混凝土收缩徐变对超长结构温度应力的影响分析

黄长鑫

（青岛隆岳置业有限公司，山东 青岛 266000）

1 引言

结构中的温度应力分析问题较为复杂，当前的设计规范中针对此问题给出的多为构造措施，并不能很好地解决实际工程中大体量、超长结构遇到的问题。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[1]，当发生可能危及结构安全或正常使用的温度作用效应时，宜进行间接作用分析，但规范对于具体如何分析未给出说明。

为此，本文结合某工程算例，探究了混凝土收缩徐变对温度应力的影响并给出了合理建议，以期为实际工程中超长、大体量工程的结构设计提供借鉴。

2 分析案例概况

本文对某实际工程进行了简化处理，建立了一个主楼带裙房的框架-剪力墙结构作为分析对象。其中，主楼15 层，裙房5 层，无地下室，有空调采暖，各层层高均为4 m。柱网尺寸8 m×8 m，主梁截面为400 mm×700 mm；柱截面为800 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 200 mm、板厚200 mm，剪力墙厚度300 mm；梁、板、墙、柱混凝土强度均为C30。

算例的整体模型如图1 所示。计算软件采用MIDAS GEN V800。

图1 计算模型简图

3 混凝土的收缩

根据目前研究的结果，混凝土的收缩应变与以下影响因素有关：混凝土龄期、混凝土强度等级、尺寸效应、所处环境的相对湿度、所用水泥品质、用量等[2]。由CEB-FIP MC90 提出的混凝土龄期t时刻的收缩应变εcs（t）的计算公式，得到混凝土的收缩应变龄期曲线，如图2 所示。

图2 混凝土收缩应变龄期曲线

从图2 曲线可知：（1）混凝土早期收缩应变速率快，设置后浇带十分重要；（2）收缩效应不可忽视，应尽量使混凝土低温入模合拢、并保持温度和适当的湿度，从而减小负温差效应；（3）收缩效应前期（0～3 a）增长快，3 年以后逐渐趋于稳定，在结构设计龄期内持续变形。

4 混凝土的徐变

混凝土的徐变与应力及时间相关，其变形的与作用的应力同向。根据CEB-FIP MC90 给出混凝土作用持续时间t时刻的徐变的计算公式，计算得到算例中混凝土构件徐变系数的时间曲线，如图3 所示。

图3 混凝土徐变系数时间曲线

从图3 曲线中可知：（1）徐变效应前期（0～3 a）增长速率快；（2）徐变效应3 年以后趋于稳定，在结构设计龄期内持续变形；（3）设计模拟时，由于前期徐变速率快，施工阶段模拟时时间步长选择3～7 d 为宜；进入使用阶段后，徐变的变化速率降低，其迭代步长选择30～90 d 为宜。

5 计算分析结果

为研究混凝土收缩徐变和施工过程模拟对结构温度应力的影响，本文利用MIDAS GEN V800 软件对算例建立了两个有限元分析模型。模型①不考虑混凝土收缩徐变，考虑施工过程逐层施加温差，模型②考虑混凝土收缩徐变，考虑施工过程逐层施加温差。各模型在温度作用下的变形及内力如图4～图6 所示，各模型主要计算结果见表1。

表1 模型主要计算结果

图4 温度作用下变形图

图5 温度作用下构件弯矩图

图6 温度作用下边框架柱弯矩图（单位：kN·m）

模型①、②结果对比可知：（1）考虑混凝土收缩徐变效应后，结构整体变形趋势未发生较大变化，最大位移仍发生在裙房框架柱跨中，但结构最大位移增大；（2）同时结构柱底反力减小；从边框架柱的弯矩图可看出，考虑混凝土收缩徐变后，边框架柱底弯矩减小，柱顶弯矩增大，弯矩值整体上有所降低。

6 结语

本文结合某工程算例，较为详细地对影响结构温度应力的关键因素进行了探讨，得到以下结论：

1）混凝土施工阶段收缩应变变化速率快，对于大体量及超长结构来说，需采取设置温度后浇带，混凝土低温入模，减小浇筑过程中混凝土温度和湿度的变化等构造措施来减小混凝土的收缩应力。

2）混凝土施工阶段的徐变变化速率快，进入使用阶段后徐变变化趋于稳定；设计模拟时，由于前期徐变速率快，施工阶段模拟时时间步长选择3～7 d 为宜，进入使用阶段后，徐变的变化速率降低，其迭代步长选择30～90 d 为宜。

3）混凝土的收缩和徐变效应可以起到降低温度应力峰值的作用，使应力分布更为均匀。因此，在温度应力的计算过程中，尤其对于大体积及超长混凝土结构而言，考虑混凝土的收缩和徐变性能，对优化结构布置、节约钢筋含量起到一定作用。