顶部设缝下混凝土结构温度应力分析.pdf
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1、2 0 1 2年 第 9 期 (总 第 2 7 5 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 1 1 顶部设缝下混凝土结构温度应力分析 邵莹 ( 中铁第一勘察设计院集团有限公司 城建院,陕西 西安 7 1 0 0 4 3 ) 摘要: 主要研究顶部设缝对混凝土结构温度应力的影响。提出多种顶部设缝形式, 分析其对太阳辐射
2、引起的内外温差作用下混凝土 结构的温度应力削减, 得出较为合理的顶部设缝形式。 关键词 : 温度应力 ;顶部设缝 ;内外温差 。 中图分类号 : T U5 2 8 O 1 文献标志码 : A 文章编 号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 3 2 0 3 Th er ma l s t r e s s r ea r h oR t op pa r t i ng f or c on c r e t e s t r uc t ur e S HAO Yi n g ( C h i n a R a i l wa yF i r s t S u r v e ya n dDe
3、 s i g nI n s t i t u t eG r o u pL t d , Xi a n7 1 0 0 4 3 , C h i n a ) Abs t r a c t : S tud y f o c u s e d o n t h e r e d u c e d e ffe c t f o r t he r ma l s t r e s s o f c o n cre t e s t r u c t u r e u s i n g t o p p a r t i n g Di ffe r e n t t o p pa r t i n g f o r ma t i o ns were p
4、 r e s e n t e dt o r e d u c e t h e e ff e c t o f t h e rm a l s t r e s s i ni n t r i n s i c a n d e x t e r n a l t e mp e r a t u r efi e l d , andg o t t h eb e s t p a r t i n gf o rm a t i o n sf o r c o n c r e t e s t r u c t u r e Ke y wor d s: t h e r ma l s tre s s ; t o p p a r t i
5、n g ; intr i ns i c a nd e x t e rna l t e mpe r a t u r e fi e l d 0 引言 近年来, 国内新建建筑体量和规模 日趋扩大, 结构形式 El 益复杂 , 建筑裂缝作为一个普遍的混凝土工程质量问题也变得 越来越突出。 据有关资料统计, 国内外的混凝土工程中, 裂缝发 生率高达 1 5 - 7 0 , 其中因温度、 湿度变化及不均匀沉降等变 形引起的裂缝 占8 0 , 由温差 、 混凝土收缩等因素引起的温度 应力是混凝土结构裂缝产生的主要原因【 l 】 。 尤其是在太阳辐射 影响下, 建筑结构内部出现较大的温差, 产生较大的拉应力,
6、 导 致结构开裂, 影响结构的正常使用。 由于内外温差作用变化周期 短, 温差值相 比均匀温差值要小得多 , 因而其对整个结构的影 响没有均匀温差作用大 但是在内外温差的变化周期内, 对结 构局部影响非常大【2 】 。 目前, 考虑到结构内部温度的分布规律和 温度应力计算理论尚不成熟, 国内规范没有考虑温度作用在结 构计算中产生的影响, 仅给出结构设置温度缝距离要求, 而现 实情况中, 存在大量的工业厂房等特殊建筑, 因为设备、 工艺的 因素无法通高设缝。 针对这些特殊要求的建筑物 , 本研究尝试通 过合理的结构设缝来削减温度内力, 控制温度裂缝。 1 结构计算模型 1 1温度作 用 混凝土结
7、构在太阳辐射、 E t 气温变化和气温骤降等因素的 影响下 , 其向阳表面的温度变化较大 , 背阳表面的温度变化较 小, 结构内外温度变化是一个随机变化的复杂函数 , 在结构中 形成较大的温度梯度, 从而导致温度变形。 当温度变形的释放受 到混凝土内部纤维的约束以及外界约束时, 将会产生温度应力 , 引起温度裂缝。 计算时往往假定结构外围构件温度场是线性分 布的, 内部构件温度场是均匀分布的 3 】 。 收稿 日期 :2 0 1 2 - 0 3 - 2 9 3 2 1 2 计算模型 结构温差采用太阳辐射引起的向阳面、 背阳面、 屋顶表面 与使用空调引起的室内外温差。 太阳辐射强度是随着E t
8、气温变 化而变化, 本试验研究西安地区夏季时日气温昼夜变化下 , 太阳 辐射引起的室外温度与室内空调温度之间形成的温差变化。 由 于太阳辐射作用的特点是作用时间短, 且急剧变化, 对于使用 阶段的建筑物是短期作用, 计算结构的温度应力时可不考虑混 凝土收缩 、 徐变效应 4 1 。 五层混凝土结构 , 柱网为 7 5 mx 7 5 11 1 , 纵向为 9跨 , 横 向为 4跨 , 纵向长度达 6 7 5 m, 板厚度为 2 4 0 mm, 柱截面尺 寸为 6 0 0 mmx 6 0 0 mm, 混凝土采用 C 4 0 , 层高为 4 8 m, 混凝土 线膨胀系数为 1 0 x l 0 。 太
9、阳辐射强度是随着日气温变化而变化, 查阅GB 5 0 0 4 5 - - 9 5 民用建筑热工设计规程 , 计算西安地区夏季时日气温昼夜变 化作用下结构的室内外温度, 见表 l 。 表 1 西安地 区夏季屋面和柱体 室外温度值 对各时刻模型的顶层屋面板和边跨柱体 , 沿各 自截面厚度, 分析温度分布, 如图 1 、 2 所示。 由图 1 、 2 可以发现: 屋面板内外表面温差在 1 2时达到最大, 为 2 4 3, l 5时为 2 0 9, 9时为 1 6 _3, 6时和 l 8时较小。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 70 60 5 0 赠 4 0 3O 2
10、0 7 0 60 5 o 赠 4 0 3 0 2 0 0 0 0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 屋 面板 厚度 ram 图 1 沿屋面板厚度温度分布 柱体厚 度 mm 图 2 沿南面柱体厚度温度分布 南面边跨柱体内外表面温差在 1 2时和 1 5时达到最大, 为 2 5 左右 , 其他时刻各朝向边跨柱体温差较小, 为 7 1 6之间。 可 以看出: 屋面板、 南面边跨柱体, 受外界太阳辐射影响最大 , 构 件内部温度分布很不均匀 , 温差较大。 在 1 2时, 结构构件 内外 表面 温差 达到最大 , 1 5时次之 , 其 他时刻较小 。 可认为在 1 2时 结构的顶层和边跨柱部分,
11、 将会出现较大的温度内力 , 此时结构 的内力达到最大。 因此, 选择 1 2时的温度场作为结构的温度荷 载, 计算结构温度应力。 1 3顶部设 缝 混凝土结构的裂缝产生是一个复杂的过程 , 受到混凝土材 料及外加剂的稳定性 、 养护方法 、 环境温湿度等综合因素的影 响【5 J , 环境温度是工程裂缝控制中较为复杂、 试验研究较少的重 要因素。 混凝土材料的水化热、 外界环境温湿度变化包括太阳辐 射等引起的材料收缩变形、 膨胀变形没有详细的技术规范和程 序来约束 , 一般简单以设置永久性的温度伸缩缝来解决变形效 应问题。 永久性伸缩缝一般贯穿结构全高, 削弱了结构整体性, 且常常在设缝处出现
12、渗漏水 , 成为结构防水的难点, 无法满足 一 些设备及工艺的特殊要求。 根据内外温差作用特点, 采用仅在 部分层结构设缝 , 在部分影响使用功能及结构整体性的条件下, 大幅度削减整体结构的温度作用 , 控制温度变形。 部分层设缝做法主要有: 双柱设缝做法 ; 单柱牛腿做 法 , 如图 3 所示 。 l f l 7 _ ( ( a ) 顶部 双柱设 缝 ( b ) 顶 部牛腿 设缝 图 3 顶部设缝做法 部分层设缝仅影响数层 , 设缝方式灵活 , 且无需三缝合一, 对建筑功能需求及建筑立面处理影响有限。 可避开有特殊工艺 要求的设备层 , 利用建筑中庭或楼面狭窄部位设缝 , 将结构设 缝的不利
13、影响降到最小。 在顶层或者顶部部分层设缝, 通过伸缩 缝释放能量和约束应力, 在控制整体结构温度变形的同时, 使结 构内力分布趋于均匀 , 降低了结构顶部过多的温度应力, 达到 结构正常使用的极限内力范围, 从而使得结构设计经济合理。 这种在温度应力集中处局部设缝的方法也符合工程裂缝控制 的原则“ 抗放兼施” 。 顶层设缝的要求为 : 由结构长度、 结构侧向刚度及环境 温差等因素综合确定在结构顶层或顶部部分层设置一道或数 道温度伸缩缝; 结构设缝需要满足温度伸缩变形的要求。 1 4 不同设缝形式计算结果分析 采用不同的设缝方式建立相应的结构计算模型, 对结构的 温度变形及温度应力进行比较分析,
14、 设缝形式见表 2 , 结构内力 和变形结果分析见图 4 7 。 表 2 部分 层设缝结构形式 曰 : 一 一 : : 。 一 1 2 3 4 5 6 分缝 形式 图 4 各层设缝形式结构侧移 比较 日 、 氇 岳 分缝 形式 图 5 各层设缝形式柱 中拉应力比较 3 0 1 0 1 2 3 4 5 6 分 缝形式 图 6各层设缝形式柱 中剪应 力比较 在纵向平面内设置设缝对结构的横向位移和竖向位移几 乎没有影响。 底层设缝和一、 二层设缝对结构的纵向侧移几乎没 有作用 , 五层 1 道设缝和四、 五层 1 道设缝时, 设缝效果显著, 这两种设缝方式对结构的纵向变形影响幅度相近 , 达到底层到
15、 顶层贯通设缝效果的 8 0 。 对于板和柱的内力, 底层设缝和一、 33 2 O 8 6 4 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 日 、 岳 蝤 分缝形 式 图 7 各层设缝形式板 中应力 比较 二层设缝几乎没有作用 , 五层 1 道设缝和四、 五层 1 道设缝与 底层到顶层 1 道设缝影响幅度相近, 设缝效果十分显著。 可以得出: 太阳辐射引起的内外温差作用下, 在底部几层 设置设缝对结构的温度应力和温度变形几乎没有影响, 而对于 单层 1 道设缝, 在顶层设缝和顶部几层设缝与底层到顶层贯通 设缝效果相近, 因此本文建议: 为了抵抗内外温差下混凝土结 构的温
16、度内力, 只需在顶部几层设置设缝, 底部几层不用设缝。 1 5 不同结构长度计算结果分析 取表 9 共 1 0种设缝形式, 分别采用 3 层横向4跨纵向 1 5 跨 ( 纵向长度 1 1 2 5 m) 、 2 1 跨( 纵向长度 1 5 7 5 m) 、 2 7跨( 纵向长 度 2 0 2 5 m) 的混凝土结构, 其他结构参数相同, 建立相应的结 构计算模型, 对结构的温度变形及温度应力进行比较分析, 设缝 形式见表 3 , 结构内力和变形结果分析见图8 1 3 。 表 3顶部设缝结构形式 分缝形 式 图 8 不 同设缝形式结构纵 向侧移 比较 分缝 形式 图 9 不同设缝形式柱 中拉应力比
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