超长地下结构温度效应分析及工程应用

黄景铭

0 引言

热胀冷缩是建筑物的普遍特性，一座建筑物，尤其是超长建筑，从施工到投入使用，结构所承受的温度作用在各阶段是不同的，相应的温度作用效应也会随之发生改变，只有充分分析建筑物在各个阶段所承受的温度荷载类型，采用合适的温度荷载计算方法，确定温度作用计算工况，才能为进行结构温度作用效应计算作好准备。

1 温度参数的确定

厦门地区温度计算基本参数取值:夏季室外日平均气温为35.6℃;冬季室外日平均气温为4℃。室内温度计算取值:正常工作情况(有空调)夏季为28℃;冬季为18℃;非正常工作情况(无空调)夏季为35.6℃;冬季为7℃。结构混凝土终凝温度取值10℃～25℃，根据该工程实际情况可取:冬季的混凝土终凝温度T=10℃;夏季的混凝土终凝温度T=25℃。

2 温度荷载的确定

2.1 混凝土收缩转化为等效温差取值

混凝土温差自由应变为:

其中，α为混凝土线膨胀系数，α=10-5/℃。

结合该工程实际情况，考虑结构设置后浇带(两个月)，可认为混凝土已完成大部分收缩变形，据有关文献[2]后期残余变形仅为5.0×10-5。因此，混凝土收缩当量温差为:

2.2 季节温差

季节性温度的变化是一个长期的过程，温度变化呈现缓慢而匀速的发展态势。季节温差由结构正常使用时结构构件中面计算温度T中与混凝土终凝温度T凝之差来计算:

考虑施工过程中的结构混凝土自身收缩作用，只需将混凝土收缩等效温差与季节温差进行叠加，一并计算。

2.3 温度骤变

厦门地区冬季极端最低气温平均值为-4.5℃，夏季极端最高气温平均值为39℃。

3 温度工况

3.1 构件计算温度参数

由于不受气温变化的直接影响，构件处于均匀温度变化场之中，构件各部分温度相同;外围构件(屋盖及外墙)，其中面温度T中等于构件内外表面温度的平均值，可用下式求得:

夏季正常工作环境，室内空调保持恒温，有隔热。

外围构件:T中=(35.6℃ +28℃)/2=31.8℃;内部构件:T中=28℃。

夏季非正常工作环境，室内无空调，有隔热。

外围构件:T中=35.6℃;内部构件:T中=35.6℃。

冬季正常工作环境，室内空调保持恒温，有保温。

外围构件:T中=(4℃ +18℃)/2=11℃;内部构件:T中=18℃。

冬季非正常工作环境，室内无空调，有保温。

外围构件:T中=(4℃ +7℃)/2=5.5℃;内部构件:T中=7℃。

3.2 温度工况

工况1:混凝土收缩等效温差+季节温差(冬季结构混凝土终凝温度至夏季构件计算温度)，室内为夏季正常工作环境，外围构件:31.8℃ -10℃ -5℃ =16.8℃;内部构件:28℃ -10℃ -5℃=13℃。工况2:混凝土收缩等效温差+季节温差(冬季结构混凝土终凝温度至夏季构件计算温度)，室内为夏季非正常工作环境，外围构件:35.6℃ -10℃ -5℃ =20.6℃;内部构件:35.6℃ -10℃ -5℃ =20.6℃。工况3:混凝土收缩等效温差+季节温差(夏季结构混凝土终凝温度至冬季构件计算温度)，室内为冬季正常工作环境，外围构件:11℃ -25℃ -5℃ =-19℃;内部构件:18℃ -25℃-5℃ =-12℃。工况4:混凝土收缩等效温差+季节温差(夏季结构混凝土终凝温度至冬季构件计算温度)，室内为冬季非正常环境，外围构件:5.5℃ -25℃ -5℃ =-24.5℃;内部构件:7℃ -25℃ -5℃ =-23℃。工况5:冬季遭遇极低温度天气，外围构件外表面温度降低:-4.5℃ -4℃ =-8.5℃，外围构件计算温度较平均温度降低:(-8.5℃ +0℃)/2=-4.25℃;内部构件温度不变。

4 计算实例

4.1 温度计算

本文以长300 m、宽100 m的假想地下2层结构为对象模拟测试温度计算的过程，混凝土收缩在构件中产生拉应力使混凝土开裂，温度荷载按最不利工况考虑:选取工况2作为升温工况，选取工况4作为降温工况，在温度荷载作用下对主体结构进行温度应力分析计算。由于组成建筑结构的各种构件本身特性不同，其在温度作用下的温度内力或应力的数值和分布也具有各自的特点和规律。下面分别分析结构各构件在工况4温降作用下的温度效应，并对分析结果采用不同的设计手段。

4.2 地下室顶板

计算显示:地下2层中板大部分区域应力介于0.5 MPa～1.3 MPa，局部最大应力为1.5 MPa;地下1层顶板大部分区域应力介于 0.8 MPa～2.3 MPa，局部最大应力为 2.5 MPa;文中给出地下1层顶板整体施工阶段x方向温度应力(见图1)，以及靠近洞口及侧墙区域应力集中处应力分布图。可以看到施工阶段中间区域温度应力最大，拐角、顶板洞边以及洞口与洞口之间较窄等位置应力集中现象显著，应力较大。有限元计算结果表明，部分区域的温度拉应力超过混凝土的抗拉强度，如不配置相应的温度筋，混凝土可能出现较多开裂。

图1 温缩下局部区域顶板面x向应力云图

4.3 梁构件

经常有设计人员反映，考虑温度荷载后，梁内力增大很多，超筋现象严重。究其原因，主要是因为对于混凝土结构，没有考虑混凝土徐变产生的应力松弛和构件界面裂缝的影响，从而使结构温度应力计算结果很大。以梁1为例:分别按照不计算温度荷载，计算温度荷载时不考虑应力松弛系数和梁柱混凝土弹性刚度折减，计算温度荷载时考虑应力松弛系数和梁柱混凝土弹性刚度折减这三种情况计算，其计算结果如表1所示。

表1 梁1计算结果比较

表1计算结果表明:考虑混凝土徐变产生的应力松弛和构件界面裂缝的影响，其配筋结果要比不考虑温度荷载大，但比较合理，梁也不会超筋。否则，温度荷载计算值将会大很多，超筋现象严重，使得设计人员无所适从。

5 结语

本文讨论了地下超长结构温度作用计算工况的确定方法，考虑了可能影响建筑物温度效应的各种因素，并通过具体工程实例进行了计算，实际计算表明，采用本文设计的超长地下结构温度作用计算工况，可以满足实际超长建筑温度问题的计算需要，该方法具有一定工程适用性和可操作性，为今后工程技术人员考虑温度作用设计温度计算工况提供参考。

[1]GBJ 19-87，采暖通风与空气调节设计规范[S].

[2]刘兴发.混凝土结构的温度应力分析[M].北京:人民交通出版社，1999.

[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社，1997.