超长混凝土结构温度应力分析

摘要：改革开放以来，随着中国经济的快速发展和城市建设的不断扩大，已经有许多大型公共建筑及工业与民用建筑应运而生。其长度超过规范要求的限制，但未设置相应的伸缩缝，这些结构通常被称为超长结构。本文重点介绍了超长混凝土结构年温差作用分析以及水平瞬时温差作用分析，以供同行参考。

关键词：超长混凝土结构，温度应力，分析

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

前言

近年来,随着社会的不断发展,超长超高的建筑物越来越趋于平常,人民更加追求建筑物的外观美。当结构超过一定长度时,按照规范的要求,必须设置伸缩缝,这样势必会影响建筑物的外观和使用,因此,由于温度等因素对超长钢筋混凝土结构造成的一系列问题开始引起研究者们的重视,分析超长结构的温度作用的影响是很有必要的,国内的很多学者一直致力于研究此问题,并希望通过采取合理的措施达到减少伸缩缝或不设伸缩缝的目的。

1、超长混凝土结构年温差作用分析

对于超长混凝土结构,设计时主要应该考虑季节温差也即年温差的作用,在结构未设后浇带或后浇带留设时间较短的情况下,应同时计及混凝土收缩作用的影响。季节温差一般取结构混凝土凝结硬化时的温度(初始温度)与使用期间温度极值的差值,由于混凝土材料的抗拉强度远小于其抗压强度,控制季节温差应取初始温度与使用期间所能达到的温度极小值的差值,即可取

但是,很多工程在设计时不能预先确定混凝土的浇筑时间,也不可能精确得到使用期间的温度最低值,所以一般可取结构使用中夏天的最高气温与冬天的最低气温之差作为控制季节温差。

1.1收缩作用分析

混凝土在空气中凝结和硬化过程中会产生收缩变形,当收缩变形受到外部条件或其他构件的约束时,混凝土构件便不能自由变形而形成收缩应力,该应力与年温差作用下的结构应力的特性相像,所以可以把收缩变形等效为温差并与年温差叠加而成为结构的计算温差。混凝土收缩公式很多,对于素混凝土或低配筋率混凝土的收缩公式,可以采用下式:

超长混凝土结构往往采用多种措施来控制裂缝的产生和开展,设置后浇带是一种释放早期温度和收缩变形以降低温度收缩应力的有效方法。

等效为温差即为:

超长结构的计算温差为

1.2计算模型

本章选取一典型超长二层框架结构,其结构平面图如图1所示,平面尺寸为96mX32m,每层层高均为6m,纵向布置13根柱,横向为5根,柱距均为8m,柱截面尺寸为700mmx700mm;一、二层楼盖均采用主次梁体系,纵横向主梁间距为8m,截面均为300mmx700mm,在主梁的跨中布置次梁,次梁截面为250mmX500mm。一、二层楼板厚均为150mm。结构整体采用C3O混凝土浇筑而成,泊松比取为0.2.假设结构整体承受-30℃的降温过程,用有限元软件ANSYS模拟结构的年温差作用效应。

实际的超长混凝土结构多为多高层建筑结构,但是考虑到柱的抗侧刚度与柱高的三次方成反比,随着结构高度的增大,柱对该层楼盖的约束迅速衰减,温度应力也同时迅速减少。所以在年温差效应计算中实际的多高层结构可简化为二层结构来计算其温度变形与温度内力,而认为三层及三层以上的结构可以自由变形且不对下部结构产生约束,故在线性温差作用下将不产生温度应力。

图1结构平面图

1.3计算结果之温度内力分析

超长混凝土结构在温度作用下的效应不仅要考虑温度变形,更重要的是分析其温度内力的分布情况"从内力分析结果可以看出,温度对结构的内力影响主要集中在一层楼盖和底层柱,而对二层楼盖及柱的影响很小。

1.3.1柱内力分析

图2 图3

随着高度的增大,底部基础对柱子的约束作用逐渐减小,所以柱的各项内力也随着减小。这里只分析内力相对较大的底层柱的内力分布情形,二层柱的内力相对要小的多。

图2是C轴底层各柱的轴力和纵向剪力随柱离开结构端部距离的变化而变化的曲线。从图中可知,边柱的轴力较大,且为拉力,其他柱的轴力则都为压力,基本维持在20Nk左右;边柱的剪力较大,并随着柱子离开端部距离的增大,剪力呈下降的趋势,在变形不动点处的柱剪力则接近于0。图3是C轴底层各柱柱端主平面内弯矩变化曲线,可见靠近端部的2根柱子弯矩较为接近,之后各柱的柱端弯矩随着其离开端部距离的增大而减小,同样在变形不动点处的柱端弯矩为0。所以边柱温度作用效应最显著。

1.3.2梁内力分析

这里分析了底层楼盖C轴上的纵向框架主梁的内力分布情况,如图4图5所示。该框架梁总长为96m,在有限元模型中划分为96个梁单元,每个单元的长度均为lm,单元号从左端至右端由E973增加到E1068。由于整个结构的对称性,所以选取了E973一E1020单元作内力分析。由图4可知,各跨内主梁的轴力并不是恒定不变的,而是在每跨中由左端部至右端部线性变化,除了边跨外,整个主梁的轴力随着其距端部距离的增大基本呈现出上升的趋势,中间跨主梁的轴力达到最大值.靠近边柱的主梁由于应力集中的原因,轴力较大。各跨内主梁的纵向剪力则表现出端部较大,跨中较小的变化态势,整个主梁的纵向剪力基本呈现出下降的趋势。由图5可知,各跨内主梁主平面内弯矩线性变化,整个主梁在靠近端部处的弯矩较大,而在对称轴附近弯矩则接近于0。所以边跨和中间跨梁的温度内力不容忽视。

图4 图5

2、水平瞬时温差作用分析

2.1计算模型

计算结构的水平瞬时温差作用效应时,假定只有顶层构件在太阳的辐射下温度上升,而其他各层构件温度保持不变。计算仍采用图1所示的结构平面,并在h2v2处设置剪力墙,结构竖向二层.这是因为考虑到除顶上二层外,其他各层的竖向构件对顶层的温度变形约束较小,所以可以把实际结构简化为顶上二层来计算其屋面温差效应,而顶层下面一层的柱底全部采用固接形式。为了得到温度梯度对结构的变形和内力产生的影响,选取了有限元软件ANSYS分别计算其温度作用效应。

假定屋面(模型中为二层)在日照辐射作用下,屋面板和框架梁的正晒面的温度升高为50度,而背晒面的温度保持室内温度20度,并设温度沿构件截面线性分布,从而在正、背晒面之间形成线性温度梯度,根据各构件的截面高度求得板、主梁、次梁的温度梯度。假定其他构件的温度均为20度。ANSYS中Shell63单元及Baem188单元的温度加载情况如图6所示"

图6框剪结构有限元图 图7梁、板温度加载图

2.2计算结果分析

1）柱内力分析

柱剪力图 柱主平面内弯矩图

从柱的内力图中可以看出,顶层柱的内力较大,而一层柱的内力则相对较小。这是因为虽然一层柱子受到的外界约束最大,但是其离发生温度改变的屋面的距离较远,所以受到的变形影响也较小。这同时也说明了,各个构件对屋面温度变形的约束随着其所处楼层的下降而迅速减少。柱剪力和主平面内弯矩的最大值均发生在剪力墙布置处的二层柱端,剪力最大值为358.8Nk,主弯矩最大值为166.4Nk.m.剪力墙处的柱剪力在层间是变化的,弯矩也非线性变化。

(2)梁内力分析

顶层主梁轴力图 顶层主梁主弯矩图

顶层梁由于温度上升而膨胀,受到其他构件的约束而产生内力。二层主梁的轴力大都为压力,只是B、D轴上边跨梁出现了较大的拉力。这主要是因为剪力墙的抗侧刚度非常大,这使得与其接触的梁的变形几乎为0,X方向位移也非常小,而边柱由于较小的抗侧刚度而发生较大的侧向位移,加上温度梯度引起的梁的上拱,造成两者的X向相对位移大于边跨梁的自由温度变形,致使梁产生拉力。从图可见,除端部结点附近的梁单元外,主梁弯矩基本都是-Y方向。在剪力墙附近的梁内力变化较大,而在其他位置内力则较均匀。

结语

由于温度等因素对超长钢筋混凝土结构造成的一系列问题开始引起研究者们的重视,分析超长结构的温度作用的影响是很有必要的,文章希望通过采取合理的措施达到减少伸缩缝或不设伸缩缝的目的。

参考文献

［1］ 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，2003，30( 5) : 15-17，37．

［2］ 王铁梦． 工程结构裂缝控制［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，1997．