南京新城大厦超长混凝土结构温度应力分析与设计.pdf

第4 0卷第 1 1 期 2 0 1 3年 1 1 月 建筑技术开发 Bu d i l d i n g Te c h n i q u e De v e l o p me n t Vo 1 40 No 1 1 NO V 2 0l 3 南京新城大厦超 长 混凝 土 结构 温度应 力 分 析 与设 计 张磊赵苏北 ( 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司南京分公司， 南京 2 1 0 0 0 5 ) 【 摘 要】 结合南京新城大厦工程 ， 利用有限元软件对超长混凝土结构收缩和温差引起的内力进行模拟 ， 得出了温降作 用下结构内部温度应力的大小及其分布规律 ， 对超长结构的温度作用进行了探讨 ， 并提出无粘结预应力钢筋 抵抗温度应力的方法以及施工设计中常见问题的解决方法 ， 可为类似工程提供参考。 【 关键词】 超长混凝土结构； 温度应力 ； 无粘结预应力； 后浇带 【 中图分类号】 T U 3 1 8 文献标志码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 5 2 3 x( 2 O 1 3 ) 1 1 - 0 0 1 1 - 0 5 TEM P ERATURE S TRES S ANALYS I S AND DES I GN ON OVER LONG CoNCRETE S TRUCTURE oF NANJ I NG XI NGCHENG BUI LDI NG 【 K e y w o r d s Z h a n g L e i Z h a o S u - b e i A c c o r d i n g t o t h e p r o j e c t o f n a n j i n g x i n g c h e n g b u i l d i n g ， T h e t e mp e r a t u r e s t r e s s w a s a n a l y z e d w i t h fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s me t h o d ， a n d t h e r u l e s o f t h e t h e r ma l s t r e s s d i s t r i b u t i o n w e r e g i v e n T h e t h e rm a l s t r e s s o f o v e r l o n g c o n c r e t e s t r u c t u r e wa s a p p r o a c h e d A d e s i g n me t h o d a b o u t t e mp e r a t u r e s t r e s s o f u n b o n d e d p r e s t r e s s wa s u s e d ，t h e m e t h o d o f c o n s t r u c t i o n d e s i g n w a s g i v e n A l l o f t h e s e c a n o f f e r r e f e r e n c e f o r s i mi l a r p r o j e c t o v e r l o n g c o n c r e t e s t ruc t u r e ；t e mp e r a t u r e s t r e s s ；u n b o n d e d p r e s t r e s s ；p o s t c a s t s t r i p 1 工程概况 新城大厦位于南京市建邺区江东中路以东， 牡 丹江街以南的河西新城中心区商务中心， 行政广场 向西与 奥体 中心一 文化馆 区一 滨江风光带 遥遥相 对。本次设计的二期工程位于一期工程的西北侧 ， 由A B C D四座空中相连 的办公塔楼和沿南西北 3 侧 环绕塔楼的二层高的企业办事服务中心大楼组成。 见 图 1 。 本工程裙房部分为企业办事服务中心， 大楼高2 层 ， 1 、 2 层高4 5 I n ， 地下两层 ， 地下 1 层层高为5 4 In， 地下 2 层层高 为4 8 In。地下 2 层为平 、 战结 合的人 防地下室， 人防设防等级为6 级。 本工程 场地地震设防烈度为 7度 ， 设计 基本地 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 8 1 5 作者简介 ： 张磊( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 毕业于东南大学土木学院， 工学硕士， _I程师， 国家一级注册结构工程师 ， 现从事建筑结构设 计。 震加速度为0 1 0 g， 建筑场地类别为I I I 类， 设计地震 分组为第 1 组 ， 建筑的抗震设防分类标准为丙类 。 建筑场地基本风压为0 4 5 k N m ( 按 1 0 0 年重现期考 虑) 。 图1 新城大厦效果 2屋面结构体系 屋面结构采用梁板结构体系， 结构布置( 如图2 所示) 主梁主要截面尺寸5 0 0 m m8 0 0 m m， 次梁主 第 1 l期 张磊 ， 等 ： 南京新城大厦超长混凝土结构温度应力分析与设计 第 4 0 卷 要截面尺寸 为 3 0 0 m m X 7 0 0 mm， 结构板厚 1 5 0 m m， 向不设缝最大计算长度为2 1 0 i n ， Y向不设缝最大 计算长度为 1 6 0 m 。本工程结构平面尺寸在两个方 向均远超 混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 中框架结构伸缩缝最大间距 5 5 m要求， 属超长结构 ， 本文 主要对裙房 屋面超长结构 的温度应力进行分 析。 图2 屋面结构及后浇带布置 3 屋面结构温度应力分析 在正常使用条件下， 混凝土裂缝主要是由混凝 土自身收缩和坏境温度变化引起的收缩两部分所产 生的。在超长混凝土结构设计时 ， 最有效的方法是 通过对超长混凝土结构施加预应力来抵消这两部分 的拉应力 ， 确保结构不产生有害裂缝。因此需对混 凝土收缩和温度所产生的应力进行分析 ， 才能确定 预应力筋的数量和布置。 3 1 结构收缩 当量温差分析 收缩是混凝土结构固有属性 ， 也是引起混凝土 开裂的主要原因之一。决定混凝土收缩应力大小的 主要因素有水泥品种 ， 骨料级配 ， 水灰 比， 养护时间， 使用环境等“ 。一般混凝土浇筑后 1 0 3 0 d 内完成收 缩 占总 收缩 量 的 1 5 3 0 ， 9 0 d一 般完 成 6 0 8 0 ， 1 年后完成9 5 左右。 工程设计 中 ， 收缩当量温差是将结构 收缩产生 的变形进行等效， 换算所得温差 ， 按下式计算： A T= l ( ， t ) 一 ( ， t ) l 式 中 ： ( ， t 。 ) 为 混 凝 土 最 终 收 缩 应 变 ； ( t ， t ) 为混凝土在 t 时期内应变； t 为混凝土龄 期； 沩收缩开始龄期 ， 假定为3 d ； 为混凝土线膨 胀系数 ， 取 1 0 1 0 - 因后浇带在两侧混凝土浇筑完成6 0 d 后浇筑， 参考文献 3 附录F的计算公式 ， 结合文献4 的计算 结果 ， 取 占 ( 6 0 ， 3 ) 9 7 4 81 0 ， 巩 ( ， 3 ) 3 4 0 3 8 1 0 一 ， 得 =( 3 4 0 3 8 9 7 4 8 ) X 1 0 6 1 01 0 一 1 2 2 4 。 3 2 结构计算温差分析 温度下降会引起混凝土收缩 ， 混凝土中温度应 力的大小取决于温差。本工程设计计算时可仅考虑 使用期间的温度作用。结构使用期间的计算温差 按下式计算 ： AT K = 一T o ， A T k = 一T o 式 中： 为结构最高平均温度 ； T o 为结构最低平均 温度； 删 为结构最低平均温度， 为结构最高初 始平均温度。 室外空气 温度 夏季取 5 0 年一遇最高 日平均温 度 ， 冬季取 5 O 年一遇最低热 日平均温度。 按南京气象局提供的数据资料 ， ，= 3 7 ， T = 一 6 。考 虑 覆 土 及 建 筑 保 温 影 响 ， 取 = 2 9 ，T s = 一 4 ， 在混凝土浇筑时， 要求后浇带封闭 期问日均气温为 = 1 0 。在升温时期， 混凝土自 身 膨胀， 对构件内力产生压应力， 不会产生收缩裂缝， 因此在裂缝控制分析时只考虑在降温情况下的温 差 。贝 0 A i r k = 一T o =41 0=一 6 。 3 3 考虑混凝土徐 变的综合温差 混凝土结构一般是带裂缝工作的， 混凝土的徐 变对温度收缩应力起到松弛效应 ， 在很 大程度上可 以降低结构弹性温度应力， 所以采用弹性方法分析 超长结构时可考虑这些有利因素作用 ， 可以考虑对 综合温差进行折减 ， 综合温差由收缩当量温差和结 构计算温差两部分组成。 按下式计算 ： T s T 。 ： n A T 工程设计中考虑徐变通常简化为按弹性计算的 温差应力乘以松弛系数。由于结构遭受的年温差及 温度收缩都是在相当长的时段中进行的， 需考虑徐 变引起的应力松弛会大幅度降低弹性应力1 1。则 ： A T , = R ( t ， t 。 ) o 式中R ( t ， t 。 ) 为混凝土徐变松弛系数。按文献 6 考虑配筋率影响的公式计算： R ( t ， t 0 ) = 1 1 1 + x ( t ， t 0 ) ( ， t 0 ) 其中： t o 为加载时混凝土龄期， 取7 d ； x ( t ， t 。 ) 为 混凝土老化系数； ( t ) 为徐变系数， 参考文献 3 附录F 的徐变系数计算公式进行计算。得 R ( ， 7 ) 一 0 3 5 ， 则 最 终 等 效 综 合 温 差 ： 如= R ( t ， t 。 ) ( A T + A T ) = 0 3 5 ( 6 + 2 4 ) = 1 0 3 4 温度荷载作用效应组合 建筑结构荷载规范) ( G B 5 0 0 0 9 2 0 1 2 ) 规定温 度荷载作用的分项系数为1 2 ， 温度作用效应的组合 值系数取 0 6 ， 频遇值系数取 0 5 ， 准永久值系数取 第 1 1期 张磊， 等： 南京新城大厦超长混凝土结构温度应力分析与设计 第 4 0卷 力增大差别不大， 对于8 0 0 m m X 8 0 0 m m柱， 边柱普 遍增加 5 1 5 ， 中柱普 遍增 加 1 5 2 5 。对 于 8 0 0 m m X 1 5 0 0 m m柱， 边柱普遍增加 1 0 2 0 ， 中 柱普遍增加 2 0 3 0 。可见温度荷载对柱 内力计 算结果影响显著， 考虑到我国规范尚未有柱荷载作 用效应是否需考虑温度荷载作用未有明确规定， 本 工程为安全起见 ， 对框架柱配筋计算按照温度荷 载 占总荷载作用效应贡献对计算结果放大。 表 1 温度荷载作用下柱 内里结果 降温工况 升温工况 框架柱 ( m m x m m) 剪力 弯矩 剪力 弯矩 MAX k N M A ) 【， ( k N m) MAX k N M A ( k N m) 8 0 0 X 8 0 0 ( 中柱1 1 2 0 4 3 0 - 9 5 - 4 9 0 8 0 0 x 8 0 0 ( 边柱1 2 9 0 7 6 0 3 1 0 - 8 4 0 8 0 0 x 1 5 0 0 ( 中柱) 6 1 0 1 1 6 0 - 6 0 0 1 1 0 O 8 0 01 5 0 0 ( 边柱) 1 8 5 0 2 l 5 O - 2 0 5 0 1 9 5 0 7 设计需考虑的其它问题 7 1 后浇带的设置 后浇带能有效释放混凝土早期收缩应力与温度 应力。本工程在 向共设 置 3 道后浇带 ， 间距为 3 0 5 0 m， Y向共设置 2 道后浇带 ， 间距 为 3 0 5 0 m， 在楼盖中部大跨梁部位有粘结预应力筋替代无粘结 预应力筋 ， 在大跨梁周边设计一圈环形后浇带。后 浇带混凝土的施工应在主体结构混凝土浇筑6 0 d 后 进行 ， 强度 比两侧混凝土高一级 ， 屋面结构采用补偿 性收缩混凝土， 内掺聚丙烯纤维， 其限制膨胀率不小 于 0 0 2 ， 后浇带不小于 0 0 2 5 。后浇带范围内梁 纵筋不断 ， 板钢筋断开搭接 ， 搭接长度为 4 5 d 。后浇 带具体位置如图2 平面图中所示。 7 2 超长预应力筋摩擦损失的解决 板 中抗温度预应力筋大多为直线布置 ， 预应力 筋 与弯 曲孔道之间的摩擦效应 可以忽略不计 ， 但是 由于预应力筋大多很长， 由孑 L 道局部偏摆使预应力 筋 刮碰孑 L 道引起 的预应力损失较大。1 0 0 m直线布 置的预应力筋若一端张拉， 其摩擦损失将达到3 0 ， 显然在施工优化设计时应采取合理措施降低预应力 损失 。 通常的做法是对预应力筋分段张拉， 具体做法 大体有三种： 1 ) 在一定长度内， 留设后浇带， 将楼板分段， 以 满足预应力张拉的工艺要求 。一般两端张拉控制在 5 0 6 0 m， 一端张拉控制在2 5 3 5 m 。张拉过程中， 先完成两端张拉 区段的张拉工作 。在后浇带处 ， 通 过连接器将不同区段的预应力筋连接在一起。待后 1 4 浇带混凝土浇筑且达到张拉强度后 ， 再完成未张拉 预应力筋的张拉工作。 2 ) 方法2 预应力筋分段与方法 1 相同， 但是在后 浇带处不通过连接器连接 ， 而是通过一根短预应力 筋搭接。张拉过程中， 先张拉各段预应力筋， 待后浇 带混凝土浇筑并达到张拉强度后， 再张拉搭接筋。 3 ) 方法 3 与前两种方法预应力筋在后浇带处断 开不同 ， 此法板 中预应力筋在后浇带附近梁后板面 上留槽张拉 ， 连接的方式为交错搭接 。此时 ， 未穿过 后浇带的预应力筋可先张拉 ， 而穿过后浇带混凝土 的预应力筋待后浇带混凝土达到张拉强度后张拉。 以上三种方法 中， 方法 1 和方法 2 在后浇带浇注 前即可张拉 ， 有利于防止后浇带之间混凝土板产生 收缩裂缝， 但是这两种方法施工麻烦， 需要进行多次 张拉。本工程采用第三种方法， ( 具体做法如图6 所 示 ) 既 可省去连接器或搭接筋 ， 又减少 了张拉工作 量 。 图6 后浇带两侧板 面留槽 张拉不意 7 3 预应力筋在洞 口处的布置方法 当预应力筋遇到孔洞无法穿过时， 若全部在洞 口处截断， 则必然会在预应力筋截断处产生应力突 变， 从而在与预应力筋垂直方向产生裂缝。为了防 止此类裂缝的产生， 本工程采用了如下构造措施： 1 ) 板 中预应力筋被洞 口阻断时 ， 预应力筋应尽 可能在洞口两侧绕过洞口铺设。此时， 预应力筋至 洞口的距离不宜小于 1 5 0 m m， 水平偏移的曲率半径 不宜小于6 5 m。 2 ) 当遇到较大的洞 口， 预应力筋无法全部绕过 时， 应将预应力筋在洞 口处截断。 具体做法如图7 所示。 图7 温度筋洞口处布置做法 ( 下转第 1 7页) 第 4 0卷 符川， 等： 调谐液柱阻尼器的阻尼性能研究 第 1 1期 5 数值计算 某 4 7 层建筑高度为 1 9 9 m， 平面尺寸为 6 5 m x 6 5 m， 结构质量为4 1 7 8 8 t ， 前三个频率为0 0 9 9 6 、 0 2 2 4 7和 0 3 6 2 9 H z 。把该 结构看 成 单 自由度 体 系 ， 在顶层设置一 2 2 0 t 调谐 液柱阻尼器 ， 该 阻尼器 = 3 0 。 ，A B = 3 ， 当线性阻尼比 为0 0 8 时液体 最大位移为 5 4 4 m， 结构的最大位移为2 5 7 m， 见表 1 。如果把 T L C D的运动方程用非线性阻尼表 示 ， 那水头损失系数 8 ：3 4 U 为 0 0 3 4 6 m 。 该结构在 E 1 一 C e n tr o 波作用下通过S i m u l i n k仿真得 到： 考虑非线性阻尼振动控制 的效果 比考虑线性阻 尼要好。 表 1 带有一2 2 0 t T L C D的单自由度体系在E 1 一 C e n t r o 波作用下结构响应 。 考虑线性与非线性阻尼 R MS 响应 峰值 结构 T L C D 结构 T L C D 位移 加速度 位 移 加速度 位移 加速度 位移 加速度 ， m ( m s ) ， m ( m s ) m ( m s ) m ( ri d s ) = 8 0 8 7 O _ 3 2 23 4 0 - 8 8 25 7 O 9 2 5 4 4 2 1 8 占 _0 0 3 46m O 8 l O 2 9 26 5 0 9 9 2 ， 4 3 O 8 7 5 1 8 2 1 4 6 结论 通过 以上分析 ， 可以得出以下结论 ： 1 ) 液体在u型水柱中的运动阻尼是非线性的， 通 过能量等效原则， 得到等价线性阻尼比。 2 1 通过 S i m u l i n k 仿真对两者阻尼进行 比较 ， 得出 带有非线性阻尼的T L C D高层建筑的减震效果略优 于带有等价线性阻尼的T L C D 。 参 考 文 献 1 1 S a k a i F ， T a k a e d a S ， T a ma k i T T u n e d l i q u i d c o l u mn d a mp e r -n e w t y p e d e v i c e f o r s u p p r e s s i o n o f b u i l d i n g v i b r a t i o n P r o e I n t Co n f o n H i g h r i s e B u i l d i n g s ， N a n j i n g ， C h i n a ， 1 9 8 9 ， 9 2 6 9 3 1 2 】 Z i e g l e r F Me c h a n i c s o f S o l i d s a n d F l u i d s C O l T R e p r 2 n d e d S p n n g e r ， Ne w Yo r k ， 1 9 9 8 【 3 】MA T L AB ，U s e r G u i d e ，C o n t r o l T o o l b o x Ma t h Wo r k s I n c ，V e r s i o n 6 5 1 ， 2 0 0 2 4 S o n g T Y ， R e i n h o m AM T u n e d m a s s d a mp e r a c t i v e ma s s d a mp e r f e a s i b i l i t y s t u d y for a t a l l f l e x i b l e b u i l d i n g NC EER EERC s h o r t c o u r s e o n pa s s i v e e n e r g y di s s i p a t i o n ， Ne w Yo r k ，1 9 9 6 ( 上接第 1 4页) 7 4其他构造措施及施工要 求 由于本工程不设缝 长度 向达 到 2 1 0 m， Y向 达到 1 6 0 m， 远远超过混凝土规范容许要求。因此在 设计 中对楼板 非预应力钢筋进行 了加强 ， 采用 了细 而密的钢筋6 1 0 1 5 0 钢筋双层双向布置。对靠近剪 力墙端部及角部等应力集中部位配置附加通常钢筋 进行局部加强， 加强梁上部纵筋及腰筋， 提高由于预 应力引起楼板变形使梁侧向产生的侧向受弯承载 力， 加强屋面保温隔热措施， 采用高性能保温材料和 室外局部覆 土 ， 减小温度梯度效应 。除以上构造措 施外 ， 施工时进行原材料和水灰比控制， 增加混凝土 浇捣次数 ， 加强施工阶段混凝土养护 ， 减少混凝土施 工阶段裂缝。 8 结论 无粘结预应力技术解决超长结构的温度应力问 题已经得到了比较广泛的运用， 本文结合工程实践 取得了几点经验， 可供类似工程参考。 1 ) 超长混凝土结构采用无粘结预应力方法来抵 抗混凝土收缩和温差下降产生的拉应力， 控制正常 使用极限状态下的裂缝发展， 具有很好的效果。 2 ) 由于影响因素很多， 精确计算构件的季节温 差有一定 难度 ， 在设计 中一般根据经验确定季节温 差， 基本上可以满足计算精度的要求。若要获得温 差的准确值， 需要进行现场测试。 3 ) 可通过控制混凝土浇捣时环境温度来降低温 差效应的影响， 有效减小混凝土的开裂。 4 ) 为了减少超长混凝土板 中混凝土的早期收缩 应力 ， 合理的设置后浇带是一种有效的办法。 5 ) 在施工优化设计中， 分段张拉的预应力筋如 何连接 、 洞口处预应力筋如何布置是经常遇到的问 题 ， 本工程所采用的方法在实践 中被证 明是行之有 效 的。 参考文献 1 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 2 1 DG J 0 8 6 9 2 0 0 7 ， 预应 力混凝 土结 构设计 规程【 s 】 上海 ： 上海 市建 筑建材业市场管理总站 ， 2 0 0 7 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 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 4 4 】 彭英 ， 柯叶君 ， 陈威文 ， 等 超长混凝土结构温差收缩效应分析及 工程实践I J 】 建筑结构， 2 0 1 0 ，4 0 ( 1 O ) ： 8 6 - 9 0 【 5 G B 5 0 0 0 9 2 0 1 2 建筑结构荷载规范 北京： 中国建筑工业出版社 6 1 张玉明 超长混凝土框架结构控制研究f D 1 南京： 东南大学， 2 0 0 6 1 7