虑其影响，即对构件的刚度进行一定的折 减。 一般混凝土结构刚度折减系数可取0 8 5 ， 采用预应 力I I I i i 度折减系数可取1 0 ，不同预应力度取中间值。 本工程采用少量后张拉预应力钢筋作为超长建筑的抗 裂措施之一， 因此取刚度折减系数为0 9 E引 。 2 4 温差效应的计算模型 负温差时结构收缩易开裂， 且负温差比正温差大 起控制作用。 本文主要分析负温差作用下的工况 为获 得更好的研究效果， 仅考虑温差作用一种荷载工况， 不 与其他叵活荷载工况进行组合。 温差变化主要有两种情况：一是施工期间后浇带 闭合已完成而墙体砌筑尚未完成，结构整体受温度荷 载作用， 此过程主要存在于施工阶段， 持续时间相对较 短 ， 可不作为控制工况 ； 二是建筑物投入使用后发生的 季节温差作用， 对结构的长期使用有较大影响， 应作为 控制工况， 此种情况下应考虑应力松弛与刚度折减。 采用E T A B S 软件整体建模分析温差效应 ， 其中楼 板采用壳单元模拟 ， 梁柱采用框架单元模拟 。 将地下室 部分输入模型，采用弹簧单元模拟土对地下室的约束 作用。 地上部分以抗震缝为界， 仅输入超长的候车与办 公区域 3 计算结果及分析 考虑建筑物投入使用后发生的季节温差作用。取 应力松弛系数k 为0 3 ， 梁板的刚度折减系数取0 9 。 则普 通楼层负 温差 为一 2 4 x 0 3 x O 9 6 5 ，屋 顶负温 差 为一 5 4 x 0 3 x O 9 = 一 1 4 6 cI= ， 地下室的挡土墙、 柱及基础均 不施加温度荷载。 8 2 0 建筑技术 第 4 5 卷第 9期 3 1 结构 变形 以轴线框架为例， 从平面上看， 同一楼层中间部 分基本无变形， 越往两端变形越大。 最底部楼层变形相对较大，受基础的约束作用也 强， 竖向构件呈现内收类型的变形。 中间楼层由于温度 变化基本相同， 水平构件的变形也基本相同， 引起的竖 向构件变形相差不大。 屋顶部分温度降低较大， 产生明 显的收缩 。 变形应主要集中在建筑物下部和屋顶部分 ， 中间楼层温度变化基本一致， 相对层间变形较小。 3 2 框架内力 在温度荷载作用下框架轴力如图2 所示， 地下室处 柱轴力突然变大的位置为其挡土墙处。 1 I l I j I I l l 一 I I I I I I I I J L - L l 图2温差作用下轴框架轴力分布 图2 中基础对上部结构的约束较强， 结构变形受到 较强限制 ， 地下室顶板处温差效应影响显著。 随楼层升 高， 基础的约束作用减弱， 中间楼层基本处于同一收缩 温差， 相邻楼层共同收缩 ， 不能产生较强的约束， 引起 的轴力逐渐减小。 由于屋顶的降温远大于下部楼层。屋顶层的降温 收缩反而对下部楼层施加了一个压缩效应，甚至使四 层楼面梁产生了轴向压力。 从楼层上来看， 受温度应力 的影响从大到小依次为地下室顶板 屋顶 中间楼层。 从水平方向看， 建筑物中间部分梁的轴力最大， 往 两端依次减小。框架梁局部不连续对温度荷载作用下 的内力分布有较大影响，建筑物内部的中庭或楼板开 洞较大在一定程度上也释放了温度应力。 在地下室顶板靠近挡土墙位置，由于挡土墙刚度 较大， 梁受到的约束较大， 故轴向拉力也较大。 温度荷载作用下框架弯矩分布状况在楼层方向上 与轴力分布状态基本相似( 图3 ) 。在水平方向， 温度应 力对柱弯矩的影响为两端大， 中间小， 与对轴向力的影 响分布相 反。 Z l l l I f I r r r I J J I r 1 - - J 图3 温差作用下轴框架弯矩分布( 轴线) 3 3 楼板应力 楼板的应力云图显示 ，其基本分布规律与框架 梁轴力相同。地下室顶板周边框架受基础和挡土墙 约束， 其温度影响下的收缩变形受到较强限制 温度 应力( y 向超长 ) 较大 ， 大部分区域楼板应力在0 7 2 1 M P a ， 呈现中间区域应力大 ， 周边区域应力小的 状 态 。C 4 0 混 凝 土 的 轴 心抗 拉 强 度 设 计 值 为 1 7 1 M P a ， 此时部分应力已超过混凝土的抗拉强度， 会产 生温度裂缝 。 二层及三层楼面的温度应力相对较小，在建筑物 的中部区域楼板应力比边部大， 由于中庭的存在， 部分 楼板成为狭长板带， 次部分是温度应力较大处， 设计时 须注意此部分区域的加强处理。 四层楼面板出现楼板平面 内受压状态 ，与梁的轴 力分布类似。原因是顶层温差较大而收缩时变形往下 传递， 并受四层楼面约束， 使四层楼面有受压趋势。 屋顶板基本上处于受拉状态，其楼板平均应力在 0 5 1 - 3 MP a ，有些位置超过了C 3 0 混凝土 的抗拉 强度 设计值1 4 3 M P a ， 会产生温度裂缝。 楼板开洞会影响温度应力的分布，洞口的存在可 使楼板释放掉一部分约束， 从而降低了洞口周边楼板 的温度应力值。 3 4 温度应力理论分析及规律总结 在温度荷载的影响下， 楼盖会发生变形， 且变形规 律是楼盖的中部变形小， 两端变形大。 楼盖变形会使柱顶部和底部发生变形 ， 产生侧向 弯曲， 在柱顶将产生水平剪力。 柱的水平侧移随逐渐远 离中心位置增大， 柱顶剪力亦增大。 水平剪力在柱底和 柱顶引起的弯矩呈现结构中间部分小、两端部分大的 特征 ， 梁的弯矩最大值一般出现在边跨梁端。 温度荷载作用下柱顶剪力的平衡力系就是梁受到 的轴拉力。 从两端往中间轴拉力逐渐累加， 最大轴拉力 出现在中间部分的梁上。 超长结构在温度荷载作用下变形内力分布规律如 下： ( 1 ) 越靠近基础部位的楼层， 受基础及地下室周边 挡土墙约束越大 ， 温度应力也越大； ( 2 ) 中间层温度荷 载基本相同， 楼层间相互约束较弱， 其温度应力较小 ； ( 3 ) 屋顶受外界温度直接影响， 温度荷载较大， 温度应 力大； ( 4 ) 在温度应力作用下， 某一楼层的中间部位( 靠 近结构中心) 梁、 板的轴向温度应力大于两端部位 ； 中 间部位梁、 柱在温度荷载下产生的弯矩小于两端部位； ( 5 )在楼板中间局部开洞会使洞口周边楼板温度应力 有所降低； ( 6 ) 对普通建筑物而言， 靠近基础和靠近屋 顶 的楼层中梁 、 板 、 柱为需加强的部分。 第 V 4 o l 4 卷 5 第 No： 9期2S0e p t 年2 0 914月 建A rc h ite c筑tu re T e技ch n olo g术 y 8 2 1 使用E x c e l 电子表格进行混凝土强度的检验评定 于成江 ，章慧蓉2 ，李胜松 ，宋晓宇 ，张 斌 ( 1 中国建筑第八工程局有限公司， 2 0 0 1 2 0 ， 上海；2 北京工业大学建工学院， 1 0 0 1 2 4 ， 北京) 摘要：在混凝土强度的检验评定实施过程中， 由于条件限制通常会出现数据处理繁琐、 数据精度不够及 评定不及时等现象， 需引进一种能自动计算的方法进行辅助评定。 由于E x c e l 电子表格特有的函数功能及自动计 算的特性， 应用其辅助进行混凝土强度的检验评定有及时、 准确、 便捷的优势， 具备广泛应用的空间。 关键词：E x c e l 电子表格： 混凝土强度： 评定表 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 8 2 1 0 3 APPLI CATI oN oF EXCEL S PREADS HEET FOR I NSPECTI oN AND EVALUATI oN oF CoNCRETE STRENGTH Y U C h e n g - j i a n g ，Z H A N G H u i - r o n g ，L I S h e n g - s o n g ，S ON G X i a o - y u ，Z h a n g B i n ( 1 C h i n a C o n s t r u c t i o n E i g h t h E n g i n e e r i n g D i v i s i o n C o r p o r a t i o n L t d ， 2 0 0 1 2 0，S h a n g h a i ，C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，1 0 0 1 2 4，B e i j i n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Du r i ng t h e p r o c e s s o f i n s p e c t i o n a n d e v alu a t i o n o f c o n c r e t e s t r e n g t h， a n a u x i l i a r y e v a l u a t i o n me t h o d e n a bl i n g a u t o ma t i c c a l c u l a t i o n s h a l l b e i n t r o d u c e d d u e t o t h e f o l l o wi n g r e a s o n s ， s u c h a s c o mp l e x d a t a p r o c e s s ，d a t a i mp r e c i s i o n a n d d e l a y e d e v a l u a t i o n， e t c Ex c e l s p r e a d s h e e t h a s c e r t a i n f u n c t i o n s a nd c a n r e a l i z e a u t o ma t i c c a l c u l a t i o n， s o i t s a p p l i c a t i o n i n i n s p e c t i o n a n d e v a l u a t i o n o f c o nc r e t e s t r e n gth c o u l d r e a l i z e t i me l y， a c c u r a t e a n d c o n v e n i e n t c a l c u l a t i o n a n d i t h a s wi de a p p l i c a t i o n p o t e n t i a1 Ke y wo r d s ： Ex c e l s p r e a d s h e e t ； c o n c r e t e s t r e n gth； e v alu a t i o n f o r m 混凝土强度是影响混凝土结构可靠性的重要因 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 2 7 作者简介： 于成江( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 辽宁葫芦岛人， 高级工程师， e m a i l y c j i a n g 7 1 1 6 3 c o m 素 ， 混凝土结构工程施工质量验收规范 ( G B 5 0 2 0 4 -2 0 0 2 ) 中作为强制性条文 ， 要求在施工过程 中 结构混凝土的强度等级必须符合设计要求，结构构件 的混凝土强度应按现行国家标准 混凝土强度检验评 4 减少温差收缩效应的技术措施 ( 1 )采用保温隔热性能好的墙体材料与保温面 层， 加强屋面保温 ， 以减少温度变化对建筑物影响。 ( 2 )设置温度后浇带， 延长后浇带的闭合时间， 应 控制后浇带闭合时的终凝温度 ， 混凝土应低温入模。 ( 3 )采用低水化热的水泥 ， 降低水灰比， 采用微膨 胀补偿混凝土，以降低混凝土的收缩变形并对变形进 行补偿 。 ( 4 )在楼板中放置后张无粘结预应力抗裂钢筋， 建立起预压力； 提高楼板及梁的配筋率， 在温度应力较 大部位布置细而密的构造配筋；对端部的梁和柱配筋 考虑温度荷载的影响， 按计算结果增加配筋。 ( 5 )采取合理的施工顺序及养护措施。 5 结束语 ( 1 )对超长混凝土结构温差效应的影响不能忽 略 ， 应对整体结构模型进行负温差分析， 并按计算结果 进行配筋校核 。 ( 2 )靠近基础的楼层温差效应明显，基础及地下 室约束越强， 产生的温度内力越大。 屋面及靠近屋面的 楼层温差效应较明显， 应采取保温及加强措施。 ( 3 )采用合理的设计及施工措施，可减少温差效 应的影响并提高经济性和安全性。 本工程采用以上措施后。 经两年多的使用观测， 未 发现异常现象， 取得了预期的效果。 参考文献 1 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 1 0 ， 混 凝土结 构设计规范 s 2 G B 5 0 0 0 9 -2 0 1 2 ， 建筑结构荷载规范 s 3 J T G D 6 2 -2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 s 4 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 5 潘峤， 李刚红， 王兴， 等 禹州体育馆大跨超高框架主次梁梁板综合 施工技术 J 建筑技术， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 1 ) ： 1 7 2 0 6 张玉明超长混凝土框架结构裂缝控制研究 D 南京 ： 东南大学， 2 o o 6 7 刘明保， 徐金声， 等预 应力技术解决超大面积楼盖的温度与收缩 裂缝 J 建 筑科学 ， 2 0 1 3 2 9 ( 7 ) ： 1 - 6