超长混凝土楼板不设缝应力分析

程 媛,朱群红

CHENG Yuan1, ZHU Qunhong2

钢筋混凝土结构设置变形缝,允许不同的结构单体自由变形,目的是为减小由于温差(早期水化热或使用期季节温差)和体积变化(施工或使用早期的混凝土收缩)等间接作用效应积累的影响而引起的结构内应力。一般来说,变形缝的最大间距不宜超过规范要求，然而确定变形缝的“正确”间隔又是一个有争议的问题。规范建议的经验距离通常用于常规建筑物结构变形缝的设置。对于不规则形状,以及建筑有特殊要求的结构,变形缝设置间距远超过规范限制,此时采用有限元分析楼板的温度应力并指导设计是非常必要的。

本文以宁夏煤业集团办公楼(以下简称宁煤办公楼)的超长混凝土框架结构设计为例,提出超长混凝土结构平面温度应力的有限元分析方法。结构分析主要考虑了以下几个计算条件：一是建筑物体表温度变化,主要是结构体随季节温度变化；二是因工程建造期较短,考虑冬季和夏季两种极端施工环境对不同楼层变形的影响；三是考虑钢筋混凝土材料本身特性。根据参考文献[2-3]确定热分析以及混凝土收缩分析的有限元计算参数,分析过程中采取局部加强构造的方式,加强结构抵抗温度变化的能力,控制混凝土裂缝的开展。综合参考文献[1-6]以及本工程建筑物的独特几何形状和结构分析结果,对本工程进行评价。

1 工程概况

本工程地处宁夏回族自治区银川市西北经济开发区,办公楼地上12层,地下一层,顶层板顶高48.6 m。平面呈扇形,长约160 m,宽约30 m。办公楼采用钢筋混凝土框架结构体系,按照现行国家规范与地方规范进行设计。结构三维示意图见图1,典型楼面平面示意图见图2,该图包含楼板及框架柱示意。根据《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》,伸缩缝最大间距为55 m。但由于该建筑物独特的平面,按照规范设置伸缩缝对结构体系是不安全的,主要是因为建筑要求在整个大楼中部通高开洞,中部所留的结构部分过于狭窄。所以该结构无法设置伸缩缝,按照一个单体进行分析设计。

图1 三维结构示意图

图2 典型平面示意图

2 温度荷载分析

当办公楼投入使用后,取暖和空调开始运行,可以控制结构环境温度在一定的范围内波动,由此减少了结构体温的变化。所以可以推断,结构体温的峰值只会出现在结构建造过程中,且围护结构尚未完工,相比于建筑的整个生命周期,建造过程是个相对较短的时间,在这个过程中遭遇极端天气的可能性也是非常小的,所以我们的分析只考虑平均高温和平均低温。

图3显示了银川地区近10年的月平均最低温和月平均最高温,数据来源于中国气象局网站。使用现有数据,拟合一条连续的设计温度曲线,包括月平均最高温和月平均最低温,其中月平均最高温发生在7月,月平均最低温发生在1月。因此该设计温度曲线最高温为30.4℃,最低温为-12.9℃。这条温度曲线提供了整年的温度变化情况。

图3 银川地区月平均高温、月平均低温、设计分析温度

3 混凝土收缩

混凝土收缩是从混凝土凝结开始一直持续贯穿混凝土整个生命周期的现象。本文根据美国混凝土协会报告ACI 209R-1992(reapproved1997)中的研究成果即ACI混凝土收缩计算公式,对本工程混凝土自由收缩变形进行模拟。

(1)

式(1)中：t表示养护后的天数,εshu=0.000 78γsh,而γsh表示非标准条件下修正系数的乘积,在本研究中此项取值为1,认为混凝土构件基本满足标准条件。

图4显示了混凝土随时间变化的收缩应变。从中可见,55%的收缩发生在混凝土浇筑的前45 d。由于采用后浇带措施,结构分析时,可不考虑这部分的混凝土收缩。

图4 混凝土自由收缩应变

4 开工时间模拟

对于高层建筑物,随着施工的推进,不同楼层混凝土楼板的施工环境温度不同。处在不同楼层的楼板的混凝土龄期不同,收缩的速率也不同。在这个项目中,我们考虑温度引起的应变以及混凝土收缩引起的应变。因此,需要考虑施工顺序对以上参数造成的影响,例如开工时间、施工速度、施工进程，这样就能够更准确地模拟不同楼层的环境条件。

对于建造开始的时间,本文做两种假设：冬季开始(1月份)；夏季开始(7月份)。假设一般每层楼建设时间为15 d，后浇带封闭时间为45 d。每一层楼板的初始温度选择后浇带浇注时的温度,在此之间,近似认为楼板是自由变形的。同样,任何时间净收缩变形需要用当时的计算收缩变形减去后浇带浇注前已经发生的收缩变形。

施工模拟分析采用以上参数,每一层楼板按照一定的时间间隔考虑施工工期的收缩应变以及温度应变,最终求解一段时间后(例如2014年1、4、7、10月几个时间节点上)各楼层的应变。图5仅给出了施工起始时间在2013年1月和2013年7月的两种情况。从图中可以看出,温度应变和收缩应变的和基本上都是负的,温度最低的时候温度应变最大。两种不同情况的区别在于,出现最大应变的楼层不同：情况一出现峰值应变的楼层接近顶层,而最小的应变出现在底层；情况二则刚好相反。

图5 开工时间对各楼层应变的影响

5 温度应力分析

本文主要模拟上述两个施工顺序下的温度荷载响应。通过对每层楼板施加当量温度荷载的方式统一考虑收缩应变和季节温度应变。当量温度荷载引起的楼板应变与季节温度应变和收缩应变之和是相同的。图6-10分别显示了第2,3,10,12层以及屋面楼板的拉应力包络图。

从分析结果看,应力总体水平较低,尤其是大楼的中部,大部分的楼板区域拉应力均低于1 MPa,虽然存在局部的应力集中,例如框架柱、中部连廊附近,有些区域的峰值拉应力超过了1.5 MPa。尽管如此,拉应力水平并没有超过混凝土的抗拉强度,理论上是不会形成开裂的。

图6 2楼楼板拉应力包络图

图7 3楼楼板拉应力包络图

图8 10楼楼板拉应力包络图

图9 12楼楼板拉应力包络图

图10 屋面楼板拉应力包络图

由于基础的约束作用,二层楼面更容易出现较大的拉应力,从分析结果上看,中部连廊部分应力已经超过了混凝土极限抗拉强度。在温度荷载以及混凝土收缩共同作用下,一旦截面开裂,混凝土应力释放,而板中的钢筋承受拉力,通过计算可知,这时钢筋的拉应力大概在10～20 MPa,这么小的钢筋拉应力不会明显增加钢筋数量。

6 结 语

宁煤办公楼的分析计算,是为了研究温度变化对于钢筋混凝土楼板和建筑整体的影响, 收缩的荷

载也考虑在内。本文使用有限元分析计算了混凝土收缩以及温度变化对建筑结构的影响,其中混凝土收缩转化成当量温度荷载。不同的楼层根据施工的顺序,施加了相应的当量温度荷载。计算结果显示,楼板绝大多数区域拉应力低于1.5 MPa,因此楼板不会在温度和混凝土收缩荷载作用下产生裂缝。即使在局部区域,例如框架柱边、角部等拉应力超过了2.0 MPa,可能会引起微细裂缝,但局部板应力会随之释放。

为了减少可能由混凝土收缩或者温度变化引起的楼板裂缝,可以采取以下结构措施：尽量在环境温度低的时候浇注混凝土；在楼板的角部放射状布置构造钢筋,增加连廊部分,特别是框架柱周边的楼板厚度；所有楼板配筋应至少满足《混凝土结构设计规范(GB 50010—2002)》规定的温度收缩钢筋的要求；楼板钢筋上下双向全部拉通。通过以上措施,超长混凝土框架结构楼板的温度应力问题是可以得到解决的。

[1] ACI Committee 209. Prediction of Creep, Shrinkage and Temperature Effects in Concrete Structures[R]. Manual of Concrete Practice, 1990,Part 1, 209R 1-92．

[2] ACI Committee 224. Cracking of Concrete Members in Direct Tension[R]. Manual of Concrete Practice, 1990,Part 3, 224.2R-92.

[3] 张玉明. 考虑具体施工条件的超长混凝土结构温度应力计算[J].建筑技术,2006(1):64-66．

[4] 赵楠.超长混凝土结构温度应力分析与设计措施[J].结构工程师, 2013(12):14-18．

[5] 华旦.超长混凝土结构的温度应力分析与设计实践[J].建筑结构,2012(7):56-59．

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