某地下超长混凝土结构温度应力有限元分析

张懿韬, 鲁兆红

(1.西华大学, 四川成都 610039; 2.四川省建筑科学研究院有限公司，四川成都610081)

现在大城市对人口密集区域的绿化面积要求越来越高，中大型城市也都开始在建设城市绿色宜居新区，新建绿色环保大型综合体随之增多。同时，城市的地上发展空间逐渐减少，地下空间利用成为主流，会出现更多的地下超长混凝土结构。不设缝超长结构能够大大增强结构的整体性，也更利于后期使用。对于这类结构应该注意混凝土温度效应和收缩、徐变对结构的影响[1]。温度作用产生的变形荷载往往导致超长混凝土结构的开裂甚至失效，所以有必要对超长地下混凝土结构温度效应进行分析。本文采用Midas/Gen模拟超长双层地下室结构的顶板、中板的温度应力分布，然后对比实测进行数据分析。

1 工程概况

某地下停车场南侧，结构底板标高为-14.2m，中板顶标高为-10.1m，顶板顶标高为-5.7m，东西向宽40～70m(X向)，南北向长293.4m(Y向)，见图1。南北向远大于GB50010-2010《混凝土结构设计规范》规定的不设缝间距[2]。因此本文对该超长混凝土温度效应影响进行分析。

图1 综合换乘服务中心地上部分

2 实测与对比

本工程分为8个流水段施工，设有8条后浇带，埋设30个应变计，并设有不同编号(图2)。

图2 施工分段及应变计布置

2.1 现场应变计实测

考虑整个停车场Y向超长(293.4m)，且不设结构缝，仅留后浇带施工缝。该项目建成后，温度作用对Y向结构受力影响较大，故大部分埋设的应变计布设方向为Y向。

现阶段施工到第5流水段中板，施工现场在第5流水段中板2号、3号、4号、13号、14号、15号位置埋设了应变计(图3)，并实测了现场数据(表1、表2)。

表1 第5段Y向应力分布(升温)

图3 第5流水段应变计位置

现场采用间隔30min测一次的频率，表中：f为频率(Hz)；T为温度(℃)；△T为温差；△ε为微应变，△ε=k(f12-f02)/1000。现场楼板采用C30混凝土，故Ec=3.00×104N/mm2，△σ=△εEc。

2.2 MIDAS/Gen有限元模拟

2.2.1MIDAS/Gen设计参数

本文通过Midas/Gen对该结构在最不利温度荷载工况下进行了温度应力分析[3]。在分析过程中，对有限元模型进行了部分简化：

(1)不考虑隔墙对结构温度应力的影响，分析停车场梁、柱、板及外墙。

(2)计算仅考虑结构的温度荷载、恒载、活载及部分施工荷载。

(3)墙、板单元为板单元，梁、柱单元为杆单元。

(4)梁、板、墙用C30混凝土(弹性模量：3.00×104N/mm2,线膨胀系数：1.0×10-5/℃)，柱用C45混凝土(弹性模量：3.35×104N/mm2,线膨胀系数：1.0×10-5/℃)。

(5)温度荷载取值：升温5 ℃、10 ℃、14 ℃、14.97 ℃，最大降温7℃。

2.2.2第5流水段中板模拟结果

在施工过程中，第5流水段Y方向长40.5m，X方向45.1m。虽然X向更长，但考虑温度应力在整体结构Y方向影响更大，故采用Midas/Gen模拟温度荷载：升温5 ℃、10 ℃、14.97 ℃作用下X、Y向温度应力。

(1)升温5 ℃时，结构Y向温度应力见图4，X向温度应力见图5。

(2)升温10 ℃时，结构Y向温度应力见图6，X向温度应力见图7。

(3)升温14.97 ℃时，结构X向温度应力见图8，Y向温度应力见图9。

读取计算结果：2号、3号、4号、13号、14号、15号应变片埋设处温度应力值(表3)。

表2 第5段X向应力分布图(升温)

图5 X向温度应力(5℃)

图6 Y向温度应力(10℃)

图7 X向温度应力(10℃)

图8 Y向温度应力(14.97℃)

图9 X向温度应力(14.97℃)

表3 Midas/Gen计算结果

2.3 实测与模拟对比分析

该地下停车场南侧总长293.4m，现阶段施工到第5流水段中板，现场实测值与Midas/Gen模拟计算值变化趋势基本符合。如图10～图15所示，为各点位置模拟值与实测值的温度-应力变化。楼板在升温14.97 ℃时，最大温度压应力出现在Y向中间部分，但小于C30混凝土轴心抗拉强度设计值，不会导致Y向混凝土拉裂。

图10 2号位置

图11 3号位置

图12 4号位置

图13 13号位置

图14 14号位置

图15 3号位置

3 监测原始设备及过程

本次采用振弦式应变计来测板、墙的应力及温度(图16)。

图16 振弦式应变计

振弦式应变计是一定长度的钢弦张拉在应变计两端块之间，端块牢固置于被测构件内，结构在温度作用下变形使得两端块相对移动并导致钢弦张力变化，这种张力的变化使钢弦谐振频率改变，从而来测量构件的变形。应变计的信号激励与读数通过位于靠近钢弦的电磁线圈完成。同时，振弦式传感器本身集成有温度传感器，能够测量该位处结构温度。具体安装过程见图17，现场安装见图18。

图17 安装步骤

图18 现场安装

4 Midas/Gen模型预测计算

现实测到第3流水段顶板，故只能采用有限元在现阶段实测的基础上模拟对地下停车场结构在完工后不同阶段下的温度应力。

用Midas/Gen模拟在恒载、活载、温度和混凝土收缩徐变，地下停车场结构的温度应力的变化，并分四个阶段模型进行分析，计算结果如图19～图26所示，可以看到4个模型的温度应力分布，整体上有一个递减的趋势。

(1)模型1:停车场整体结构浇筑完成后60d，升温14 ℃，降温7 ℃(图19、图20)。

图19 模型1Y向应力分布(升温)

图20 模型1Y向应力分布(降温)

(2)模型2：停车场整体结构浇筑完成后90d，升温14 ℃，降温7 ℃(图21、图22)。

图21 模型2Y向应力分布(升温)

图22 模型2Y向应力分布(降温)

(3)模型3：停车场整体结构浇筑完成后180d，升温14 ℃，降温7 ℃(图23、图24)。

图23 模型3Y向应力分布(升温)

图24 模型3Y向应力分布(降温)

(4)模型4：停车场整体结构浇筑完成后360d，升温14 ℃，降温7 ℃(图25、图26)。

图25 模型4Y向应力分布(升温)

图26 模型4Y向应力分布(降温)

5 结论

本文以某超长地下停车场结构施工为背景，首先对该工程的特点、现场实测方案进行了介绍。对现阶段实测值及Midas/Gen有限元模拟值进行了详细对比分析，分析发现模拟值比实测值偏大，应力最大值出现在中间板和结构刚度改变较大处。采用Midas/Gen对整个地下停车场进行了计算，计算最大应力与实测值差异较小，表明预测模型能够较好的模拟施工完成后整个结构的应力状态。数值分析表明，在保证现场施工质量的情况下，温度应力对停车场结构整体性影响较小。