双向超长混凝土结构无缝设计温度场的建立及技术措施研究.pdf

2 0 1 2 年 第 4 期 (总 第 2 7 0 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 l 2 ( T o t a l No 2 7 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACT I CAL TECHNOLoGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 4 0 4 3 双向超长混凝土结构无缝设计温度场的建立 及技术措施研究 陈勇 。程云 。吕延超 ，陈明阳 ( 1 中国建筑东北设计研究院有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6 ； 2 奥雅纳工程顾问有限公司，广东 深圳 5 1 8 0 3 1 ) 摘要： 通过对沈阳地区气温的长期实地观测， 建立了超长混凝土结构的整体温度场， 解决了超长混凝土结构无缝设计的技术难点， 为后 续工程积累了宝贵经验； 结合沈阳恒隆中街广场项 目， 基于该温度场对结构进行了温度效应模型分析， 提出了防止温度应力作用引起的结构 变形和裂缝等各项保障技术措施。 结果表明： 所建立的温度场和提出的技术措施是有效的， 该建筑在使用中未出现因超长引起的裂缝。 关键词： 超长；无缝设计；温度场；技术措施 中图分类号 ： T U5 2 8 0 l 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 1 3 7 0 6 E s t a b l i s h me n t o f t e mp e r a t u r e f i e l d a n d a n a l y s i s o f t e c h n i c a l me a s u r e s i n t h e j o i n t - l e s s d e s i g n o f t wo-di r e c t i on o ve r l on g c onc r e t e str uc t ur e C P I NY o n g ， C HE NG Yu n1 Lt)Y a h - c h a o ， C HE NMin g - y a n g ( 1 C h i n a No r t h e a s t Ar c h i t e c t u r a l De s i g n a n dR e s e a r c hI n s t i t u t eC o ， L t d ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6 ， C h i n a ； 2 S h e n z h e n B r a n c h o f A mp I n t e r n a t i o n a l C o n s u l t a n t s C o ， L t d ， S h e n z h e n 5 1 8 0 3 1 ， C h i n a ) Abstr a ct：Base d o n l o ng - t e r m o fo b s e r v a t i o n s i n S h e n y a n g， t h e a i r t e mpe r a t u r e fie l d o f t h e wh o l e b u i l d i n g i s e s t a b l i s h e d f o r o v e rlo n g c o n c r e t e s t r u c t u r e ， wh i c h s o l v e s t h e t e c h n i c a l diffic u l t y o f j o i n t - l e s s d e s i gn and a c c um u l a t e s v a l u a b l e e x p e r i e n c e T e mp e r a t u r e ana l y s i s i s d o n e b ase s o n t h i s t e mp e mr e fi e l d i n p r o j e c t o f S h e n y a n g H e n g - l o n g P l a z a a n d t h e t e c h n o l o g y me a s u r e s tha t p r e v e n ti n g t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s d e f o r ma t i o n a n d c r a c k a l ep u tf o r ward T he r e s uh s s h o w tha t ， thet e mp e r a t u r efi e l dan dt e c h n i c a l me asure s p u t sf o r wardare e ffe c ti v e a n dthe c r a c kd u et o o v e r l o n g d o e s n t a p p e ar i n t h i s b u i l ding i n us e Ke y wo r d s ： o v e r l o n g ； j o i n t - l e s s d e s i gn； t em p e r a t u r e fi e l d ； t e c h n i c a l me asu r e s 0 引言 随着建筑业的发展 ， 特别是大型超长复杂结构的出现 ， 给 结构设计人员提出了更高的技术要求 ， 大型超长混凝土结构 无缝设计问题引起人们的关注【 】 。 超长无缝设计的主要技术 难点是建筑物整体温度场的有效建立 ， 温度应力作用区域的 确定和防止温度应力作用引起的结构变形和裂缝等各项保 障技术措施的实施。 其中， 建筑物温度场的合理选择和建立是 关键 。 1 超长混凝土结构设计温度场的建立 1 1 沈阳地区气温统计调查 为了建立有效的整体温度场， 对沈阳地区的气候条件进行 了调查统计， 并对恒隆中街广场项 目进行了长达两年的实地观 测。 据沈阳市中心气象台多年资料统计： 气温平均为 7 9， 最高 为 3 5 7， 最低为一 3 O 5。 月平均温度见表 l ， 沈阳采暖室外 温度应力分析的基础， 是决定温度应力分析结果合理与否的 计算气温为一 1 9( 周平均最低温度统计) 。 表 1 沈阳地 区 1 9 6 1 1 9 9 0年月平均气温统计 1 2气温实地观测 2 0 0 8 2 0 1 0年， 通过对沈阳恒隆中街广场项 目近两年的大 气温度实地观测 ， 得到了沈阳市近 2年的 日平均温度、 周平均 温度， 见图 l 。 从图中可以看出， 在计算超长混凝土结构时， 对于 室外最低大气温度的取值， 可以按沈阳采暖室外设计温度一 1 9 取值。 1 - 3 温度场的建立 在项目实施过程中， 对恒隆广场项目的敞开施工阶段、 封闭 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 0 1 3 施工阶段以及冬季供暖条件下的室内外温度差进行了测量 ， 积 累了较为宝贵的第一手资料 ， 取得了计算超长混凝土结构所需 的温度场条件。 测点布置见图2 ， 各测点实测温度见图 3 - 8 。 根据 现场实测结果， 冬季敞开施工阶段的室内温度随室外大气温度 变化， 室内外没有温度差异； 冬季封闭施工阶段如果没有热源 情况下的室内温度变化与大气温度变化相差一周时间， 最终室 内外温度趋于一致； 而冬季室内采用供暖时， 室内温度通常比 室外温度高 。 1 3 7 一 日平均 温度 一 周平均最高温度 一 周平 均最低 温度 龄期 ， d 图 1 沈阳月、 周 、 日平均温度 2 0 1 5 1 0 5 芝0 魁一 5 赠 一 1 0 1 5 20 2 5 3 O 一室外 温度早 8 ： 3 0 一室 内温 度早 8 ： 3 0 一室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 一室外温度晚2 1 ： 3 0 一室内温度晚2 1 ： 3 0 0 9 1 2 2 0 l 0 0 1 O 3 1 0 0l 1 7 1 0 01 3 1 1 0 0 21 4 日期 ( a ) B 3 层测点 1 温度变 化 一室外温度早 8 ： 3 0 一 室内温度早 8 ： 3 0 一室外温 度午 1 4 ： 3 0 +室 内温度 午 1 4 ： 3 0 一室外温度晚 2 1 ： 3 0 一 室内温度晚2 1 ： 3 0 一 、 赠 图 2 沈 阳恒隆 中街项 目室内外温度测点布 置 一室外温度早 8 ： 3 0 一 室内温度早 8 ： 3 0 一室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 3 0 1 2 2 0 1 0 01 0 3 1 0 01 1 7 1 00 1 31 1 0 0 21 4 17 1 期 ( b ) B 3 层测点2 温度 变化 一室外温度早 8 ： 3 0 一室内温度早 8 ： 3 0 一室外 温度午 1 4 ： 3 0 +室内温 度午 1 4 ： 3 0 3 0 1 2 20 1 0 01 0 3 1 0 01 1 7 l O O1 31 1 0 0 2 1 4 0 9 1 2 2 0 1 0 O 1 O 3 1 0 0 l l 7 1 0 O 1 3 1 1 0 0 21 4 日期 日 期 ( c ) B 3 层测点3 温度变化 ( d ) B 3 层测点4 温度变化 图 3 地 下三层 ( B 3) 各测点实测温 度 由图3 - 5可以看出，实际工程在地下室外墙回填封闭后 ， 由于有回填土的保护， 地下三层( 一 1 6 m) 的室内温度最低为一 5 ， 地下二层( 一 1 0 m) 室内温度最低为一 1 0， 地下一层( 一 5 m) 室 内温度最低为一 2 O， 接近室外大气温度。 2 温度场的选取及温度效应模型计算 大量实际工程表明， 随着结构设计水平的提高 ， 解决超长 混凝土结构的设计方法 ， 由定性的方法逐步发展成为依靠温度 理论进行有限元准确计算后的综合方法。 本研究以沈阳恒隆中 街广场工程为例， 对超长无缝设计中温度场的选取进行分析。 恒隆 中街广场工程东西长 1 8 9 m、 南北宽 1 7 1 m， 占地面积 3 4 0 0 0 m2 ， 建筑面积 1 8 0 2 4 1 m2 ， 地下 3层、 地上 4层 ， 檐高 2 4 m， 框架结 构 ， 地下室单层建筑面积 3 1 0 0 0 m2 ， 地上各楼每层面积都在 2 1 0 0 0 m2 以上， 无缝设计。 】 3 8 2 1 温 差的 选取 根据已建立的沈阳地区建筑物整体温度场， 分析模型采用 的如下温差 ： 施工阶段 ， 室外气温按沈阳采暖室外计算温度( 周 平均最低气温) 一 1 9取值。 施工阶段地下一层及以上各层的最 大负温差取为一 2 9； 地下二层的最大负温差取为一 2 0； 地下 三层取为一 1 5。 使用阶段， 室内常年设计温度为 2 0 2 2， 将商 场各层可能达到的最低温度取为 5， 内部构件相应的最大负 温差为一 5； 车库各层则认为保持恒温， 常年保持在 1 0； 地 下一层处于车库和商场的交界， 其水平构件的中面温度理论上 应取为上下表面温度的均值， 分析时保守考虑其温差与商场相 同， 取一 5。 2 2温差 和收 缩综合 效应 混凝土收缩量的计算参考了王铁梦的 工程结构裂缝控制 的计算方法 ， 计算时将各楼层和地下室外墙的收缩效应当量 0 5 O 5 O 5 0 5 O 5 O 9 2 一 0 O 5 O 5 O 5 O 5 0 5 0 2 一 髓赠 O 5 O 5 O 5 O 5 0 5 0 9 2 一 O 赠 20 1 5 1O 5 0 、 一 5 赠 一 l O l 5 2 O 一2 5 3 0 一室外 温度早 8 ： 3 0 一室外 温度 午 1 4 ： 3 0 一室 内温度 早 8 ： 3 0 +室 内温度 午 1 4 ： 3 0 3 0 0 9 1 22 0 1 0 01 0 3 l 0 0 】 1 7 1 0 0l 3 1 l 0 0 2 1 4 日期 r a ) B 2 层测 点l 温 度变化 一室外 温度早 8 ： 3 0 一室 内温度 早 8 ：3 0 3 O 3 0 091 220 l 0O1 03 1 OOl l7 1 00l3l 10 021 4 日期 2 0 l 5 l O 5 0 、 一5 赠 一 1 0 1 5 20 25 3 0 l 一室外温度早 8 ： 3 0 一室内温度早 8 ： 3 0 I 一 室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 I 一室外温度晚2 1 ： 3 O +室内温度晚2 1 ： 3 0 0 91 2 2 0 1 0 0 1 0 3 1 0 0l 1 7 1 0 01 3 1 1 0 0 21 4 日期 ( b ) B2 层 测点2 温度变 化 一室外 温度早 8 ： 3 0 一室外 温度午 1 4 ： 3 0 一室 内温度早 8 ： 3 0 +室 内温度 午 1 4 ： 3 0 3 0 O91 22 0 l OO1 03 l OO1 17 l OO1 31 1 0021 4 日期 ( c ) B 2 层测点3 温度变化 ( d ) B2 层测点4 温度变化 图 4地下二层( B 2) 各测点实测温度 一室外 温度 早 8 ： 3 0 一室 内温度 早 8 ： 3 0 一室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 一室外 温度 晚 2 l ： 3 0 +室 内温度 晚 2 1 ： 3 0 0 9 1 2 2 0 l 0 01 0 3 1 0 0 l l 7 1 0 01 3 l 1 0 0 2 l 4 日期 ( a ) B1 层测点l 温度变化 0 9 l 2 2 0 1 0 0l O 3 1 0 0l 1 7 l 0 0 1 3 l 1 0 0 2l 4 日期 ( e ) B1 层测 点3 温度 变化 一室外 温度早 8 ： 3 0 一室 内温度 早 8 ： 3 0 3O 3 O 0 91 2 2 0 l 0 01 O 3 l 0 0 1 1 7 l 0 0 l 3 1 1 0 0 21 4 日期 ( b ) B l 层测点2 温度变化 一室外 温度早 8 ： 3 0 一室 内温度早 8 ： 3 0 3 O 3 O 0 9 l 2 2 0 1 0 01 0 3 1 0 01 1 7 1 0 0 1 3l l 0 0 2 1 4 日期 ( d ) BI n测点4 温度变化 图 5 地下一层( B1】 各测点实测温度 温差均取为一 6。 根据以上取值 ，计算了温差和收缩两者的综 合效应。 2 3 温度效应模型计算 根据上述建立的温度场， 采用 E T A B S和 A NS YS软件分别 进行了温度作用分析， 图 9 、 1 O 分别为E T A BS与 A NS YS计算模 型， 模型中对结构基础底板以上所有楼层的梁和板进行了模拟， 其中， 楼板与地下室外墙单元用壳单元进行模拟； 模型中不考虑 侧向土压力和水压力对结构的作用， 假定结构嵌固于基础底板上。 1 3 9 O 5 0 5 0 5 0 5 0 5 O 2 一0 、 毯 0 5 0 5 O 5 O 5 O 5 O 2 一0 、 谜赠 0 5 O 5 O 5 O 5 0 5 0 2 一 、 赠 0 5 O 5 O 5 O 5 0 5 0 2 ， 一0 0 、 赠 0 5 O 5 O 5 0 5 0 5 O 2 ， 一 、 赠 O 5 O 5 O 5 0 5 0 5 O 2 一 、 赠 20 1 5 1 O 5 0 一5 赠 一 l O l 5 2 0 2 5 30 1 一室外温度早8 ： 3 0 一 室内温度早 8 ： 3 0 I 一室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 l 一室外温度晚2 1 ： 3 O 一室内温度晚2 1 ： 3 0 0 9 1 2 2 0 1 O 0l 0 3 1 O 01 1 7 1 O 0l 3l l 0 0 2 1 4 日期 ( a ) L 1 层测点1 温度变化 一室外温度早 8 ： 3 0 一室内温度早 8 ： 3 0 +室 外 龃 崖 午1 4 ： 3 0+至 冈温 度 午 1 一室外温度晚 2 1 ： 3 0 一 室内温度晚 2 3 0 3 0 0 91 2 2 0 1 O 0 1 0 3 1 O 0l 1 7 1 O 0 1 3 1 1 0 0 21 4 日期 20 1 5 l 0 5 O - 5 1 0 15 -2 0 -25 3 0 一室外温度早 8 ： 3 0 一室内温度早 8 ： 3 0 一室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 一室外 温度 晚 2 1 ： 3 0 一室 内温度晚 2 1 ： 3 0 0 9 1 2 2 0 1 O 0 l O 3 1 O 0 1 1 7 1 O 0 1 3 1 1 0 0 21 4 日期 ( b ) L l 层测 点2 温度 变化 一室外温度早 8 ： 3 0 一室内温度早 8 ： 3 0 一室外温度午 1 4 ： 3 0 一 室内温度午 1 4 ： 3 0 一室外温度晚2 1 ： 3 0 一室内温度晚2 1 ： 3 0 0 91 2 2 0 1 O 01 0 3 1 O 01 1 7 1 O 0 1 3 1 1 0 0 2 1 4 日期 ( c ) L l 层测点3 温度变化 ( d ) L 1 层测点4 温度变化 图 6一层( L 1) 各测点实测温度 一室 外温度 早 8 ： 3 0 一室 内温度早 8 ： 3 0 一室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 一室外 温度 晚 2 1 ： 3 0 +- 室 内温度 晚 2 1 ： 3 0 0 9 1 2 2 0 1 0 0l 0 3 1 O 0l l 7 1 O 0 1 31 1 0 0 2 1 4 日期 f a ) L 2 层 测点 1 温度变 化 l 一室外温度早 8 ： 3 0 一室内温度早 8 ：3 0 I 一室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 。l 一 室外温度晚2 1 ： 3 0 室内温度晚2 1 ： 3 0 一 +至 外 温 度 旱 8 ： 3 0 一至 网 佩 度 早 8 ： 一室外温 度午 1 4 ： 3 0 - 0 - 室 内温度 午 1 4 一室外 温度晚 2 1 ： 3 0 一室 内温度 晚 2 1 0 3 0 3 O 0 9 1 2 2 0 1 O 0 1 O 3 1 O 0l 1 7 1 O 0 1 3 1 1 0 0 2l 4 日期 ( b ) L 2 层测 点2 温 度变化 l 一室外温度早 8 ： 3 0 一室内温度早 8 ： 3 0 I 一室外温度午 1 4 ： 3 0 +室内温度午 1 4 ： 3 0 -I 一 室 外 温 度 晚2 1 ：3 0- - - 2 1 ：3 0 啪 0 9 l 2 2 0 l O 0 1 0 3 l O 01 1 7 1 O 0l 3l 1 0 0 21 4 0 91 2 2 0 1 O O 1 0 3 l O 0 1 1 7 l O 0 1 3 1 1 0 0 21 4 日期 日期 ( c ) L 2 层测点3 温度变化 ( d ) L 2 层测点4 温度变化 图 7二层 ( L 2) 各测点实测温度 计算分析表明， 首层梁在温差收缩作用下的拉应力水平相 对其他各层都大， 因此选取首层不同区域的梁进行了抗裂验算 ， 将其重力荷载效应和温差收缩效应进行标准组合， 然后按拉弯 构件计算其裂缝宽度 。 楼板的受力情况以首层和地下一层为 例， 首层楼板应力的分布规律因受地下室外墙的约束， 其应力 值稍大， 楼板被削弱区域 ， 大部分在 1 8 5 a以内， 局部洞 口 】 40 边有 白线 圈出的位置最大 拉应力达 到 3 0 MP a 。 地下一层 没有 大的洞 口， 应力分布较为均匀， 拉应力较大的区域分布于四边 的中部， 在距离每边约 2 0 m的范围内， 最大约为 1 2 MP a 。 根据分析和计算结果可知( 详见“ 双向超长混凝土结构无 缝设计温度效应作用计算与分析” ) ， 楼板、 梁及竖向构件 中应力较大区域可通过设置钢筋加强区域等措施 ， 提高结构抵 O 5 0 5 0 5 0 5 0 5 O 2 一 、 赠 0 5 0 5 O 5 O 5 0 5 0 2 一 0 、 赠 O 5 0 5 0 5 O 5 0 5 0 2 一 0 、 赠 加：2 m 5 0 =旱 芎 ： 、毯赠 O 5 O 5 O 5 0 5 0 5 0 2 一 0 、 赠 O 5 O 5 0 5 0 5 O 5 O 2， 一 、 赠