超长混凝土结构温度应力影响分析

聂行

中铁上海设计院集团有限公司南昌院 江西 南昌 330000

引言

近20年来，我国经济实力的不断增长逐步推动着现代城市的高速发展，我国建筑行业也取得了长足的发展，人们对建筑使用功能、建筑美感也提出了更高的要求，大空间、大跨度的体育场馆、会展中心、城市枢纽中心等建筑应运而生。这一类大型公共建筑在综合考虑结构整体性、防水性、保温性以及不影响建筑使用功能及美观性的前提下，结构设计中通长采用少伸缩缝或不设伸缩缝的处理方式，然而根据我国《钢筋混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（2015版）中对钢筋混凝土结构中伸缩缝间距的设置要求，大型公共建筑的长度通常会超出规范限值，使得结构出现超长情况。在超长结构中，温度变化和混凝土自身收缩都会引起混凝土内部产生较大次应力，进而引起结构开裂[1]，危及结构安全及建筑美观。因此，温度应力分析在超长结构设计中已成为不容忽视的问题之一。

本文以某体育馆为研究对象，分析了考虑温度作用下，结构楼板内力的变化特点，为结构设计提出有效的技术措施。

1 项目概况

该项目房屋建筑高度为18.45m，地上四层，地下一层，为多层框架结构，嵌固端设置在地下室顶板。房屋主要有篮球馆、游泳馆、训练馆。根据建筑使用功能及房间布置，横向设有两道伸缩缝，将结构分为3部分，分别为39.7m，63.3m，41.1m。纵向不设伸缩缝，纵向长度67.7～102m，均超过规范限值，且超出值较大。中间部分屋面采用钢结构网架屋面，其余均采用混凝土屋面。结构梁、柱模型详图1。

图1 结构梁、柱模型

2 温度应力分析

2.1 温度荷载的的确定

钢筋混凝土结构主要考虑混凝土早期水化热与外部环境温差（混凝土收缩当量温差）、骤降温差、日照温差、使用冷热源温差和季节温差等五种类温度荷载型[2-5]，其中骤降温差、日照温差、使用冷热源温差一般可通过加强保温隔热措施解决，因此本文主要考虑混凝土收缩当量温差和季节温差作用下对楼板的影响。

混凝土收缩是一个长期过程，其最终收缩量与材料构成、构件大小、施工养护及环境温度等因素有关，混凝土收缩时产生的拉应力，可把后浇带封闭后的残余变形等效为结构的整体降温。研究表明混凝土龄期为120d时已完成收缩总量的70%。根据《超长混凝土结构无缝施工标准》中混凝土收缩时相对变形值的当量温度计算公式：

其中εy（t）为龄期为t时混凝土收缩影响的相对变形值，α为混凝土的线膨胀系数，取1.0×10-5。

混凝土最终收缩量εy（∞）=3.24·M1·M2·M3···M11（×10-4），综合系数M=M1·M2·M3···M11，取为1.5。该工程纵向后浇带设置间距不超过30m，要求后浇带封闭应在两侧结构完成120d后封闭，则结构设计中需考虑的残余收缩变形等效收缩降温ΔTk‘=0.3εy（∞）（×10-5）=14.58℃。

由季节温差引起的最大降温温差公式为：ΔTk=Ts,min-T0,max，其中Ts,min为结构最低平均温度，根据有关数据统计，该地最低平均气温在一月为4℃；T0,max为结构最高初始平均温度，结构主体合龙温度按10～20℃考虑，T0,max取为20℃。最大降温温差ΔTk=16℃。

当考虑混凝土收缩和季节温差的作用，综合等效降温温差ΔTstk=14.58+16=30.58℃。

2.2 混凝土徐变松弛及刚度折减

考虑到钢筋混凝土徐变应力松弛的非线性因素，实际的温差应力将小于按弹性计算的结构，计算中取徐变应力松弛系数为0.3以折减计算结构。

考虑到混凝土构件截面裂缝的影响，混凝土的弹性刚度折减系数取为0.85。

2.3 模型分析及计算结构

2.3.1 分析模型。该工程结构分析计算采用盈建科建筑结构计算模块YJK-A（5.2.1）版，计算模型做了以下处理：

（1）由于地下室与土体接触，认为地下室保持恒温，不考虑温度作用对地下室的影响。

（2）温度荷载施加于梁柱节点上，楼板选择NQ6Star单元，弹性板荷载计算方式采用有限元计算。

2.3.2 计算分析结构。

（1）楼板变形分析。降温工况下，二层楼板变形图如图2。

图2 降温工况下二层楼板变形图

从图2可以看出，结构中部变形较小，端部变形较大。这是由于温度作用及混凝土收缩产生的变形均发生在混凝土内部，中部收到约束较小，变形可以向两端发展，而端部收到边梁和边柱的约束较大，这导致了端部的较大变形，由图中可看出端部出现较大翘曲。

（2）楼板应力分析。降温工况下，各楼层Y向应力分布图如图3～图5。

图3 二层楼板应力Sig-yy分布图（N/mm2）

图4 三层楼板应力Sig-yy分布图（N/mm2）

图5 四层楼板应力Sig-yy分布图（N/mm2）

由图2～图4可知，同一楼层楼板，降温工况下楼板中部均出现较大拉应力，且应力分布出现中间大两端小的趋势，压应力集中出现在外围四周。二层混凝土斜撑处梁柱连接点均出现较大的应力集中，拉应力最大可达2.4Mpa，已超出混凝土的极限抗拉强度。三层楼板开洞处角部也出现较大拉应力，拉应力最大可达0.9Mpa。在楼板配筋时，应根据降温工况下楼板应力计算，提高拉应力较大区域的配筋率。对于楼板开洞角部位置，可将角部倒角使其圆滑过渡，减少应力集中，从而改善温度应力。

对比2～4层楼板应力Sig-yy分布图，二层楼板在降温工况下产生的拉应力最大，随着楼层增加，楼板拉应力逐渐减小，到四层时温度应力值接近零。其原因在于，二层距离地下室最近，受到嵌固端的约束最大，随着楼层增加，楼板受到的约束作用越小，温度应力也随之减少。

3 温度应力控制措施

超长结构的温度应力受诸多因素影响，如结构布置形式、施工工艺、建筑保温隔热措施等。超长结构设计中减少温度应力的措施如下：

结构布置形式宜简单规则，避免构件之间协调变形引起的内力过大，刚度较大的竖向构件宜布置在中部，减小对梁板构件的约束作用。

在混凝土材料的选用上，宜首选低水化热水泥，同时严格控制水灰比，优化混凝土配合比。

超长结构应设置后浇带，以释放混凝土早期收缩产生的应力，后浇带设置间距宜为20～30m。后浇带封闭时间可适当延后，尽可能减小后浇带封闭后的残余变形。

受温度应力影响较大的楼层，楼板应根据降温工况下应力分布配筋，楼板板顶的框中钢筋宜贯通，且其在梁端部最小铀固长度满足受拉描固要求。

4 结束语

本文采用盈建科软件对超长结构在季节温差和混凝土自身收缩作用下的楼板温度应力进行了分析，了解了超长结构楼板温度应力的分布特点，并得出以下结论：

温度荷载应根据工程所在地气象资料，并结合混凝土自身收缩的等效温差、后浇带的设置对温度应力的影响，计算出合理的温度荷载。

在降温工况下，楼板中部均出现较大拉应力，且应力分布出现中间大两端小的趋势。二层楼板在降温工况下产生的拉应力最大，随着楼层增加，楼板拉应力逐渐减小。竖向刚度较大处和楼板开洞处角部均出现较大拉应力，在这些部位均应加强结构构造措施。受温度影响较大是底层，特别是结构中部会产生较大拉应力，结构中部的梁、板配筋需加强。