U型槽用于超长地下室结构温度应力优化

谭 燕，韩 宇，高俊涛

U型槽用于超长地下室结构温度应力优化

谭 燕1，韩 宇1，高俊涛2

（1湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉430068；2中国葛洲坝集团房地产开发有限公司，湖北武汉430033）

针对超长超宽的地下室结构中楼板的温度应力以及温度应力对边柱影响，采用降板（即U型槽式）做法，利用MIDAS／GEN软件分析超长地下室混凝土结构温度应力。与不设缝模型相比，设缝模型由降温产生的柱水平力减小了70%左右，降板模型由温度应力产生的柱水平力减少了50%左右；同时得到顶板在降板模型下温度应力比不设缝模型降低了50%左右，结构无缝设计得以改进，优化了温度应力。U型槽在工程实例中得到应用，取得了很好的效果。

超长地下室混凝土结构；温度应力；有限元；伸缩缝

超长钢筋混凝土结构指结构单元长度超过了规范所规定的钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距的结构［1］。在实际工程中，虽然伸缩缝的设置可以有效降低温度应力，但会对建筑的外观效果、防水和保温等方面产生影响［2，3］。本文采用降板模型（即U型槽式），既能满足建筑要求，又能考虑温度应力对结构的影响。

利用有限元软件MIDAS／GEN，对地下室边柱所受水平力进行分析，边柱水平力虽不等同于楼板的温度应力，但与楼板温度应力是成比例的，降低了边柱的水平力，相当于降低了楼板的温度应力。因此利用U型槽式的降板做法，降低楼板的温度应力，地下室边柱的截面和配筋也相应减少。既节省了材料，地下车库的布置更合理，同时又能满足温度应力的要求，有效降低楼板产生裂缝的概率。

1 温差及温度应力对混凝土影响

1.1 气温变化分类

混凝土结构表面和内部各点的温度与太阳辐射、气温的改变以及结构所处的地理位置、地貌条件、结构方位和朝向等有关，同时在结构的内部和外表面直接存在着以辐射、对流和传导等方式与周围环境进行热交换，产生的应力场较为复杂［4－5］。在工程中，可将温度荷载分为以下几种情况：1）日温差作用，即一天之内气温最高值与最低值之差；2）骤然降温温度变化，主要是工程结构遇冷空气侵袭，导致外表面迅速降温，结构形成较大内外差；3）年温差变化，它是长期的缓慢作用，使得结构整体发生均匀的温度变化，产生较大的整体位移，计算时以平均温度为零的参考温度，以最高与最低月平均温度的变化值作年温度变化；4）人为温度变化，建筑结构因工艺要求迅速降温或升温［6－7］。

从工程应用的角度考虑，结构降温所产生的温度应力影响更大，不论在南方北方，降温是引起混凝土表面裂缝的重要因素。因此，本文主要研究的是结构在降温情况下温度应力的变化。

1.2 温度应力对混凝土影响

温度应力对建筑物主要影响在两个方面：长度方向和高度方向。长度方向上，建筑长度越长，楼板等纵向连续构件由收缩和温度变化引起的改变越大。通常这些构件会受到拉应力或者压应力，同样竖向也会相应受到拉应力和压应力作用。在超长混凝土地下室中，温度应力的危害更加明显［8－10］。本文选取地下室部分进行研究，分析数据与工程实例吻合，对超长地下室结构的设计有很大的应用意义。

2 模型建立

2.1 工程实例

该模型依托湖北省潜江市某综合办公大楼，模型平面尺寸为420.0m×180.6m。地下室高5.4m，地上13层。截取超长混凝土结构的地下室为研究对象（图1）。由图1可见，该工程地下室结构复杂，顶板长度明显超出设缝长度标准。

图1 地下室结构模型图

2.2 计算模型

根据温度应力的作用及裂缝产生情况，本文设置了三种模型验算温度应力对结构的影响。模型1，不设伸缩缝；模型2，利用结构双柱设置伸缩缝；模型3，降板（即做成U型槽式）。三种模型双柱部分见图2。

图2 三种模型双柱图

2.3 温度场的确定

使用阶段的混凝土结构，在不同情况下，结构所承受的温度应力均不相同，对于计算参考温度，如果在整体结构中收缩和膨胀区域都存在，由于膨胀和收缩作用相互抵消，将降低由温差引起的整体结构的温度应力和应变［7］。所以在计算时考虑的是结构的不利情况，使整体结构温度均匀变化。本文三种模型的温度变化均为±15℃。

3 计算分析

将处理后的模型导入MIDAS／GEN中，如图1所示的地下室顶板，重新添加厚度为200mm顶板，导入恒荷载6.5kN／m2，活荷载3.5kN／m2［1］。为了实现整体结构均匀降温，本文在温度荷载的布置中选择节点降温，在地下室顶板的每个节点布置温度差，得到了三种模型的地下室边柱的水平温度应力，截取中间具有代表性边柱，具体比较见图3、图4和图5。表1为三种模型相同边柱由温度变化产生的水平力的对比。

图3 初始模型降温边柱应力图

图4 设缝模型降温边柱应力图

图5 降板模型降温边柱应力图

3.1 数据分析

从表1中可得到，与初始模型相比，设缝模型由降温产生的柱水平力减小了70%左右；降板模型由温度应力产生的柱水平力减少了50%左右。在超长地下室结构中，如果设置很多伸缩缝会对建筑自身产生较大影响，而采用U型槽式的降板构造，则既能满足建筑需求，例如防水、保温、外观设计的完好，又能有效减少由温差产生的温度应力，不致于出现急降温情况下产生的温度裂缝，是超常地下室结构温度应力的两全解决模式。

表1 温度应力对边柱产生的水平力对比

3.2 温度应力云图

前文提到，在研究楼板温度应力时，主要研究的是边柱所产生的水平力，因为边柱水平力虽然不等于楼板温度应力，但与楼板温度应力是成比例的，有效降低边柱温度应力产生的水平力即可降低楼板的温度应力，为了验证这一点，利用MIDAS导出顶板在X方向的温度应力云图。图6和图7分别表示初始状态和降板状态顶板X方向温度应力云图及数值大小。

图6 初始状态顶板X方向温度应力云图及数值

图7 降板状态顶板X方向温度应力云图及数值

从图7中可清楚看出顶板在初始模型状态下的温度应力最大值为1.51908×104kN／m2，降板状态即使用凹形槽模型下温度应力最大值为7.35890×103kN／m2，在降板模型下顶板温度应力比初始模型降低了50%左右，通过数据得出边柱水平应力和楼板温度应力虽不等同，但以点代面研究顶板温度应力是完全可行的。

4 结论

随着国内外建筑水平的不断提高，超长地下室结构普遍存在，全地下室设缝不满足规范要求。利用MIDAS／GEN软件，通过对边柱水平力及顶板温度应力云图的分析，得出U型槽的设计可以大大降低温度变化产生的顶板应力，在很大程度上降低了楼板产生裂缝的概率，又能解决建筑设计时处理设缝的麻烦，使边柱的截面和配筋有效地减少，节省了材料，地下室布置更合理，是伸缩缝的完美替代方案。U型槽的方案必将在地下室或其它超长结构设计中得到广泛应用。

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部组织.混凝土结构设计规范：GB 50010－2010［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［2］ 王强，尹润杰，刘桂玲，等.超长地下室混凝土结构温度应力分析［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2009（5）：37－41.

［3］ 潘福婷，王艳华，蒋亚琼.超长混凝土结构温度应力及裂缝控制研究［J］.河北北方学院学报（自然科学版），2016（1）：34－36.

［4］ 王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［5］ 关天松.基于温度效应分析的超长地下室混凝土结构裂缝控制［D］.广州：广州大学，2014.

［6］ 庞培培，黄潇，沈小璞，刘艳.超大面积和超长结构温度应力的有限元分析［J］.合肥：安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2010（10）：51－53.

［7］ 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1998.

［8］ 崔志俊.超长钢筋混凝土半地下室外墙环境温度效应非线性分析［D］.上海：同济大学，2007.

［9］ 吴建.超长地下室混凝土结构防裂技术措施研究［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2011.

［10］刘思明.超长地下室结构底板及外墙凹槽板式伸缩缝设计实例［J］.广东土木与建筑，2006（11）：26－27.

The Temperature Stress Optimization of the U－shaped Groove Used in Super－long Basement Structure

TAN Yan1，HAN Yu1，GAO Juntao2
（1 School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 China Gezhouba Group Real Estate Corportation.Ltd.，Wuhan 430033，China）

According to temperature stresses of the floor and the detrimental effect on which it has side columns，the method of the lower plate（the U－shaped groove）is taken，MIDAS／GEN software is used to analyze super－long concrete basement temperature stress.Compared with the model without joints，horizontal forces of the columns in the model with joints reduce about 70%，those in the lower plate reduce about 50%；temperature stresses of the floor in the lower plate reduce about 50%relative to the model without joints，the seamless design is more advanced，temperature stress is optimized.The U－shaped groove has also been applied in practical project and good effect has been obtained.

super－long basement concrete structure；temperature stress；the finite element；expansion joints

TU3

A

［责任编校：张岩芳］

1003－4684（2017）04－0094－03

2016－05－20

国家自然科学基金青年项目（51408203）；湖北工业大学博士科研启动基金（BSQD12060）

谭 燕（1981－），女，湖南娄底人，工学博士，湖北工业大学讲师，研究方向为轨道交通振动及减振隔振措施