超长混凝土楼盖温度应力测试与有限元分析.pdf

第 4 3卷第 1 期 2 0 1 2年 1月 V0 I 4 3 N o 1 J a n 2 01 2 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 41 超长混凝土楼盖温度应力测试与有限元分析 贺宇龙 ，刘 航 ，马 恒s ，张海洋4 ，张 伟4 ( 1 北京市建筑工程研究院有限贵任公司 ， 1 0 0 0 3 9， 北京 ； 2 北京建筑工程学院 ， 1 0 0 0 4 4， 北京 ； 3 北京城建设计研究 总院有限责任公司 ， 1 0 0 0 3 7， 北京 ； 4 中铁建工集团有限公 司深圳北站枢纽工程项 目部 ， 5 1 8 0 2 8 ， 广东深圳) 摘要 ： 以深圳 北站交通枢纽西广场工程为例 ， 对超长混凝土楼板施工阶段进行长期的温度应力监测 。运 用有限元分析方法对该结构在施工阶段的温度应力进行模拟计算， 并与实测结果进行比较分析 。在实测和计算 分析结果的基础上 ， 得出超长混凝土楼板施工阶段 的温度应力分布规律 ， 即板 中央应力较大 ， 板边缘应 力较小 ， 并提 出了有关设计和施工建议 。 关键词 ： 超长 混凝土楼板 ； 温度应力 ； 有限元分析 ； 监测 中图分类号 ： T U 7 5 5 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 4 1 0 4 TEM PERATURE S TRES S TES T AND FI NI TE ELEM ENT ANALYS I S OF S UPER-LONG CONCRETE FL00R HE Yu l o n g ，L l U Ha n g ，MA H e n g 。 ，Z HAN G H a i - y a n g ，ZH AN G W e i ( 1 B e i j i n g B u i l d i n g C o n s t r u c t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ，L t d ，1 0 0 0 3 9 ，B e i j i n g ，C h i n a ； 2 B e r i n g U n i v e r s i t y o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ，1 0 0 0 4 4 ， B e ij i n g ，C h i n a ； 3 B e r i n g U r b an E n g i n e e r i n g D e s i g n and R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ， L t d ，1 0 0 0 3 7 ， B e r i n g ,C h i n a ； 4 S h e n z h e n N o r t h S t i o n H u b P r o j e c t D e p a r t me n t of C h i n a R a i l w a y C o n s t r u c t i o n E n g i n e e fi n g G r o u p ，5 1 8 0 2 8 ，S h e n z h e n， G u a n g d o n ff , ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Tr a ffi c Hu b We s t S q u a r e o f S h e n z h e n No r t h Ra i l wa y S t a t i o n i s t a k e n a s a n e x a mp l e t o c a r r y o u t l o n g t e r m t e mp e r a t u r e - s t r e s s mo n i t o rin g d u r i n g c o n s t r u c t i o n o f s u p e r - l o n g c o n c r e t e flo o r F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s me t h o d i s u s e d t o c a r r y o u t a n alo g c alc u l a t i o n of t e mp e r a t u r e s t r e s s d u rin g c o n s t r u c t i o n of s u c h s t ruc t u r e ，a n d t h e n t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t i s c o mp a r e d wi t h t h e a c t u al t e s t r e s u l t On b a s i s o f t h e t e s t r e s u l t a n d c alc u l a t i o n r e s u l t ，d i s t rib u t i o n l a w o f t e mp e r a t u r e s t r e s s o f s u p e r - l o n g c o n c r e t e fl o o r d u r i n g c o n s t ruc t i o n i s o b t a i n e d ，n a me l y t e mp e r a t u r e s t r e s s d e c r e a s e s f r o m flo o r c e n t e r t o flo o r e d g e s ，an d r e l a t e d d e s i g n an d c o n s t ruc t i o n s u g g e s t i o n s are g i v e n Ke y wo r d s：s u p e r - l o n g c o n c r e t e flo o r ；t e mp e r a t u r e s t r e s s ；f i n i t e e l e me n t a n aly s i s ；mo n i t o r 本文结合深圳北站综合交通枢纽西广场工程， 对 超长混凝土楼盖结构在施工阶段的温度应力进行长期 监测 ， 对其监测数据进行分析研究 ， 并运用通用有限元 软件A N S Y S 对其施工阶段温度应力的分布进行模拟计 算 ， 总结了相关规律 。 1工程概况 深圳北站综合交通枢纽工程为深圳市城市轨道交 通二期 的重点工程项 目，也是深圳市当前建设占地最 大、 建筑面积最多、 接驳功能最为齐全的一个具有口岸 功能的特大型综合交通枢纽 。 该工程配套项 目中，西广场工程地下一层和地下 二层顶板采用了超长钢筋混凝土楼盖结构 ，其南北向 总长度约4 5 0 m。 东西向总宽度约1 9 5 m， 沿长度方向设 置了两道伸缩缝 。 将整个楼盖划分为南、 中、 北三大区 域 ， 如图1 所示。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 1 2 O 作者简介 ： 贺宇龙 ( 1 9 8 6 一) ， 男 ， 天津市人， 工学硕 士 ， 主要 研究方 向为结 构理论及 工程应用 。 e m a i l ： 1 2 1 9 0 7 6 3 6 q q c o m 图 1 超长钢筋混凝土楼盖结构布置示意 该工程属于超长超大钢筋混凝土结构 ， 为确保结 构不开裂 、 变形并满足其正常使用功能 、 耐久性及安 全性要求 ， 该工程在大量计算分析的基础上 ， 采用了 设置后浇带分段浇筑施 工及配置预应力筋等构造措 施以减小混凝土收缩和温度作用对结构的不利影响。 为了解结构的温度应力分布规律 ， 在北区楼盖施 工过 程 中布置应力测点 ， 对楼盖温度应力的变化进行实时 监测。 4 2 建筑技术 第 4 3卷第 1 期 2实测数据分析 2 1 测 点布 置 由于对超长混凝土楼盖进行施工期温度应力的检 测 ， 后浇带还没有浇筑闭合 ， 板与板之间的约束较小 ， 故可按后浇带分块进行考虑 ，由于测点沿板内是均匀 分布的， 现选取测点相对较密集且有特征的1 号、 2 号两 块板进行分析。两块板的钢筋应力计测点布置分别如 图2 和图3 所示。 图 2 1号板 测点布置示意 图 3 2号板测点布置示意 2 2测试仪 器与 数据处 理 本工程选用振弦式钢筋应力计和混凝土应变片进 行现场监测。振弦式钢筋应力计根据测量频率计算得 出应力计所在钢筋的应力值， 其换算公式如下： ； A( 厂 ) - B ) ( 1 ) 式中 ： A， 为传感器常数 ； 为初频 ( o r = 0 时的频 率) i 厂 为对应盯 的频率； 。 为钢筋应力值。 时， 产生拉力， 使用拉力A 、 B 常数， 当厂 时， 产生压力 ， 使用压力A、 B 常数。根据式( 1 ) 求得钢筋应 力值o r 后 ， 即可根据式( 2 ) 由钢筋应力得出所在混凝土 中的应力 ： = ( 2 ) s 式中 ： 反为混凝土弹性模量 ； E为钢筋弹性模量 ； 为混凝土应力值； 为钢筋应力值。 2 3实测数 据分析 2 3 1 1 号板测 点应 力分析 图4 为1 号板 向下钢筋应力值随龄期变化 图 ， 图 中显示压为正 ， 拉为负。 6 7 -l 0d -1 4d 。 -1 8d _ 2 3d 2 9d 测 点 编 号 图 4 1号板 向下钢筋应 力值随龄期变化 由图4 可以看出 ，混凝土板 中应力随测点路径变 化 ， 在板中部的测点2 压应力分布较大 ， 在板两侧的测 点1 和3 压应力分布较小 ，且随着龄期的增长 ， 3 个测点 的应力都有所减小 ， 板中部的压应力减小较快 ， 这是由 于混凝土板中部位置受到柱和剪力墙的水平约束较 大 。 当混凝土产生收缩和温度应力的时候 ， 水平约束会 产生拉应力来抵消板内压应力， 而由于布置了后浇带 ， 水平约束较少的板两侧应力减少较小。 因为在施工期 ， 板内受重力作用以及收缩和温度应力的作用 ，所以板 两侧应力较小。 2 3 2 2 号 板测 点应 力分析 在2 号板内的测点处上下钢筋都布置有 、 l ， 双 向 的钢筋应力计 ，故每测点均可 方向下钢筋 、 y 方向 下钢筋 、 方 向上钢 筋 、 l ， 方 向上钢筋应力值4 个应力 值。 图5 8 为测点各方向钢筋应力值。 图5 ， 6 为板内 方向测点应 力值沿路径随龄期变 化关系图， 可以看出 ： 位于板两侧的测点1 9 1： 1 2 1 应力值 较小 ，普遍表现为压应力 ，其压应力值普遍位于1 3 MP a 之间 ： 位于板中部的测点9 和2 0 应力较大 ， 并普遍 表现 为拉应力 ， 平均拉应力为1 MP a 左右 ； 随龄期的增 长 ，测点板内拉应力逐渐增大 ，在测点2 0 的拉应力最 大。因为板中部约束较大 ， 两端约束较小 ， 由于混凝土 的收缩作用， 测点9 的压应力最大 ， 但 随龄期增加压应 6 4 2 铡 -+ q 0 3 8甚 一2 -4 6 ： 多 加 测点编号 -1 0 d 一 1 2 d _P - 1 4 d I - 1 6 d 1 8d - 2 0d - - 一 2 3d 一 2 6d 一 2 9d 图 5 测点 1 9 ， 9 ， 2 0 ，2 1 方 X方 向上钢筋应力值 2 0 1 2 年 1 月 贺宇龙 ， 等 ： 超长混凝土楼盖温度 应力测试与有限元分析 4 3 6 4 2 倒 。 哄 一2 - 4 6 j j ： - _ -1 0d - -I I - -1 2 d - 1 4d 1 6d 2 1 1 8 d _ I 2 0d 2 3 d 图 6测 点 1 9 ， 9 ，2 0 ，2 1 Y方 向 上钢 筋 应 力 值 力逐渐减小 ， 拉应力逐渐增大。 测点1 9 5 N 2 1 由于处在板 两侧 ， 受到竖向构件的约束较小， 所以应力较小。 图7 8 Y j 板 内l ， 方 向测点应力值沿路径随龄期变 化关系图， 从趋势上可看出， 其变化规律和 方 向测点 板内应力分布规律相近。 由图可以看出 ， 位于板两侧的 测点7 和 1 O 应力值较小 ，其平均压应力值在0 2 MP a 之 间， 位于板中的测点8 和9 压应力值较大， 测点普遍表现 为压应力， 随龄期增加 ， 测点板内的压应力略有减小 ， 对于上部钢筋来讲 ， 位于测点9 的压应力最大 ， 对下部 钢筋来讲 ， 位于测点8 的压应力最大。由于柱的约束作 用使得位于板中的测点压应力值较大。 ； 8 9 1 测点编号 - _ 1 0d - 1 2d 1 1 4d l 6d 1 8d 卜 2 0d 0 一 2 3 d - - -一 2 6d 图 7 测点 7 , 8 ，9 ， 1 0 X方 向下钢筋应力值 6 4 菩 z 粪 。 一2 -4 ： 7 8 9 1 0 测点编号 _ 1 0 d l l- - 1 2 d 卜1 4 d -1 6 d 1 8 d - 2 0 d 一 2 3 d 2 6 d 图 8 测点 7 ， 8 ， 9 ， 1 0 Y方 向下钢筋应力值 通过对上述测点应力的分析可得到以下规律。 ( 1 )由于布置了柱和剪力墙以及其他约束结构， 使得超长板沿长度范围内的刚度分布不均 ，从而使得 板 内应力分布产生不均匀性和跳跃性。 ( 2 )板内应力分布： 板中部应力分布较大 ， 某些部 位会出现拉应力，板两侧应力较小，普遍表现为压应 力 ， 在约束部位的应力达到最大。 ( 3 )随着时间的变化 ，由于温度和混凝土收缩作 用的影响使得板内压应力减小， 拉应力增大 ， 在约束较 强的部位变化较明显。 ( 4 )在后浇带混凝土浇筑之前，板边缘部位成为 悬臂结构 ， 部分区域会产生应力集中情况， 造成支座处 的拉应力较大。 3 有限元计算分析 为更全面了解楼板 中温度应力的分布情况 。建立 该结构的有限元分析模型 ，对其温度应力进行计算分 析 ， 并与实测数据进行对比。 3 1 有 限元分 析模 型 在有限元分析 中， 对实际楼板作如下假定 ： ( 1 )考虑楼板为均匀连续 、 各向同性的材料 ； ( 2 )不考虑混凝土弹性模量的变化 ，认为混凝土 弹性模量在浇筑期间变化不大； ( 3 )采用通用型有限元分析软件A N S Y S 对模型进 行模拟 ， 其中楼板、 剪力墙结构采用s h e l l 6 3 单元， 梁 、 柱 结构采用b e a m1 8 8 单元 ，根据后浇带布置对板进行分 块建模 ： ( 4 )根据实际结构布置图，在板下部布置剪力墙 和柱 。 对剪力墙底部和柱底部采用固接约束。 对结构计算模型整体施加重力荷载和温度荷载。 取初始零温度为基准点，场地气温变化根据场地实测 气温状况选取 ， 这里取平均降温2 o C； 考虑混凝土的收 缩作用 ， 根据欧洲模式规范C E B F I P M 9 0 的公式计算 混凝土收缩应变： ( ， 。 ) = ( t - t ) ( 3 ) 式中 名义收缩系数( O N 极限收缩变形) 取 ： RH 1 6 0 + 触 ( 9 0 ) x l 0 ( 4 ) 式中 厂普通水泥和快硬水泥 ， 取5 ； 厂 取决于环境相对湿度的参数 ， 取为 ： _ 1 5 5 1 一 ( o R 日 ( 5 ) 口 R 0 2 5 ， R H 9 9 ( 6 ) ( 卜t ) 收缩应变随时间变化的系数 ， 取为： ( t - t ) = ( 7 ) 式 中 t ， t _混凝土的龄期和 开始发生收缩时的龄 期( d ) ； 一 混凝土的抗压强度 ( N m m ) ； A 构件的横截面面积 ( m m ) ； 与大气接触的截面周界长度( m m ) 。 4 2 0 8 6 4 2 O 2 4 6 4 4 建筑技术 第 4 3卷第 1 期 按式 ( 3 ) 求出混凝土 的收缩应变后 ， 再将混凝土 的收缩应变转换成等效的温度作用。 结果取降温3 0 。 实际的温度变化根据与气温作用叠加作为实际的温 度 。 取降温3 2 。 对2 号板建立了有限元分析模型如图9 所示 。 9 2号 板 有 限 兀分 析 模 型 3 2 计算结果与实测结果对 比分析 现对2 号板的实测数据与模型分析数据进行比较 。 由于混凝土浇筑2 8 d 后 ， 其强度达到最大强度的9 0 ， 故这里选取2 8 d 的实测数据与模拟数据进行 比较 ， 图 1 0 ， l 1 为实测数据与模拟数据的比较。 ， 4 2 。 一 2 一 一 一 一 1 9 9 2 0 2 测点 编号 1 5 2 0 5 R 0 氇 -0 5 1 1 5 +实测 +分析 图 1 0 方向测点下部纵向应力值 I 一 ： 一实测 1 1 - -分析 图 1 1 y方 同 测 点 F 部 纵 向应 力 值 图1 0 ， 1 1 为2 号板钢筋应力实测数据与分析数据的 对比图 ， 通过比较实测数据和分析数据 ， 可以得到一些 超长结构施 工期内后浇带混凝土浇筑前的变化规律 。 总 的来说 ， 对于 方向和y 方 向而言， 在 同一平面上的 板内应力分布是在同一个数量级上的，且板内应力的 实测值与分析值的变化规律基本吻合。板中间位置受 柱的水平约束作用较大 ，当由于混凝土的温度和收缩 作用而产生变形时 ，会产生较大的应力。而在板的边 缘 ， 由于后浇带的布置 ， 使得板边缘的约束较小 ， 故应 力较小。 通过比较还可发现 ， 由于布置了剪力墙 ， 使得超长 板沿长度范围内的刚度分布不均 ，从而使得板内应力 分布产生不均匀性和跳跃性 。部分测点出现突变的情 况。 由于在后浇带混凝土浇筑之前 ， 板边缘部位成悬臂 结构， 部分区域会产生应力集中的情况 ， 加之支座处的 混凝土受到温度和收缩应力的影响， 使得拉应力较大。 4 结语 通过超 长混凝土楼板 的温度应力监测数据可看 出， 超长板 的温度应力在板中央的应力较大 ， 板边缘的 应力较小 ， 施工时由于后浇带尚未封闭， 板边缘呈悬臂 结构， 局部 出现应力集中。 楼板所受约束对其温度应力 分布有较大影响， 约束会限制温度和收缩产生的变形 ， 从而产生较大的应力， 约束越强则应力越大。 对超长板的温度以及收缩作 用进行有限元分析 得到板内应力的全分布图，通过对分析值与实测值进 行比较 ， 两者数值基本吻合 ， 变化规律相似 ， 这对进行 板中温度应力监控及全面了解板中的应力分布提供了 很好的参考。 对于收缩和温度应力产生的不利影响 。应采取一 定的构造和施工措施 。 对超长混凝土结构施加预应力， 是抵抗温度变形和混凝土收缩变形的主要措施 。主要 是利用预应力筋在混凝土中产生的预压应力来抵消混 凝土温变和收缩产生的拉应力 ，减少或消除混凝土开 裂的可能性 ， 并增加非预应力筋的数量 ， 并在全长范围 内或部分长度范围内拉通全部和部分支座负弯矩处钢 筋 ， 以起到控制裂缝扩展和减少裂缝宽度的作用。 在材 料方面 ， 可采用低收缩混凝土或采用补偿收缩混凝土 ， 减少混凝土收缩并使用膨胀剂来减小 由于收缩和温度 作用产生的应力。 参考文献 1 熊学玉 ， 顾炜 ， 李亚明 超长预 应力混凝土框架结构 的长 期监测与 分析研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 2 ) ： 1 1 0 E 2 冯健 ， 吕志涛 ， 吴志斌 ， 等 超长混凝土结构的研究与应 用 J 预应 力技术 ， 2 0 0 4 ， 4 4： 3 3 3 7 3 过镇海 钢筋混凝土原理 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 1 9 9 9 4 刘兴法 混凝土结构的温度应力分析 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 1 9 91 、 5 郝 志军超长混凝 土楼盖收缩温度应力与无粘结预 应力配筋分析 J 建筑技术开发， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 5 1 7 3 6 燕辉 ， 楼文娟 ， 金国平等 超大面积地下室顶板温度应力研究 J 科 技通报 ， 2 0 0 4 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 2 7 - 1 3 2 7 刘开 国超 长框架结构 的温度变形与温度 应力 J 建 筑结构 ， 2 0 0 0 ， 3 2 ( 2 ) 8 朱伯 芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京 ： 中国电力出 版社 。 1 9 9 9 9 陆鹏大面 积混凝土梁板 结构 中板 的温度应 力及配筋 设计研 究 D 南京： 东 南大学 ， 2 0 0 1 1 o 李 明 预 应力控 制超 长 结构 裂缝 的 研究 D 上海 ： 同济大 学 ， 2 n n 7