平面超长结构温度应力分析

周斌 陈厚飞 沈远戈

摘要：因建筑立面需要，有些平面超长的混凝土结构要求不能设置伸缩缝，这就要求我们在结构计算时应考虑温度作用参与荷载组合，并利用计算结果进行设计。本文重点介绍超长结构温度分析和减小温度效应的构造措施，防止因温度作用而导致结构出现大量裂缝甚至破坏。

关键词：超长结构；温度应力分析；PMSAP

1.工程概况

拟建项目位于新疆某地，为一大型城市规划展览馆。地块面积约5.89万平方米，总建筑面积约1.79万平方米。地上3层，无地下室，其中一层层高6.8米，二层层高6米，三层层高9米，屋顶为钢结构造型，项目整体结构模型如图一所示。一层为主要为展览空间，以及设备用房；二层为办公区；三层为演播厅及城市模型展区。一层平面尺寸约为120mx83m，二层平面尺寸约为102mx79m，三层平面尺寸约为88mx40m，屋面平面尺寸约为93mx40m，建筑中间设计一个15.6mx16.6m的大开洞中厅，整体结构属于超长结构。本工程为框架结构，结构安全等级为二级，设计合理使用年限为50年，位于七度抗震区，设计基本地震加速度0.10g，建筑抗震设防类别为乙类，框架抗震等级为二级，大跨度框架抗震等级为一级，梁板柱混凝土强度为C35。

2、超长结构温度分析

2.1确定设计温差

根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的规定，取结构合拢温度为基本温度[1]，混凝土结构合拢温度取后浇带封闭时的月平均气温，根据气象资料，当地最高月平均气温为24.8℃，最低月平均气温為-9.6℃，本工程以降温起控制作用，结构最大季节负温差取月最低平均气温减去结构合拢时平均气温，由于无法明确后浇带封闭的时间，故按最不利考虑，取最高月平均气温为结构合拢时的平均温度，则结构最大季节温差

除了降温作用使结构产生收缩外，混凝土本身的收缩也会使结构产生拉应力。通常认为后浇带浇筑时，混凝土的收缩应变已经完成80%，则残余应变相当于降温作用的-4℃[2]，所以全部降温作用的温差为-38.4℃，设计温差取-39℃。

2.2考虑收缩徐变的砼构件刚度折减系数取值

因温度应力分析采用的是瞬态弹性方法，为考虑混凝土的徐变应力松弛，混凝土徐变松弛折减系数可取为0.3[3]；为考虑混凝土开裂引起刚度退化，混凝土构件的刚度可以乘以折减系数0.85[4]。故考虑收缩徐变的砼构件刚度折减系数可取0.255（0.85x0.3=0.255）。

2.3温度荷载综合组合系数

根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的规定，温度作用的组合值系数可取0.6[1]，温度作用为可变荷载，其分项系数为1.4，故温度荷载综合组合系数（组合值系数与分项系数的乘积）可取为0.84。

2.4利用PMSAP软件对结构进行考虑温度荷载的整体分析

本工程采用PKPM软件建模，采用SATWE对结构进行整体分析，采用PMSAP对结构进行考虑温度荷载的整体分析，根据计算结果进行配筋设计并采取相应的降低温度应力的构造措施。

利用PMSAP软件进行计算前，首先进入SPASCAD空间结构建模将PM模型导入，形成整体空间模型；接着进行节点温差荷载布置，布置设计温差-39℃；对结构计算参数进行修改，在温度荷载参数选项中，砼构件温度效应折减系数取0.3，砼弹性模量折减系数取0.85，温度荷载综合组合系数取0.84。因温度作用要考虑楼板的内力与变形，需将全楼楼板定义为弹性模。

利用PMSAP对结构进行整体分析，在降温作用下结构的变形如图2所示，可以看出下面两层变形最明显，底层和一层柱整体向中间变形，底层梁板发生弯曲变形；由于中厅大开洞，降温作用对上面楼层的影响不大。

2.5考虑温度作用和不考虑温度作用的计算结果对比

1）柱配筋对比

考虑温度作用底层最外边的框架柱配筋均比不考虑时增大较多，以底层右上角的角柱为例：考虑温度作用的柱X、Y向计算配筋面积分别为4400、5800，而不考虑时分别为2600、3500，分别增加了69.2%和65.7%。

2）梁配筋对比

本工程以8轴为对称轴，底层考虑温度作用时，框架梁靠近8轴的一端的支座筋均比不考虑时增加较多，结构两侧比中间的增幅大，梁顶部通长筋和底筋均比不考虑时增大，以右上角的X向边跨为例：考虑温度作用左支座上部、右支座上部、梁底部计算配筋面积分别为4300、1900、2400，而不考虑时分别为2500、2100、1800，分别增加了72.0%、-10.5%、33.3%；考虑温度作用时上部通长钢筋计算面积为900，不考虑时为按规范要求设置；考虑温度作用的梁箍筋计算面积为G0.9-0.6，而不考虑时为G0.7-0.5。

3）板配筋对比

从考虑温度作用的板的配筋计算结果可以看出，楼板中间的应力大于两端，大部分楼板配筋均由温度作用起控制，以中间板跨的一块板为例：楼板板厚140，不考虑温度作用时，板配筋由最小配筋率控制，每延米的配筋面积为280，而考虑温度作用时，板底X、Y向分别为530、500，板顶跨中X、Y向分别为420、370，板顶支座X、Y向分别为550、460，均比不考虑时大幅增加。

通过大量的数据对比可以发现，不考虑温度作用的计算结果是偏不安全的，超长结构设计时应考虑温度作用。

2.6温度效应的抵抗措施和减小温度效应的构造措施

1）结构设计采取抵抗的原则和承受温度效应的影响。梁柱配筋应根据考虑温度作用的计算结果和不考虑的计算结果进行包络设计，并适当加大外围三四跨的柱配筋；板配筋按双层双向拉通布置并按考虑温度应力的计算结果进行配筋，设计时钢筋间距可适当减少以防止裂缝出现，楼板两端各两跨配筋率按0.25%控制。

2）为减少建筑超长带来的混凝土收缩和温度应力等对结构的不利影响，每隔40米左右设800mm宽的抗收缩温度应力后浇带，后浇带应在其两侧结构施工完成两个月后，采用比相应构件部位混凝土强度等级高一级的微膨胀混凝土进行补浇，后浇带封闭时间尽量避开月平均气温较高的几个月，这样可以有效的减小温差，降低温度作用。

3）采用收缩少的水泥、减少水泥用量，减少水灰比，优化骨料级配，采用湿热养护等措施以减少混凝土的收缩徐变。

3、结论

本文从实际项目出发，阐述了设计温差的确定、考虑收缩徐变的砼构件刚度折减系数的取值、温度荷载综合组合系数，并利用PMSAP软件对超长结构进行温度利用PMSAP软件对结构进行考虑温度荷载的整体分析，得到了可靠的计算结果，为超长结构的设计提供了依据。

参考文献：

[1]建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]卢云军，胡世强，李江波，等.义乌之心城市生活广场超长商业结构关键问题分析[J].建筑结构，2017，47（11）：101-105.

[3]张坚，徐以纬，虞炜等.某超长混凝土结构温差效应分析及构造措施[J].建筑结构，2011，41（1）：63-66.

[4]徐培福，傅学怡，王翠坤.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

作者简介：

1.周斌；台州市城乡规划设计研究院；目前职称：工程师；出生日期：1986.01.

2.陈厚飞；浙江省工业设计研究院；目前职称：工程师；出生日期：1984.10.

3.沈远戈；山东省建筑设计研究院；目前职称：工程师；出生日期：1984.03.