大面积超长混凝土结构的温度应力分析与设计探讨

付春松　吴丽琴

摘 要：预留伸缩缝会影响建筑物的外观、增加构造措施和建筑成本，因此，建筑师会采用避免设置伸缩缝的超长混凝土结构。本研究主要对大面积超长混凝土结构的温度应力进行分析和设计探讨，并提出解决温度应力的相关意见。

关键词：超长混凝土；温度应力分析；裂缝

目前，我国正处于城市化进程快速发展的阶段，因此，城市建设中越来越多的公共建筑和工业建筑发展起来。在这些工程的建设中，为了满足城市建设的需求，越来越多的大面积超长混凝土结构应用于工程建设中，并且，在这些超长的混凝土结构中，对结构不设缝长度的要求也越来越高。科学研究表明，混凝土的结构越长，温度变化而引起的结构收缩变形就越大，由于结构对收缩变形的约束产生的温度应力就越大，结构裂缝就越多。因此，要对温度应力进行详细的研究。

1 大面积超长混凝土结构的温度应力研究现状分析

目前，国内外对混凝土结构中温度应力问题的研究还是主要集中在超长混凝结构、道路桥梁结构以及公路水泥混凝土路面结构上。就这三个领域而言，由于超长大体积混凝土结构的应用起步比较晚，因此很长一段时间内对该结构应用中出现的温度应力问题研究资料不太丰富，在实际中遇到该问题时只能根据一般的经验以及粗略的估算来研究温度应力的产生对超长混凝土结构会造成怎样的影响，然后再采取一定的解决措施。但是社会发展到今天，城市中公共建筑以及工业建筑的增多，使得超长混凝土结构的应用范围更加广泛，因此，结构中再出现温度应力的问题，就不能再粗略的进行解决。所以新的温度应力研究办法在不断的试用。

随着近年来计算机技术的不断普及和推广，超长混凝土结构中出现的温度应力现象常用有限元方法来进行研究，如ANSYS、ABAQUS、SuperSAP、ETABS等。这些软件可以对具有各种边界条件的复杂混凝土结构作有限元分析，并得到可信的结果。

2 大面积超长混凝土结构中温度应力的作用分析

通过对多个工程混凝土结构的研究和分析可以发现，结构中出现混凝土裂缝的原因一部分是因为混凝土结构在使用中的自身收缩以及环境温度变化引起的混凝土收缩。而在大面积超长混凝土的结构设计中，为了确保混凝土结构及其周边构件在使用中不发生裂缝，最有效的方法就是在超长混凝土的构件上施加预应力来抵消这两部分的拉应力。所以，为了更好的确定改进措施，需要对引起混凝土结构的裂缝的两种原因进行定量的分析，只有这样才能有效合理的确定超长混凝土结构设计中预应力所需的钢筋数量以及布置的方位，最大程度的减少温度应力带来的结构损害。

2.1 大面积超长混凝土结构中温度应力引起的结构收缩

超长混凝土结构在使用中会遇到和其他材料一样的问题，即随着温度的改变而出现不同程度的形变。与混凝土结构自身产生的形变收缩不一样，这种温度引起的形变会是循环反复的出现。人们通过研究发现，超长混凝土结构中由于温度升高而产生的应力被称为压应力，而由于温度降低而引起的温度应力则称为拉应力。一般来说，各种超长混凝土结构具有的抗拉能力要远远小于其抗压能力，所以，在超长混凝土结构的应用中，要特别注意由于温度降低而对混凝土结构带来的不利影响。

此外，超长混凝土结构由于温度降低而产生的拉应力会使得混凝土结构中的裂缝更加严重，其后果很有可能是导致超长混凝土结构的大面积开裂。理论上来说，超长混凝土结构的这种形变都是先快后慢的，早期混凝土中水泥石的体积形变是其结硬初期所表现出来的塑性收缩，并且这一时期的形变产生的非常快，但是到了混凝土结硬的后期，由于结构中自由水的大量蒸发而引起的干缩是混凝土形变的主要原因。

2.2 大面积超长混凝土温度应力的形成过程

混凝土温度应力的形成过程经历了三个部分即早期应力、中期应力和晚期应力。

混凝土从开始浇筑一直到成分中的水泥完成放热作用，历时大约一个月的时间，这一阶段的混凝土有两个特点即在此段时间内混凝土的温度场是急剧变化的，并且超长混凝土具有的弹性模量会随着时间的变化产生较大的幅度变化，因此，这一时期的温度应力就是所谓的早期应力。

混凝土的中期应力是两种温度应力的相互叠加，早期应力之后，混凝土中的水泥放热作用会基本的结束，从其放热结束到冷却作用的完成，这一阶段由于外界温度变化而引发的温度应力与之前的早期应力叠加在一起被称为中期应力。当超长混凝土完成冷却后，能够引起其发生温度应力的因素就是外界温度的变化，所以这种由于温度变化而产生的应力与之前的应力相加在一块就是晚期应力的形成。

2.3 大面积超长混凝土温度应力具有的特点

超长混凝土结构在完成浇筑之后会面临水泥水化热大量释放的问题，这种现象导致混凝土的中心结构温度会大于其表面的温度。所以，一般来说，超长混凝土结构中心所具有的热膨胀会远大于其结构表面形成的热膨胀。由于温差存在而使得超长混凝土结构中心会产生压应力，结构表面产生的是拉应力。温度应力与其他应力的不同体现在温度应力而产生的结构形变往往是可以恢复的，并且具有反复性。但是其他原因引起的混凝土开裂现象则不具备该特点。除此之外，温度应力的特点还体现在以下几点：

超长混凝土结构产生的收缩、形变以及温度变化的产生等都是具有长期性；并且在循序渐进的收缩和变形中，超长混凝土结构的应力会逐渐的松弛，整体的应力值大小与一次瞬时全部变形情况下产生的弹性值相比，会大大的减小；超长混凝土结构中由于温度应力与收缩形变而产生的板中应力主要是受到了柱和梁的约束。

此外，超长混凝土中温度应力的存在并不能完全消除，这是因为即使由于外界温差引起的温度应力消失，由于混凝土结构中水泥水化热的存在，其中心与表面还是存在一定的温差，因此，温度应力并不会完全的消失。

2.4 大面积超长混凝土结构中温度应力的种类

超长混凝土结构中温度应力一般分为两类，即平均温度应力和弯曲温度应力。这两种应力分别是由不同的原因产生的。

当建筑中的楼板受到温度降低或者是温度升高的作用之后，就会产生热胀冷缩，从而使楼板产生形变，但是由于建筑在设计中都会对楼板添加一些结构上的约束，正是这些约束的存在使得楼板内部存在应力，但是这种应力由于是分布均匀的，所以被称为平均温度应力。

而弯曲温度应力产生的原因则主要是超长混凝土结构中的楼板发生变形也会引起柱剪力的产生，柱剪力的产生又会引起柱弯矩。与此同时由于楼板结构中有柱和梁刚接档，所以产的柱弯矩就会传到梁板上，从而就产生了弯曲温度应力。

3 大面积超长混凝土结构的温度应力设计探讨

为了更好的解决温度应力存在而对超长混凝土结构造成的影响，人们借助于当代计算机软件通过对温度应力的设计探讨，来消除或缓解这种影响。对于超长混凝土工程结构而言，由于自然环境条件变化所产生的温度荷载有三种类型：日照温度荷载、骤然降温温度荷载、年温温度荷载。

3.1 年温温度荷载的变化分析

年温差是影响超长混凝土结构中出现温度应力的重要原因之一。如果超长混凝土的结构中没有设立后浇带或者是后浇带留设的时间较短，那么此时在分析年温差的影响时还应该把混凝土收缩作用的影响一起加入到研究中。所谓的年温差指的是超长混凝土结构在凝结硬化时的初始温度与使用期间温度极值的差值。

此外，在超长混凝土的结构中还存在材料的抗拉强度远小于其抗压强度的特点，所以，控制年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，ΔTn=T0-Tmin，其中ΔTn代表的就是年温差，而T0代表的是超长混凝土凝结构在结硬化时的初始温度，Tmin代表的是结构在使用期间所达到的最低温度值。

然而，在实际的混凝土结构设计中，人们并不能事先准确的得知混凝土的浇筑时间，所以，也就不一定能够精确的计算出混凝土结构在使用中的温度最低值。为了有效的解决这个问题，人们就取超长混凝土在结构使用中夏天所达到的最高气温与冬天所达到的最低气温之差来作为年温差的计算方式。

3.2 对超长混凝土结构中的温度应力分析进行模拟设计

以一个超长二层框架结构为例进行说明，假设其平面尺寸是95m*30m，框架的每层层高都是6m，纵向布置17根柱，而横向布置柱的根数为6根，每根柱子之间的距离是6m。柱子的截面尺寸是600mm*600mm，对楼盖的选择都采用主次梁体系，纵横方向上主梁之间的距离都是6m，梁截面尺寸都是250mm*600mm。此外，还需要在主梁的中间布置部分的次梁结构，规定次梁截面的尺寸是200mm*400mm，并且楼板的厚度都设计为均为100mm。此结构中超长混凝土的浇筑原料是C30，并且得知C30的砼弹性模量值是3.0*104N/mm2，泊松比的值是为0.15，线胀系数为1.5*10-5/℃。

同时在利用该结构进行温度应力分析中采用的是大型有限元软件ANSYS。应用 CAD软件建立整体的混凝土结构模型，然后利用文件转换的方式导入到SAP2000中进行相关参数的计算。此外，超长混凝土结构中的板及剪力墙应该利用Shell单元或者是Shell181单元进行相应的模拟计算，超长混凝土结构中其余的梁柱结构或者是构件可以利用的模拟软件或者是模拟单元是Frame或者是Beam188。

3.3 对温度内力的分析

在对温度应力进行研究的过程中还要考虑到温度内力在超长混凝土结构中的分布情况。这种温度内力造成的影响有柱内力、梁内力和板内力。

一般情况下，随着柱子高度的增加，柱子底部对其上层结构的约束作用就越小，因此柱的各项内力也随着减小。在梁内力的分析中，由于梁的总长度是95m，所以可以在有限元模型中被划分为95个梁单元，并且每个单元的长度都是1m。而板的中面第一主应力沿板纵向大致以条带式的形式分布，应力在板与横向主梁结合处引起突变，从边跨到中跨，温度应力逐渐增大，分布渐趋均匀，温度应力的极值出现在跨中位置。

为了解决该问题，设计人员结合SAP2000软件或者是ANSYS软件对超长混凝土结构中的温度应力的大小进行计算，然后根据分析结果配置合适的预应力筋数量。

4 结语

总而言之，大面积超长混凝土结构温度应力的分析及设计探讨是一个相对比较复杂的课题。在实际的应用中，温度应力的产生涉及到许多的内容，近年来，人们一直在致力于研究控制温度应力的方法。目前，我国大面积超长混凝土结构中控制温度应力较好的方法是无粘结预应力技术，并且，在对温度伸缩缝相关内容进行结果分析时可以采用的科学软件是ANSYS，该软件的应用，不仅可以分析出混凝土结构设计中的预应压力，还能以此结果作为人们改进的依据，最终有效的控制温度应力。

参考文献

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作者简介：付春松（1978.12- ），男，讲师，工程师，博士研究生，研究方向：建筑结构设计与建筑施工技术。