大面积超长混凝土结构的温度应力分析与设计

丁磊 沈金

(浙江大学建筑设计研究院，浙江杭州 310027)

0 引言

随着我国城市化进度和改革开放的不断发展，在工程建设中，不断出现超长超大混凝土结构，且对结构不设缝长度的要求也越来越高。一般地，结构越长，降温引起的收缩变形越大，约束产生的拉应力就越大，由此产生的结构裂缝就越多越宽。因而，妥善解决混凝土结构尺度较大时带来的温度应力问题对于不设缝或少设缝的大面积超长混凝土结构就尤为重要[1，2]。

1 工程概况

无锡市综合交通枢纽项目位于江苏省无锡市火车站北侧，建筑面积201 262 m2(其中交通综合体地上70 121 m2)，主楼为框架核心筒结构，综合体为混凝土框架结构(局部为型钢混凝土框架结构)，地上22层，地下2层，建筑高度94.250 m。地下1层和1层均为大面积超长混凝土结构。平面尺寸为378.0 m×214.2 m，柱网8.4 m ×8.4 m，见图1。

由于本工程地下1层和1层结构板面积较大，且不允许设缝，为防止温度下降和混凝土收缩引起大面积混凝土开裂，故采用后张法无粘结预应力混凝土技术以抵抗温度应力及混凝土收缩应力。

2 温度应力的计算

2.1 计算温度的取值

由于自然界的复杂性，处于自然环境的建筑结构的温度场分布的确定也是很复杂的，因此，本文的计算仅仅考虑季节温差和日照温差。

计算中将混凝土收缩值换算成等效温度作用，与实际温度荷载叠加来一并考虑。因此，混凝土收缩值计算的准确性取决于等效温度的计算，本工程参考王铁梦的《工程结构裂缝控制》[3]和JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[4]中关于收缩徐变的计算，将收缩徐变折算成温度与温度荷载一并考虑为:升温10℃，降温－20℃，板下无外墙与下沉式广场相接的部位(即图1中的方框中的结构构件)的温度荷载考虑为:升温25℃，降温－35℃。

2.2 温度荷载组合

混凝土的收缩变形只能产生混凝土的拉应力。与收缩应力不同，温度应力是随温度的变化循环往复的，既有拉应力，也有压应力。由于对于混凝土这种材料来说，其抗压强度大大超过其抗拉强度，因此在工程中我们通常只考虑当温度下降时引起的混凝土拉应力。故最不利工况为降温与混凝土收缩共同参与组合的工况。在结构计算中共考虑了3种荷载工况，即升温(T1)、降温(T2)、预应力(Y)。考虑的荷载组合为:0.3T1+1.0Y，0.3T2+1.0Y。其中系数0.3是考虑了混凝土徐变、设置后浇带、膨胀剂以及混凝土养护等对减小混凝土中拉应力的有利作用后而取的折减系数。

2.3 有限元模型

对本工程而言，结构平面比较复杂，各部位板块的受约束情况均不相同，因此各部位的温度应力也不相同，即使同一块板上，由于各个部位的混凝土变形相互制约，温度应力也不相同。要详细计算某个部位的温度应力，必须借助于有限元分析软件。

本工程利用有限元计算软件SAP2000和ANSYS分别对地下1层和1层结构的温度应力进行分析。

由CAD建立整体模型，通过文件转换导入SAP2000和ANSYS分别计算，混凝土板及剪力墙均采用Shell(或Shell181)单元进行模拟，其余梁柱结构构件采用Frame(或Beam188)单元进行模拟。

3 计算结果及分析

3.1 SAP2000的计算结果及分析

限于篇幅，本文仅列出本工程的地下1层结构的分析结果。SAP2000中地下1层的温度应力及混凝土收缩应力结果如下，不考虑普通钢筋作用。

图2，图3为地下1层分别在升温工况(T1)、降温工况(T2)下的楼板的最大Von-Mises应力。从图2中可以看出当温度上升时往往以混凝土压应力为主，而从图3的结果，我们不难发现当温度下降时引起的混凝土拉应力较大，且面积越大、长度越长、拉应力值越大，且外墙位置的拉应力较大。本工程的降温工况下的拉应力接近9 MPa。

图4，图5分别为地下1层在降温工况(T2)下的楼板X向最大应力和Y向最大应力。

鉴于降温产生较大拉应力，故对其采用后张法无粘结预应力混凝土技术[2，5]，梁、墙中的张拉预应力取 0.75fptk，板中的张拉预应力取0.70fptk，施加的预压应力控制值为1.8 MPa左右，其中预应力损失20%。

图6～图8分别为地下1层在工况(0.3T2+1.0Y)下的楼板最大Von-Mises应力、X向最大应力、Y向最大应力。从图中可以看出施加了预应力以后整个混凝土楼板的拉应力已经小于规范规定的C40的1.71 N/mm2的设计值。

图9，图10分别为600厚地下室外墙Q1，Q2在降温工况(T2)下的楼板X向最大应力。可以看出温度降低，在外墙的X向产生较大的拉应力。图11为外墙在工况(0.3T2+1.0Y)下的楼板X向最大应力。可以看出施加了预应力以后整个混凝土楼板的拉应力已经小于规范规定的C40的1.71 N/mm 的设计值。

3.2 ANSYS的计算结果及分析

预应力的施加是否足够，关键在于温度应力的计算是否准确。为此有必要利用ANSYS对于SAP2000的温度应力计算进行验算。

图12为地下1层在降温工况(T2)下的楼板最大Von-Mises应力，从中可以看出地下1层大部分的混凝土楼板的应力基本在4 MPa～6 MPa之间，计算结果相似，只是ANSYS更为精确，但是SAP2000的结果已经足够用于结构设计了。

图13，图14分别为地下1层在降温工况(T2)下的楼板X向最大应力、Y向最大应力，从中可以看出地下1层X向的拉应力要略大于Y向。其结果与SAP2000计算结果相似，但是由ANSYS可以看出在梁及梁左右的板带拉应力略大的结果，故施工图中在梁中另外配置了预应力筋。

4 结语

1)竖向结构对混凝土板自由变形的约束，是板内产生收缩及温度应力的主要原因。竖向结构刚度越大，尤其是端部的剪力墙刚度越大，对混凝土板的约束作用越大，板内残余的温度应力和收缩应力就越大。

2)对于不设缝或少设缝的大面积超长混凝土结构采用无粘结预应力技术可以较好地控制温度应力和混凝土收缩应力产生的裂缝。

3)预应力施加多大合适，对于设计人员可以运用SAP2000或ANSYS进行结构的应力分析，根据分析结果配置合适的预应力筋数量。

[1] 冯 健，吕志涛，吴志彬，等.超长混凝土结构的研究与应用[J].建筑结构学报，2001，22(6):14-19.

[2] 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.

[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.

[4] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5] JGJ 92-2004，无粘结预应力混凝土结构技术规程[S].