现浇混凝土肋梁屋盖温度场及变温应变实验研究.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 0 1 1年 4月 建筑技术开发 Bui l di n g Te c hn i qu e De v e l o p me nt Vo 1 3 8。 No 4 Ap r 201 1 现 浇混凝 土肋 梁屋盖温度 场及 变温应变实验研 究 周其华 古 晓君 王泽明 高 佳 ( 1 贵 州凯和建设 工程 有 限公 司 ， 贵 阳5 5 0 0 0 5 ； 2 贵 州大 学土建 学院 ， 贵 阳5 5 0 0 0 3 ) 摘要 通 过对现浇混凝土屋面板实体模型温度和变形 的实测 ， 得 出正常使用 状态下楼 面板 内温度场分 布的特征 以 及 温度变化引起的应变分布情 况。 关键词 混凝土屋面板 ； 温度场 ； 温度应变 中 图分 类 号 TU 3 1 7 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 0 0 5 - 0 3 1 背 景 影响混凝土屋面板 内温度场分 布规律 的 因素 包括 太 阳 辐 射 、 空 气 流 动 、 大 气 温 度 、 日照 时 数 等 ， 要 在 理 论 上 综 合 研 究这些作用产生的效应 十分 复杂 。用有限元 方法对 混凝 土 板 内变 温 效 应 进 行 了数 值 模 拟 是 一 种 较 有 效 的方 法 f 2 。 一 L 一 L 4 0m L 4 om L 4 om ( a ) 模 型 平 面 为验证数值分析结果的可靠性 ， 本文对实体模型板内变温效 应 变 进 行 了 长 期 实 测 。 2实验 模 型 及 实 验 方 法 模 型 结 构 形 式 为 现 浇 混 凝 土 肋 形 屋 盖 ， 混 凝 土 强 度 C 2 5， 混 凝 土板 厚 0 1 m( 见 图 1 ) 。 ( b ) 模型实体照片 图 1 现 浇 混 凝 土肋 形 屋 盖 模 型 考虑到实 验周 期 长 ， 应变 片 工作 环境 较潮 湿 的具 体情 况 。应变片选用温 升低 、 电阻 较大 的大栅格 胶基应 变 片 ， 粘 贴 注 意混 凝 土 内应 变 片 防 潮 ， 典 型 布 置 位 置 如 图 2 a ； 温 度 监 卜 一 一 ； 一 1 _+ 一 - 板 上 缘 ! 对 称布置 上 一 ! ( a ) 应变片贴片位置 - 测选用混凝土测温仪HT902 ，每跨布置测温点5个，平面 布置位置如图2b，在每一测温点上分别用3个测温仪测定板 上缘温度 、中面温度 、下缘温度 。 一十 1 2 3 4 -3 - J j t ! J | 图 2 温 度 传 感 器 及 应 变 片 布 置 收 稿 日期 ： 2 0 1 1011 5 作者简介 ： 周其华 ( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 贵州凯里人 ， 毕业 于昆明理工大学 ， 硕 ： ： ， 高级经济师 ， 现任贵州凯和建设工程有限公 司总经理 。 一 ： d i 表示温度传感器位置 ( b ) 温度传感器位置 5 十 u ， 上 r ， ， 。 L 矗0 第 4期 周其 华 ， 等 ： 现 浇 混凝 土 肋 梁屋 盖 温 度 场 及 变 温应 变 实验 研 究 第 3 8卷 实验在贵 阳地区变温 日较差较大的天候进行 ， 实测一 日 内板变温最大的的典型数据见表 1一 表 3 。 表 1板上缘各温度计实测值 时 间 6 ： O 0 8 ： O 0 l 0 ： O 0 1 2 ： O 0 l 4 ： O 0 1 6 ： O 0 l 8 ： O 0 2 0 ： O 0 2 2 ： O 0 O ： 0 O 2 ： O 0 4 ： O 0 TI1 4 0 7 8 1 O 1 1 3 ， 7 1 5 9 1 5 5 l 2 3 7 3 6 2 5 4 4 8 4 6 T 4 0 7 7 1 O 0 l 3 6 l 5 5 1 5 3 l 2 2 7 3 6 2 5 3 4 8 4 5 T o 4 0 7 7 1 0 0 l 3 5 l 5 3 l 5 2 l 2 1 7 2 6 2 5 3 4 8 4 5 T “ 4 0 7 7 l 0 0 l 3 5 1 5 1 l 5 2 l 2 1 7 2 6 1 5 3 4 7 4 5 4 0 7 6 9 9 1 3 4 1 5 1 1 5 O 1 2 0 7 1 6 1 5 、 2 4 7 4 5 平均值 4 O 7 7 l 0 O l 3 6 l 5 4 l 5 2 1 2 1 7 2 6 2 5 3 4 8 4 5 ， 口标 准 差 O 0 0 O O 1 O 1 0 3 O 2 O 1 0 1 0 0 0 0 O 0 O 0 表 2板 中面 各 温 度 计 实 测值 时 间 6 ： 0 0 8 ： 0 0 l 0 ： 0 0 1 2 ： 0 0 l 4 ： O 0 1 6 ： O 0 l 8 ： 0 0 2 0 ： O 0 2 2 ： O 0 O ： O O 2 ： O 0 4 ： O O 1 1 0 7 1 2 5 l 3 8 l 5 6 l 6 4 l 6 5 l 4 8 l 2 3 1 1 7 1 1 3 l 1 2 l 2 0 T 1 O 7 l 2 5 l 3 8 1 5 7 1 6 5 1 6 5 1 4 8 1 2 3 l 1 7 1 1 3 1 1 2 l 2 0 T d C l O 7 1 2 5 l 3 8 1 5 7 1 6 5 1 6 5 1 4 8 l 2 3 1 1 7 l 1 4 l 1 2 l 2 0 l 0 7 1 2 5 1 3 8 l 5 7 l 6 5 1 6 5 1 4 8 l 2 3 l 1 7 1 1 3 l 1 2 1 2 0 C l 0 7 1 2 4 1 3 8 l 5 6 l 6 5 l 6 5 l 4 8 1 2 3 1 1 7 l 1 3 1 1 2 l 2 O 平均值 l O 7 l 2 5 l 3 8 l 5 6 l 6 5 l 6 5 1 4 8 l 2 3 1 1 7 1 1 3 1 1 2 1 2 0 a标准差 O 0 O 0 0 0 0 O O O 0 O O O 0 0 0 0 0 O 0 O O 0 表 3板 下缘 各 温 度 计 实 测值 时间 6 ： 0 o 8 ： 0 0 1 0 ： 0 0 1 2 ： o o 1 4 ： 0 0 1 6 ： O 0 l 8 ： O 0 2 0 ： O 0 2 2 ： O 0 0 ： 0 0 2 ： 0 0 4 ： O 0 r l 1 l 7 2 l 7 4 l 8 0 l 8 3 l 8 9 l 8 0 l 7 8 1 7 5 1 7 1 1 7 1 l 7 3 l 7 2 1 7 1 1 7 4 l 8 O l 8 2 l 8 ， 9 l 7 9 l 7 7 l 7 4 1 7 0 1 7 2 l 7 3 1 7 3 TBo C 1 7 1 1 7 4 1 8 O 1 8 2 1 8 9 1 7 9 1 7 8 1 7 5 1 7 1 l 7 2 1 7 4 l 7 2 T “ 1 7 2 l 7 5 1 8 O 1 8 2 l 8 8 l 8 0 1 7 7 l 7 5 l 7 1 l 7 1 l 7 3 l 7 2 o c 1 71 1 7 4 1 8 0 l 8 】 1 8 9 1 8 O 1 7 7 l 7 4 1 7 1 l 7 1 1 7 3 l 7 2 平均值 l 7 1 1 7 4 l 8 0 l 8 2 l 8 9 l 8 0 l 7 7 1 7 5 1 7 1 1 7 1 1 7 3 1 7 2 标准差 0 0 O 0 0 0 0 1 0 O 0 1 0 1 O O O O 0 O 0 0 0 0 1 ) 在确定时刻 ， 板上 、 中、 下三个纵面的温度基本恒不随 测点位置而异 ， 实测值 差仅 0 1 0 3 。 C， 可将 三个纵平 面可 分别 看成三个等温 面。某时刻各平 面内 5个温度传感器读 数的平均值表示该平面在这一时刻的温度 。 ， - 三 _ ： ( 。 、 T o 同 样的方法 表示) i 1 2) 全 各 表 中标 准 差 最 小 的 时段 发 生 在 凌 晨 4： O 06 ： O 0 之 间 ， 说 明在 这 一 时 段 ， 混 凝 土 内 温度 场 最 稳 定 。标 准 差 最 大 的 时段 发 生 在 下午 1 2 ： O 01 6 ： 0 0( 见表 1 )， 此 时 混 凝 土 上 缘面各温度传感器 的大气温度相 同， 引起读数差异的因素主 要是 由于临近物体 ( 如女儿墙 、 树 木等 ) 的遮 挡， 使得 照射在 各温度传感器位 置附近 的的太阳辐射有差 异。所以太 阳辐 射 对 混 凝 土 内温 度 场 有 明显 影 响 。 6 3 ) 由表 3可以看出 ， 在正常使用 情况下 ， 混凝 土板下缘 温度变化不大 ， 板上缘昼夜温差 达 1 0 C时 ， 板下 缘温差也 只 有 0 5 ， 所 以， 在考虑混凝 土板 的温差应力 时 ， 建议 板下缘 温度夏季取 空调设计温度 ， 冬季取采 暖设计温度 。 4) 分 析 三 个 等 温 面在 各 个 时 段 的平 均 温 度 可 以得 出 ： T ( 公式一) e 0一 l_ ( 公式一 ) 从 图中可以发现 ， 在 中午 1 3 ： O 0 1 6 ： O 0时段该公式偏差 最大 ， 实测值 比按公式一 计算值偏小 1 0 ； 而在凌晨 4 ： o o一 7 ： 0 0 时段 ， 实测值与公式一非常吻合 ( 见 图 3 ) 。由于混凝 土 在热传导 中所表现的惰性 ， 在某 一瞬时沿 板厚方 向， 混凝 土 的中面温度 与上缘 面、 下缘 面之 间并 不是 完全沿直线 分布 ， 总 表 现 一定 的滞 后 性 ， 但 经 过 一 定 时 间 的热 交 换 过 程 后 ， 三 第 3 8卷 周 其华 ， 等 ： 现 浇混凝 土肋 粱屋盖 温度 场及 变温应 变实验研 究 第 4期 个 面 之 间 的 温 度 最 终 越 来 越 趋 近 于公 式 一 。 - - -I - - - ( 板上缘温度)+( 板 中面温度) 一( 板下缘温度 j 茁 拦： 旃二 _= ： # 丰 j = # 车 _ ： #辩= ： F t = ： ： 士 ： 壬 三 f 一 + 一 十 卜 彳 = = f E _ 三 王 三 j； 二 = = _= j= = 6 ：O 0 1 0 ： 0 01 4 ： O 0 1 8 ： 0 02 2 ： 0 0 2 ： 0 0 一时 间 图 3板上缘面 、 中面、 下缘面平均温度关系 曲线 3混 凝 土 板 内应 变 的 实 测 当混凝 土结 构的热应 变被 约束 或限制时 ， 在混凝 土内部 就会产 生温度应 力。根据前期研究 工作 ， 现浇混凝 土肋 形屋 面板在 上下 缘温 差 引起 的应 力要 集 中在板 四角 和肋边 】 。 对 于正 常使用 阶段 的混 凝土肋 形板 ， 板 下缘 温度改变 不大 。 一 般 在 2 C以内 ， 在 本 次 实 验 过 程 中板 下 缘 温 度 在 1 7 3 1 8 8 。 为 了更 直 观 地 比 较 上 缘 温 度 改 变 对 混 凝 土 应 变 的 影 响， 在 上缘 面和中面温度均接 近 1 8 C 对应变 仪进行调零 。 1 ) 当板上缘温度降低时 ， 从 图 4中可 以看 出， 比板 中 4 5 o 方 向指 向角部 ， 实测应变值逐渐 变小 ( 图 4 ) ； 在跨 中位置 ， 向 梁肋位置靠近 ， 实测应变逐渐 变小 ( 图 5 ) 。板 上缘 面是 个等 温 面 ， 在 面上 各 点 发 生 相 同 变 温 时 ， 面 上 各 点 具 有 相 等 的 自 由收缩应变。实测应 变小 ， 说 明该 处约 束应 变大 ， 温度应 力 相应也大。该结论 与前期 分析结果相 吻合 。 04 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 y轴坐标 m 图 4板上缘混凝土应变 2 ) 当板上温 度升 高 ( 大 于 1 8 C) 时 ， 约束力 使板 底产 生 拉应 变 ， 应变特征分布曲线形式与图 4 、 图 5相同。 3 ) 取上缘面点 ( X= 2 2 I n ； Y= 3 0 n l ， 应变片编号 3 7 ) 连 续 2 d内相同温度 下应 变的平均值作 为参 考 ， 分析在 4 0 d内 该点 的应变变化情况 。在仪器工作初期 ， 应变 时间 曲线基本 是 直 线 ， 说 明 在 仅 考 虑 变 温 的 情 况 下 ， 应 变 基 本 是 弹 性 的 。 随 着 时 间 的增 长 ， 应 变开 始增 加 ， 在 63 0 d期 间 ， 两 条 曲线 T=1 O 和 T=1 4 的 应 变 增 加 量 分 别 为 2 5 和 2 2 ， 增 0 4 0 6 0 8 1 0 1 Z 1 4 1 6 I _ 8 2 0 2 2 2 4 轴， m 图 5板 上 缘 混 凝 土 应 变 长速度约为 1 e d ， 从 图 6中并未发现 应变 的增 加与温度 的 选择有 明显关 系 ， 两条 曲线 的斜 率很接 近。在 3 5 4 0 d期 间 ， 应变增长很快 ， 增长速度 约为 9 I e d ， 原因可能是仪器 在 长时间工作下稳定性下降有关 。 o 5 l O 1 5 2 0 25 30 35 40 天数- d 图 6相 同温 度 下 应 变 与 时 间 曲线 4结 束 语 通过本次 实验 ， 得到在正常使用阶段的混凝 土板 内温度 场的分 布特征具有 普遍性 ， 有 一定 的实用参 考价值 ， 为后 期 进一 步分析混凝土屋 面在各 种保温 构造及 屋顶花 园情况 下 板 内温度应力提供一定 的参考 ， 同时验证了前期对变温作 用 下混凝土板 内应力数值模拟结果 的合理性 ， 为研究结构在 长 期循环变温作用下的应力应变特征积累了一些经验 。 参考 文献 1 樊小卿 温度作用与结 构设计 J 建 筑结构学报 ， 1 9 9 9 ， 4 ( 0 2 ) ： 4 34 9 2 李志磊 考虑辐射换 热的建筑 结构温度 场的数值 模拟 J 浙江 大学学报 ， 2 0 0 4， 3 8 ( O 7 ) ： 9 1 59 2 0 3 李志磊 考虑太 阳辐射 作用 的砌 体结构 温度场 J 浙江 大学学 报 ， 2 0 0 2 。 3 6 ( 0 5 ) ： 5 7 75 8 1 4 曲汝铎 墙体保温技术探索 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 5 王懿 丁圣果 初应变对现浇混凝土屋 面板内力的影响 J 建 筑 技 术 开发 ， 2 0 1 0， 3 7 ( 0 2 )： 61 0 6 刘念雄 建筑热环境 M 北京 ： 清华大学 出版社 7 王铁 梦 工程结构裂缝控制 M 北京 ： 中国建筑工业 出版杜 7 柏 加 m 趟好娶匠椒) ( 加 坞 H B 9 8 7 6 5 4， 、 赠露 g 值 加 如 加 m 刨婚 鲫 如 如 加 m 趟厦