屋顶花园对现浇混凝土屋面板温度应力改善的探讨.pdf

第 3 8卷第 3期 2 0 1 1年 3月 建筑技术开发 Bui l d i ng T e c h ni q ue De v e l o pme n t Vo 1 38。 No 3 M a I 2 011 屋 顶花 园对 现 浇 混凝 土 屋 面板 温度 应 力改善 的探 讨 古晓君 周其华 ( 1 贵 州大 学土木 建工程 学院 ， 贵 州 5 5 0 0 0 3 王泽 明 丁圣果 2 贵 州凯和 建设 工程有 限公 司 ， 5 5 0 0 0 5 ) 摘 要 通过对屋顶花 园的混凝土板上缘及覆土层 中温度的实测 ， 得出混凝土板 上缘温度 与覆土层厚 度的关系及沿 覆土层深度的温度分布状况 ， 再运用 A N S Y S有限元软件分析在不 同覆盖土厚度 与极端 温度工况组合下混凝 土板 的应 力和应变分布特征 ， 总结 出较合理的覆土层厚 度和对屋顶花 园设计有价值的参 考。 关键词 现浇混凝 土屋 面； 温度 应力 ； 覆土层厚度 中图分类 号】 T u 3 7 5 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 1 J 0 3 - 0 0 0 4 -0 4 1 背 景 屋顶花园是 当今 比较流行的一种建筑屋面形式 ， 它不仅 能增加绿化面积 ， 改善 居 民生 活环境 ， 还 能减小 混凝土板 上 下缘温差对结构的影 响。但屋 顶花 园在 减小屋 面板上下 缘 温差 、 降低 结构 温度应 力的 同时也增加 了结 构 的竖 向荷载 。 目前 国 内对 屋 顶 花 园 的 研 究 多 见 于 防水 及 园林 布 置 方 面 ， 对屋顶花 园减小屋 面板温度 应力与增 加的竖 向荷 载 对结构产生 的应力之 间的关系没有 具体 的研 究。通过实 验 方法测 出混凝土板上缘在 不同覆 土层厚度时的温度情况 ， 再 结合 A N S Y S软件分析竖向荷载作用与极端温度工况组合下 的结构应力应变分布特征 ， 为屋顶花园的合理设计提供一定 的参考 。 2实验 模 型 及 实验 方 法 实 验 模 型 为 3跨 现 浇 混 凝 土 肋 梁 楼 盖 屋 顶 花 园 ( 见 图 1 ) ， 根 据 景 观 布 置 及 实 验 的需 要 ， 覆 土 层 的厚 度 范 围为 1 06 0 e m。 混凝 土板 面温 度 实 测 采 用 预 埋 式 测 温计 。 ( a 】 模型未浇混凝 土板之前 O o ) 屋顶花园施工完成后 图 1 实 验模 型 3疆 土层 厚 度 与 混 凝 土 板 上 缘 温 度 之 间 的关 系 经过长时间认 真的观测 ， 对各测点所采集 的大量 温度及 天气情况数据进行整理分 析， 所得到的覆土层厚度 与混凝 土 板上缘温度之间的关 系在 特定 天气情况 下 内具 有一定 的典 型 性 。 本 文 数 据 时 间 集 中 在 8月 1 138月 3 0 13， 图 2是 实 测 期 间晴 朗天气情况下 1 d中各个时 刻实测值的平均 。图 3的 国家自然科学基金项 目： 混凝土肋形屋盖温差应力场及绿色屋盖 应用研究 ( 项 目编号 ： 5 0 8 6 8 0 0 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 01 21 5 作者简介 ： 古晓君( 1 9 8 1 ) ， 男 ， 四川成都人 ， 现为 贵州大学 土木建筑 工程学院 2 0 0 8级结构工程专业研究生。 4 实测时 间 8月 7 13 9日， 期间连续 晴天 ， 中午 和夜 间有微 风 ， 13照 强 烈 ， 气 温 昼 夜 温 差 明 显 ， 相 对 湿 度 13变 化 较 大 ， 是 典 型的贵阳地 区夏季气候 。实 验屋面 种植 的植 物为麦 冬草 和零 星灌木 ， 种植期一年 ， 种植 屋面的栽培基质为 土壤 ， 土壤 质地为粘壤土 ， 屋面板 为普通刚性防水屋面。 图 2、 图 3中可 以发 现 ， 室 内外 温 温 差 较 大 时 ， 不 同 覆 土 层厚度 下的混凝土板上缘温度差异很大 ， 当空气温度在 3 0 C 时 ， 无覆土层 ( H= 0 ) 的混凝土上缘温度 达到 4 6 ， 比空气温 度高出 1 6 C 之 多； 而覆土层 厚度 H：1 0 e m时 的混凝土上缘 温度与空气温度 相当； 覆土层 厚度 日=2 O c m时 的混凝土上 缘温度均 比空气温度低 ； 说 明覆土 层厚 度在 2 O 6 0 c m时 ， 覆土层对太阳幅射 的阻挡作用更加 明显 ， 混凝土板上缘温度 的变化幅度大大降低 。 第 3 8卷 古晓君 ， 等 ： 屋顶花 园对现 浇混凝土屋 面板温度应 力改善的探讨 第 3期 -1 1 - ( 大气温度) + ( 裸露屋面) ( H= 1 0 c m) 十 ( H- 2 0 c m) - _ ( = 4 0 c m) + ( H - 6 0 c m) 注 ：H= 6 0 c m表示覆土层厚度为6 0 c m 时混凝土板面温度 。 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 图 2 不 同 厚 度覆 土层 时混 凝 土 板 面 平 均 温 度 图 4 、 表 1 表 2是选取大气温度为某代 表值时 ， 各测点 的 温 度情 况 比较 。从 图 表 巾 中可 以 当 覆 土 层 厚 度 为 2 0( 3 1 1 1 、 4 O c m、 8 0 c m时 ， 大气温度 从 一53 O 变化 时 ， 混凝 土上缘 温度变化 趋势 平缓 ， 变化 幅度 不大 。可 以认为 存一 般 情况 下 ， 覆 盖 土 层 度 在 大 于 2 0 c m 时 ， 覆 土 层 厚 度 越 厚 对 混 凝 土 板上缘温度 的减小作用越显著。 +裸露屋面 1 一 (阡； 1 0 c 十( H= 2 0 c m) 图 3 不 同覆 土 层 时 混 凝 土 板 面 温 度 实 测 值 廷 图 4 相 同大气温度下不 同覆土层厚度时混凝土上缘温度 表 1 混 凝 土 板 面 温 度 比较 H =l 0 c m H =2 O c m H =4 0t2 r ll H =6 0 c m 日期 项 目内容 天 气 裸 露 屋 面 的 屋 面 的屋 面 的 屋 面 的屋 面 日最 高气温 3 1 O 4 5 9 2 6 8 2 4 5 2 2 7 2 1 6 8月 7 日 日最低气温 2 1 4 l 9 7 2 1 5 2 1 2 0 5 2 0 5 F I 最 高 温 3 1 6 4 7 0 2 7 5 2 3 6 2 l 8 2 1 6 8月 8日 日最 低 气 温 2 0 4 2 0 4 2 2 6 2 1 4 2 1 1 2 0 7 日最 高 气 温 3 O O 4 9 6 2 6 6 2 3 8 2 2 6 2 1 6 8月 9 日 日最低气温 2 3 5 2 2 9 2 2 ， 8 2 1 8 2 t 5 2 0 5 8月 份 晴 平 均 最 高 气 温 2 6 1 3 8 0 2 7 2 2 4 8 2 2 3 2 1 9 朗 天 气 平 均 最 低 气 温 2 0 8 1 9 8 2 0 4 2 0 7 2 0 7 2 0 9 表 2混 凝 土 板 上 缘 温 度 大气温 H=0 c m时混凝 H=1 0 c m时混凝 H= 2 0 c m时混凝 H= 4 0 c n l 时混凝 H= 6 0 c m时混凝 H= 8 0 c m时混凝 风速 项 目内 容 云量 度 土上 缘 温度 土 上缘 温 度 土 上 缘 温度 土上 缘 温 度 土 上缘 温 度 土上 缘 温度 ( m s ) 3 0 2 4 4 8 3 0 0 2 6 5 2 1 5 l 9 6 1 9 2 较 少 6 7 夏 季 实测 3 1 O 4 7 0 3 2 8 2 7 3 2 2 1 l 9 8 l 9 5 较 少 4 4 3 2 4 51 3 3 4 5 3 O 4 2 4 9 2 1 5 2 0 5 较 少 3 5 一 4 0 O 0 4 5 7 6 1 2 4 l 3 7 1 3 5 较 多 2 O 冬 季 实测 O O 4 7 7 0 9 O l 3 O 1 4 1 1 4 3 很 多 2 2 5 O l 1 2 8 O 1 1 2 1 3 4 l 4 5 l 4 9 很 少 1 5 上缘最大 3 6 4 5 1 3 2 6 5 2 1 8 l 1 5 6 4 6 6 全 年 季节 温差 板 上、 下 缘 1 2 O 3 1 3 2 4 5 l O 4 5 9 1 5 1 O 夏 季 最 大 温 差 一 2 2 0 1 8 0 一l 3 5 1 O 6 5 6 4 3 4 5 冬 季 注 ： 1 ) 实测时问均为 1 4 ： O O ； 2 ) 表中的大气 温度值在 1 4 ： 0 0时 出现的次数均在 5次 以上 ( 除 一 4 0 C外 ) ， 各混凝土上缘 温度取平均值 ； 3) 云 量以1 4 ： 0 0时目测为准； 4 ) Jx l, 以当今关气预报为准； 5 ) 室内温度在夏季时保持在1 9 E 2 1 ； 冬季保持在1 7 1 9 ； 6 ) 采集地点贵阳市南 明区； 7 ) 土的含水量保持在 1 0 左 右。 5 莓 第 3期 古晓君 ， 等： 屋顶花园对现 浇混凝土屋面板温度应力改善 的探讨 第 3 8卷 4 有 限元 分 析 4 1 计 算 模 型 取实体模 型其 中一跨进行整体建模 ， 计算软件采用通用 分析软件 A N S Y S ， 分析单 元选用 s o l i d 6 5 ， 混凝 士本 构关系 采 用多线性等向强化 模 型 MI S O模拟 ， 整个 模 型共划 分 为 5 4 0 8 个单元 ， 9 7 2 8 个节点 ( 如图 5 ) 。为方便 比较 ， 只分析混 凝土板上缘 、 下缘的最大 拉应力 或压应 力情况 ， 不考 虑混凝 土的开裂。板筋配筋率设为 0 8 ( 比实 际偏 大) ， 混凝土 强 度等级为 C 3 0 ， 厚度为 1 2 0 m m。 4 2 计 算 工 况 选择 对模 型进行 5种荷载工况组合 ( 见表 2 ) ， 其 中土壤 的 自 重取 1 8 0 0 k g m ， 极 端 温 度 情 况 下 的上 下 缘 温 差 按 表 1 取值 。 表 2 5种荷 载 工 况 组 合 图 5 有 限 元模 型 覆土层厚度 H= 0 c m 覆土层厚度 H=1 0 c m 覆 土层厚度 H= 2 0 c m 覆土层厚度 H= 4 0 c m 覆土层厚度 H=6 0 c m 项 目内容 上下缘 温 荷载 上下缘温 荷载 上下缘温 荷载 上下缘温 荷载 上下缘温 荷载 差 o C ( N m ) 差 ( N m ) 差 ( N m ) 差 ( N m ) 差 C ( N m ) 夏季极端 3 1 3 0 2 4 5 l 8 O 0 1 0 4 3 6 0 0 5 9 7 2 0 0 2 2 l 0 8 0 0 天气情况 冬季极端 一 1 8 0 一l 3 5 l 8 0 0 1 O 6 3 6 0 0 5 6 7 2 o 0 4 1 0 8 O 0 天气情况 4 3计 算 结 果 分 析 1 ) 当结构处 于夏季高温天气时 ， 从 图 5中可 以明显地发 现板下缘始终承受拉 应力 ( 0 ) ， 且 应力 随覆土 层厚度 的 增加先减小 ， 再增大 。最大拉应力在 H= 0和 H= 6 0 c m时均 很大 ， 已经超过 了混 凝土 的极 限抗 拉强度 ， 但 两种情部 下最 大拉应力 的位置不同 ， 由四周角部逐渐向跨中转移 。 2 ) 从 图 6中还 可 以 发 现 ， 在 覆 土 层 厚 度 H 4 0 c m以后 。 最 大 主应 力 表 现 为拉 应 力 ， 且 发 生 在角 部 位 置 。 6 +板上缘最大主应力 +板下缘最大主应力 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 O 6 O 覆土厚度 c m 图 6 夏 季 最 不 利 工 况 3 ) 当结 构处 于冬季低温天气时 ， 从 图 7中可 以发 现板上 缘 始终 承受拉应力 ， 且应 力也 随覆土层 厚度 的增加先减小 ， 再增大 。在覆土层较薄 ( H1 0 ) 或者较厚 ( 日4 O ) 时 ， 最大 主拉应力均超过 了混凝土的极限抗 拉强度 ， 且位置均发生在 板 角部 。 +板下缘最大主应力 +板上缘最大主应力 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 b l 0 0 4 堪 0 2 图 7冬季极端温度情况 4 ) 从图 7中还可以发现当 H 2 0时 ， 板下缘开始 出现拉 应力 ， 且随着覆土层厚度的增 加而增加。甚至也超过 了混凝 土 的 极 限抗 拉强 度 ， 位 置 发 生 在跨 中位 置 。 5 ) 从 图 8中可以发 现 ， 当夏季高 温天气 时， 混凝 土板跨 中会形成拱( U 0 ) ； 而冬季低温天气时 ， 混凝土板中会形成 反拱 ( U M ， 长 向底 筋置于短 向底筋之 下； 若按传统做 法将短 向底 筋 置 于长 向 底筋 之 下， 则 布 筋应 为 ： 长 边 h = 7 0 n l i n， A =4 3 0 mm ， 配 筋 中8 l 1 0； 短 边 h o=8 0 mn l ， A =3 0 0 I T l m ， 配 筋 中8 1 6 0 。 对 比发 现 ， 长 向筋 不 够 ， 而短 向 筋过 多 。 4 结 语 不考虑钢筋混凝土双 向板 的边 界条件 ， 依 据传统 做法 ， 将 双 向板 板 底 短 向钢 筋 置 于 长 向钢 筋 之 下 的施 工 措 施 不 合 理 。应根据双 向板长 、 短向的弯矩大小 ， 以决定长 、 短 向钢筋 的合理布置 。如果考虑到实际 出现 M M 的情 况不多 ， 为 了施工上方便 ， 也可 全部将短 向钢筋 置于长 向钢筋 之下 ， 但 在 截 面 设 计 时 ， 应 按 其 实 际有 效 高 度 计 算 长 短 向板 底 钢 筋 。 参 考 文 献 1 江见 鲸 混 凝 土 结 构 工 程 学 M 北 京 ： 中国 建 筑 工业 出版 社 1 9 9 8 2 滕智 明， 朱金铨 混凝土结构及砌体结构 ( 上册 ， 第二版 ) M 北 京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 3 贡金鑫 混凝 土结构设计 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 9 7 0 0 0 0