南海文化中心超长混凝土结构温度应力分析.pdf

南海文化中心为双向超长混凝土结构,详细介绍了正常使用阶段内季节温差、混凝土收缩当量温差的计算,并采用 MIDAS/Gen 软件进行了温度应力分析。结果表明,温差效应对超长混凝土结构的影响显著,在刚度突变的位置会出现应力集中,越靠近基础的楼层,楼板温度应力越大。设置温度钢筋和无粘结预应力钢筋,并合理设置后浇带,可以减小温度对结构的影响。关键词:超长混凝土结构;温度应力;温差效应;无粘结预应力钢筋;后浇带 中图分类号:TU398.2 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)16-0058-05引用本文 游健,暴伟,方蛟鹏,等.南海文化中心超长混凝土结构温度应力分析J.建筑结构,2023,53(16):58-62.YOU Jian,BAO Wei,FANG Jiaopeng,et al.Analysis of temperature stress on super-long concrete structure of Nanhai Cultural CenterJ.Building Structure,2023,53(16):58-62.Analysis of temperature stress on super-long concrete structure of Nanhai Cultural Center YOU Jian1,BAO Wei2,FANG Jiaopeng2,LIANG Zhanhua2,LI Wei1,ZHOU Yun2(1 Guangzhou Huasen Architecture and Engineering Design Consultant Co.,Ltd.,Guangzhou 511400,China;2 School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 511400,China)Abstract:Nanhai Cultural Center is a two-way super-long concrete structure.The calculation of seasonal temperature difference and concrete shrinkage equivalent temperature difference at service ability limit state was introduced.Temperature stress analysis was performed using MIDAS/Gen software.The results show that temperature variation effect has a significant impact on the super-long concrete structure.Stress concentration occurres at the location of stiffness mutation.The closer the floor is to the foundation,the greater the floor temperature stress.The influence of temperature on the structure can be reduced by setting the temperature bar and the unbonded prestressed bar,and setting the post-pouring strip reasonably.Keywords:super-long concrete structure;temperature stress;temperature variation effect;unbonded prestressed bar;post-pouring strip 0引言 随着现代建筑往多功能化方向的不断发展,人们不仅追求建筑的平面和立面的效果,而且更注重其使用功能。因此,如今更多的建筑往往少设置或者不设置伸缩缝,导致结构整体长度超过混凝土结构设计规范(GB 500102010)1(简称混凝土规范)中要求结构伸缩缝的最大间距,通常称之为超长混凝土结构。混凝土结构抗裂性影响着建筑结构耐久性和安全性。在温度变化作用下,超长混凝土结构由于受到构件约束,使结构本身不能自由收缩,会产生较大的温度应力和约束应力,同时产生较大的温度收缩裂缝,从而影响结构的安全性、稳定性和耐久性。在结构设计中,通常采用后浇带、补偿收缩混凝土以及无粘结预应力钢筋等措施降低温度荷载引起的拉应力。本文使用 MIDAS/Gen 2020 对南海文化中心项目超长混凝土结构进行了详细的温度应力分析与研究,并用 YJK2.0.3 进行验算复核。1工程概况 工程为位于佛山市南海区桂城街道的南海文化中心,地下 2 层,地上最高 8 层,结构平面尺寸为300m(X 向)100m(Y 向),包含美术馆(共 6 层)、科技馆(共 8 层)、图书馆(共 7 层)和非遗馆(共 5层),层高均为 5.2m,建筑效果图见图 1,南海文化中心平面示意图见图 2。项目结构高度为 51m,建筑总面积约 16 万 m2。主体为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。根据建设单位要求,结构地下 1 层、地上 1 3第 53 卷 第 16 期游 健,等.南海文化中心超长混凝土结构温度应力分析层均不设缝,4、5 层以柱线为界限设缝,5 层以上各馆不再相连,为独立的结构。地下 1 层和地上 15层平面尺寸远远超过混凝土规范 8.1.1 条中对钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距规定的限值,设计时需要考虑混凝土收缩以及温度变化对结构产生的影响,并提出了相应的处理方法。图 1 建筑效果图图 2 南海文化中心平面示意图2温差收缩分析 水泥的水化反应会在混凝土浇筑后发生,会导致混凝土温度上升,但混凝土边缘区域热量散发比核心区域快,这两个区域的温差导致混凝土产生相对变形,形成拉应力,对结构产生不利影响。本项目在结构中设置一定数量的后浇带,其间隔均小于混凝土规范中伸缩缝最大间距的限值,以弱化温度效应对超长结构的影响,故后浇带封闭前的温度作用可以忽略不计,仅考虑后浇带封闭后的阶段,即正常使用阶段。2.1 季节温差 超长混凝土结构的温度作用一般包括季节温差、骤然温差和日照温差,其中,混凝土结构裂缝受季节温差的影响最大,故季节温差为本文重点分析对象。季节温差取各月份的平均温度与混凝土终凝温度的差值2,即:Tt=Ts-T0(1)式中:Tt为季节温差;Ts为各月份的平均温度;T0为混凝土终凝温度。本项目位于亚热带沿海地区,常年受东南季风的影响,属于海洋性亚热带季风气候。由于施工时间不确定,各月份的平均温度偏于安全地取各月份的最高月平均温度和最低月平均温度。根据建筑结构荷载规范(GB 500092012)3,工程所在地区 50 年重现期的最高月平均气温为 36,最低月平均气温为 6,年平均气温在 22 左右。为减小温降工况下的温度差值,本工程假定楼板后浇带施工时的终凝温度为 1924。因此,最大升温温差为 36-19=17,最大降温温差为 6-24=-18。2.2 混凝土收缩当量温差 收缩是混凝土材料固有的时效属性,也是引起超长混凝土结构产生裂缝的主要原因之一,故分析温度应力时须加以考虑。一般混凝土浇筑一个月内完成的收缩约占总收缩量的 15%25%,两个月内完成的收缩约占总收缩量的 30%50%,三个月内完成的收缩约占总收缩量的 60%80%,1 年后完成 95%4。因此,设置一定数量的后浇带与较长时间的封闭期对于减小混凝土收缩引起的拉应力有明显效果。混凝土收缩应变可表示为龄期与混凝土收缩应变的关系函数表达式5:s(t)=M1M2M3Mi(1-e-0.01t)s0(2)式中:s为混凝土收缩应变;Mi为考虑各种非标准状态条件的修正系数,取 1.0;t 为龄期,d;s0为C30 混凝土极限收缩应变,取 3.2410-4。本项目设置后浇带的封闭期为 60d,则此时结构已经完成的收缩应变为:s(60)=(1-e-0.01t)s0=1.458 10-4(3)使用阶段的结构整体收缩应变应扣除后浇带浇筑前 60 d 释放掉的收缩应变,则后浇带封闭后混凝土的最大收缩应变 y为:y=s()-s(60)=(3.24-1.458)10-4=1.782 10-4(4)因此,混凝土收缩当量温差 Tc为:Tc=y/=17.8(5)式中 为 混 凝 土 的 线 膨 胀 系 数,取 1.0 10-5(1/)。2.3 设计计算温差的确定 在工程设计和分析中,设计计算正温差为季节温差,设计计算负温差 T 为季节温差和混凝土收缩当量温差的叠加,即 T=Tt+Tc。由于地下结构东面完全敞开,其温度与地上结构相差较小,因此两者可取相同的温差进行计算,故设计计算温差取值如表 1 所示。95建 筑 结 构2023 年表 1 计算温差/正温差负温差季节温差计算温差季节温差 混凝土收缩当量温差 计算温差1717-18-17.8-35.82.4 折减系数 温度荷载及混凝土收缩是一个随时间缓慢变化的长期效应。混凝土徐变导致构件内力变小,如果不考虑徐变对混凝土结构的影响,弹性分析的温度应力将会远远大于结构中实际应力。工程设计中应同时考虑混凝土徐变的影响,通常用弹性计算结果乘以应力松弛折减系数。徐变变形 cr与弹性变形 el的比值等于徐变应力松弛折减系数 ,即:=cr/el(6)折减前后的弹性模量之比 k 为:k=el/(el+cr)(7)k 通常取 24,本文取 2.336,则温度应力计算时可取徐变应力松弛折减系数 为 0.3。混凝土构件在正常使用阶段很可能产生微裂缝,这会导致结构的刚度降低,因此需要考虑刚度折减系数。混凝土结构的刚度折减系数取 0.85,当采用预应力时刚度折减系数可取 1.07。图 3 各层楼板在降温工况下 X 向温度应力分布/MPa2.5 荷载效应组合 按温差收缩效应设计时,温度荷载效应仅与重力荷载效应进行组合:S=GSGK+TTSTK(8)式中:S 为温度收缩荷载组合效应设计值;G为恒载作用分项系数,取 1.3;SGK为恒载;T为温度收缩作用分项系数,取 1.5;T为温度收缩作用组合系数,取 0.6;STK为温度作用荷载8。3温度应力分析结果 温度应力分析计算采用 MIDAS/Gen2020 软件,模型中梁、柱构件采用梁单元,楼板和混凝土墙采用板单元,为简化计算,基底采用固定端约束。并用YJK2.0.3 进行复核,两者分析结果基本一致。升温工况下结构绝大部分区域受压,产生的压应力远远小于混凝土的抗压强度,不会引会楼板开裂,且应力变化相较于降温工况不明显,故正温差不起主导作用,因此仅对降温工况下的温度应力进行分析。3.1 楼板温度应力分析 分析地下 1 层、地上 13 层楼板在降温工况下X 向温度应力,Y 向温度应力分布与 X 向类似,但其长度小于 X 向长度,拉应力也较小,故仅对 X 向的楼板温度应力分布进行分析,见图 3。4、5 层楼板大部分区域拉应力为 0,温差效应不明显,因此不列举。由图 3 可得,水平方向上,由于楼板中间区域约束较强,温度引起的变形无法得到有效释放,而楼板边缘约束较弱,收缩变形较大,能释放混凝土内部大量的收缩变形,因此,楼板温度应力呈现出中心大、四周小的趋势。楼板在局部板边缘、阶梯、洞口拐角、剪力墙及地下室外墙拐角附近出现应力集中,而其余区域温度应力比较均衡。此外,各层楼板均存在较大范围开洞,这有利于释放温度应力,但结构中多处分散布置的剪力墙对超长连续楼板有较强的约束效应,使楼板的温度应力不能有效释放。因此,在剪力墙附近,特别是剪力墙角部,出现应力集中现象,产生了较大的温度应力。表 2 为各层楼板 X 向温度应力主要分析结果。由图 3(a)及表 2 可知,地下 1 层楼板右侧与地下室外墙交接处(图中红圈所示),尺寸突变,拉应力达到 13.9MPa;楼板 90%的区域,拉应力在 2.2 4.9MPa 之间,远远超过了 C30 混凝土的抗拉强度06第 53 卷 第 16 期游 健,等.南海文化中心超长混凝土结构温度应力分析设计值 1.43MPa。由图 3(b)及表 2 可知,1 层楼板的拉应力极值出现在与地下 1 层楼板的相同位置,此处为洞口转角,应力集中明显,拉应力达到了11.7MPa;楼板 80%区域的拉应力在 1.1 2.7MPa之间,平均拉应力大于混凝土抗拉强度设计值;楼板边缘及洞口周边拉应力为0。由图3(c)及表2 可知,2 层楼板拉应力极值为 7.5MPa,出现在阶梯边缘;楼板 80%的区域,拉应力在 0.52.2MPa 之间,平均值小于混凝土抗拉强度设计值。由图 3(d)及表 2 可知,3 层楼板拉应力极值降低到 3.5MPa,而楼 板 绝 大 部 分 区 域(90%左 右)拉 应 力 小 于0.8MPa;楼板小部分区域拉应力达到了 1.0MPa 左右,平均拉应力远小于混凝土抗拉强度设计值。表 2 各层楼板 X 向温度应力/MPa楼层应力极值大部分区域应力整层应力平均值应力较大区域平均值地下 1 层12313.911.77.53.52.24.91.12.70.52.20.82.451.480.930.222.931.761.591.00综上,沿层高方向结构的温度拉应力显著减小,收缩变形主要集中在 3 层以下,3 层楼板边缘往中心区域收缩。3 层及以上楼层收缩变形减小,温度应力较小,这是因为在正常使用阶段内整体结构同时降温,邻近楼层的收缩变形一致,不会产生较大的约束效应,但是靠近基础的楼层受到基础的强约束,温差效应显著。因此,楼层越低,越靠近基础,则刚度越大,温度应力也越大。对于 3 层及以上楼层,随楼层增加,拉应力大幅下降,温度效应影响可忽略,但对于拉应力较大的局部区域,应采取相应构造措施。此外,4、5 层楼板中间区域设有伸缩缝,释放温度应力效果显著。3.2 框架梁温度应力分析 在降温工况下,框架柱主要受到剪力和弯矩作用,受到的轴力要小得多。框架梁主要受轴力和弯矩的作用,在现浇混凝土结构中梁与楼板变形几乎一致,两者轴向应力相近。柱端剪力对楼板的反向作用,使得轴力从楼板边缘向中间逐步累积,因此楼板中心区域的轴力较大。图 4 为科技馆框架梁立面弯矩云图。由图可得,在同一层中,弯矩由结构两端向中间逐渐减小。在层高方向,随层数增加弯矩会逐渐下降,故地下 1 层边跨梁的弯矩最大,为 586kNm。但绝大部分区域的梁端弯矩小于 268kNm,可计算出绝大部分区域梁截面的正应力均小于 0.14MPa,最大弯矩下也仅为 0.31MPa,这远小于混凝土的抗拉强度设计值,且支座负筋能起到温度钢筋的作用,因此温度荷载引起的梁端弯矩不予考虑。图 4 科技馆框架梁立面弯矩云图/(kNm)4解决温差收缩效应的措施 针对楼板温度应力分布,可以采取相应构造措施来减小应力集中,改善温度应力分布,例如将洞口角部、倒角处更圆滑过渡、调整施工时间、设置后浇带及配置温度钢筋等。4.1 后浇带的设置 本项目每隔 3050m 设置一定数量的后浇带以缓解早期混凝土收缩引起的附加应力,宽度为2 000mm,见图 5。后浇带应在主体结构混凝土完成2 个月后进行施工9,强度比两侧混凝土高一级,故本项目使用 C35 微膨胀混凝土,并且在一年中气温比较低的季节浇筑。后浇带中连续钢筋数量增加,其对楼板的约束越发明显,从而提升混凝土开裂的风险。因此,后浇带中板钢筋应先断开后搭接,搭接长度为 2 000mm,与后浇带宽度相同,而梁钢筋贯通不断,见图 6。图 5 地下 1 层后浇带平面布置图图 6 后浇带构造16建 筑 结 构2023 年4.2 温度钢筋的设计 为防止混凝土楼板裂缝的产生,可在地下 1 层,地上 1、2 层的 X 向和 Y 向增加温度钢筋来抵抗温差及收缩效应对楼板的影响,3 层及以上各层仅需在拉应力较大区域配置温度钢筋。在设计时,温度钢筋选 HRB400 级热轧带肋钢筋,抗拉强度设计值fy=360N/mm2,不考虑混凝土受拉,楼板温度钢筋配筋率 为:=TT/fy(9)式中 为拉应力平均值。地下 1 层和地上 1 层温差效应显著,特别是楼板中间区域,X 向和 Y 向拉应力平均值分别达到2.92MPa 和 1.76MPa,需配置较多的温度钢筋,其配筋率分别为 0.73%和 0.44%。表 3 为配置温度钢筋前后楼板 X 向温度应力对比结果。表 3 配置温度钢筋前后楼板 X 向温度应力楼层未配置温度钢筋配置温度钢筋应力极值/MPa整层应力平均值/MPa应力极值/MPa整层应力平均值/MPa地下 1 层1234513.911.77.53.53.03.02.451.480.930.220.190.099.611.66.42.82.52.51.821.170.690.100.160.03而配置温度钢筋的配筋率过高,并不经济,可采用后张法无粘结预应力钢筋抵抗混凝土的温度应力10。预应力筋选用公称直径为 15.2mm 的高强低松弛钢绞线,钢筋抗拉 强 度 标 准 值 fptk=1 860N/mm2,后张法有效应力系数取 0.56,则有效预应力 pe=0.56fptk,则预应力钢绞线数量为:n=TTbh/peAs(10)式中:n 为钢绞线数量;b 为楼板宽度,取一延米宽度1 000mm;h 为楼板厚度,取 120mm;As为钢绞线截面面积,取 140mm2。经计算,得到单位长度板内预应力钢绞线根数n=2.16,取 n=3。由于预应力钢绞线仅用于抵消温度应力,则可在地下 1 层及地上 1 层温差效应显著区域,沿楼板形心直线配置,每延米楼板单层双向布置 3s15.2。其次,为防止梁在温度作用下产生裂缝,梁需要配置一定的温度钢筋,以控制其裂缝。由于梁和楼板变形一致,应力基本相同,可按楼板的应力来给梁配置相应的腰筋。因此,可以采用上述方法为梁进行配筋,但需适当增加腰筋和顶面通长钢筋直径。此外,温度钢筋与其他钢筋的面积之和等于最终的配筋总面积,这个总面积不得违反相应的构造要求。X 向和 Y 向的配筋结果都是用于超长方向的,需要通长配置。支座负筋,可以采用通长加附加钢筋间隔布置的方法。5结论 (1)超长混凝土结构温度应力较大,在设计时不可忽略,特别是在结构刚度突变位置,会出现应力集中,如剪力墙与楼板交接处,洞口拐角和地下室外墙拐角等。(2)约束对温差效应的影响显著。在竖直方向上,随层数增加结构的温度应力显著减小,而越靠近基础的楼层,温度应力越大;在水平方向上,温度应力由边跨向中跨逐渐增加,呈现出中心大、四周小的趋势。此外,楼板大范围开洞有利于释放温度应力。(3)适当设置后浇带,其浇筑时间为主体结构混凝土浇筑完毕 2 个月以后,能大大减小混凝土在施工过程中产生的收缩应力。(4)超长混凝土结构应配置温度钢筋,可抵抗温差效应产生的约 20%50%的拉应力,当配筋率过高时,可采用无粘结预应力钢筋来控制楼板的裂缝开展。参考文献 1 混凝土结构设计规范:GB 500102010 S.北京:中国建筑工业出版社,2011.2 张齐,黄聿莹,闫锋.某复杂工程楼板应力分析J.结构工程师,2016,32(6):9-17.3 建筑结构荷载规范:GB 500092012 S.北京:中国建筑工业出版社,2012.4 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J.建筑结构,2010,40(10):86-90.5 王铁梦.工程结构裂缝控制M.北京:中国建筑工业出版社,2004.6 张坚,徐以纬,虞炜,等.某超长混凝土结构温差效应分析及构造措施J.建筑结构,2011,41(1):63-67.7 傅学怡,吴兵.混凝土结构温差收缩效应分析计算J.土木工程学报,2007,37(10):50-59.8 池祥,阚雪峰,谢晓东.某超长大开洞结构在温度和地震作用下的楼板应力分析J.建筑结构,2019,49(S2):588-592.9 华旦,吴杰,干钢.超长混凝土结构的温度应力分析与设计实践J.建筑结构,2012,42(7):56-59.10 刘丽娜.浅谈大面积超长预应力混凝土结构的技术经济优越性J.工程与建设,2016,30(5):595-597.26