超长混凝土框架结构的温差效应分析.pdf
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1、一 。基 。 第 4 5 卷 第 9 期 2 0 14 年 9 月 V o 14 5 N o 9 S e p t 2 0 1 4 超长混凝土框架结构的温差效应分析 刘 涛,高 桐,杨维毅 ( 潍坊市建筑设计研究院有限责任公司, 2 0 1 6 2 1 ,山东潍坊) 摘要:结合工程实例, 确定某超长混凝土框架结构在温差作用下的温度荷载, 利用有限元方法分析该结 构在温差作用下的收缩效应, 获得本工程的温度应力分布规律及数值并提出有针对性的加强措施。 关键词:超长建筑; 温差效应; 温度应力; 裂缝 中图分类号: T U 3 7 5 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 0 4 7 2 6
2、( 2 0 1 4 ) 0 9 0 8 1 8 0 4 ANALYS I S OF TE lERATURE VARL 【 1 oN EF FECT S ON AN oVERLoNG CoNCRl E S TRUCTURE L I U T a o,GAO T o n g , Y ANG We i- y i ( We i f a n g Ar c h i t e c t u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ,L t d ,2 0 1 6 2 1 , We i f a n g ,S h a n d o n g ,C h
3、i n a ) Ab s t r a c t : I n c o mb i n a t i o n wi t h p r a c t i c a l d e s i g n, t h e t e mp e r a t u r e l o a d o f a n o v e r l o n g c o n c r e t e f r a me s t r u c t u r e i s e n s u r e d; a l s o t e mp e r a t u r e a n d s h rin k a g e e f f e c t s o f t h e s t ru c t u r e
4、 we r e a n a l y z e d b y u s i n g f i n i t e e l e me n t me t h o d Th e d i s t rib u t i o n o f t e mp e r a t u r e s t r e s s a n d t h e v a l u e wa s o b t a i n e d Ta r g e t e d me a s u r e s we r e i n t r o d u c e d Ke y wo r d s : o v e r l o n g s t r u c t u r e;t e mp e r a
5、 t u r e v a r i a t i o n e f f e c t ;t e mp e r a t u r e s t r e s s ; c r a c k 一 些大型公共建筑或工业建筑中 由于功能 、 外观 的需要或考虑结构整体陛,不允许在建筑物中间设置 温度伸缩缝, 致使结构超过规范上的伸缩缝限值, 成为 超长结构 1 。超长混凝土结构在外界及自身作用下易 产生裂缝, 会影响使用甚至危及安全。 1 工程概况 潍坊某汽车站 , 总建筑面积2 5 万 m , 地 上4 层 , 局 部地下室 , 地上总高度l 7 5 5 m( 至主要屋面) , 建筑平 面呈L 形 。 考虑地下水位较
6、高, 地下室部分不设缝, 候车办公 区中庭较多。 不宜设缝。经多方案比较 , 在地下室顶板 以上设横向抗震缝一道,将该建筑分为候车办公区及 餐饮服务区。候车办公区平面尺寸为1 2 8 9 m x 4 1 5 m, 超出规范要求较多, 属超长混凝土结构。 该汽车站采用框架结构 , 8 mx 8 m的典型柱网。二 层及以下框架柱截面为7 0 0 m m 7 0 0 m m,混凝土强度 等级为C 4 0 , 其余部分柱截面为6 0 0 m m x 6 0 0 m m, 混凝 土强度等级为C 3 0 。楼盖 与屋盖采用现浇钢筋混凝土 梁板结构 , 混凝土强度等级与柱相同。 典型框架梁截面 为3 0 0
7、 m m x 6 5 0 m m, 次梁截面2 5 0 m m x 6 0 0 m m, 典型楼 板厚1 2 0 m m。建筑平面如图1 所示。 2 设计参数 超长混凝土结构产生裂缝的原因除本身永久荷载 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 3 1 9 作者简介: 刘涛( 1 9 8 3 一 ) , 男, 山东潍坊人, 主任工程师, 硕士, e m a i l : c u mt l t 1 63 c o n ( b ) ( c ) 图1 汽车站建筑平面示意 ( a ) 一层楼面平面 ( 阴影部分为有地下室区域) ;( b ) 二层 楼面平面 ; ( c ) 三层楼面 屋顶典型平面 和活荷载外,
8、主要影响因素是温差作用( 季节温差与日 照温差) 和混凝土的收缩徐变影响。 2 1 温差取值 楼屋盖在施工和使用过程中所经受的季节温差 Z 为各月份的平均温度 与混凝土成型( 终凝) 温度 的差值 , 即 = 一 T o E 。 2 0 1 4 年 9 月 刘涛 , 等 : 某超长混凝土框架结构的温差效应分析 8 l 9 许多工程设计时不能预先确定混凝土浇筑完成的 时间, 为减小问题分析的复杂性, 使设计相对简单, 本 工程考虑两种极端情况,即后浇带封闭时间为冬季较 低气温O 和夏季最高气温3 2 时。 潍坊地 区最低气温一 1 2 , 最高气温3 6 , 最大温 差为4 8 。 根据暖通专业
9、设计要求, 夏天的室内空调设 计温度为2 6 , 北方冬季采暖的温度为1 8 c lC 。 楼面和屋面按有空调和无空调分别考虑。建筑的 屋面通常有保温隔热等措施,但按屋面和室外温度相 同的极端情况考虑。季节温差计算见表1 。 表1 季节温差计算 楼层 后浇带冬季最低气温o o c 封闭 后浇带夏季最高气温3 2 封闭 无空调 3 6 一 ( 0 ) = 3 6 无空调 - 1 2 - 3 2 = - 4 4 楼 面 有空调 2 6 一 ( O ) = 2 6 有空调 1 8 3 2 = 一 1 4 屋面 无空调 3 6 一 ( O ) = 3 6 无空调 一 1 2 3 2 = 一 4 _4
10、本工程实际施工在3 8 月 且北方均按节能6 5 要 求采取保温隔热措施, 季节温差小于表中的计算温差。 2 2 混凝土收缩当量温差 混凝土的收缩对超长结构有较大的影响,根据文 献1 ,欧洲规范E N 1 9 9 2 2 中有关混凝土干缩应变可 按下列公式计算: s c d ( ) = d s ( , ) h , o ( 1 ) 式中: ,。 为混凝土的名义无约束干缩值; 风( , t ) 为描述干缩应变与时间和理论厚度相关的系数 : 为 与构件理论厚度相关的系数;t Y j 混凝土龄期 ( d ) ;t 为干缩开始时的混凝土龄期( d ) , 通常为养护结束的时 间; ( t - t ) 为
11、混凝土养护结束后的干缩持续期( d ) 。 具体 计算可见文献I 。 结构的整体收缩应变应扣除施工过程中已发生的 收缩应变,由于计算中混凝土的收缩变形无法直接输 入模型, 一般转化为当量温差进行计算。因此, 混凝土 收缩应变的当量温差( 负号代表为降温效应) : 一 旦 : 一 曼 ( o C ) ( 2 ) l xl 0 式 中: O t 为混凝土线膨胀系数 ( 1 ) 。 综合考虑文献1 , 3 , 4 , 若温度后浇带封闭时间为6 0 d , 则 拄6 O ) : 一 1 9 7 。若温度后浇带封闭时间为 9 0 d, Ij AT ( t = 9 0 ) = 一 1 4 6 C 。 以上
12、混凝土收缩应变当量温差计算中均未考虑膨 胀温度后浇带及混凝土中掺加微量膨胀剂等影响, 考 虑各种因素及经验系数 ,取该建筑的混凝土收缩应变 的当量温差为一 1 0 。 考虑混凝土收缩应变的当量温差后的设计温差荷 载见表2 。楼面的温差按有空调的情况计算, 主要因使 用阶段一般空调系统会正常工作,同时普通楼面在墙 面保温及屋顶保温等各种保温措施作用下,室内温度 不可能长时间均与室外温度相同。 表2 设计温差取值 正温差 负温差 部位 季节温差 计算温差 季节温差 收缩温差 计算温差 楼面 2 6 2 6 1 4 一 l O - 2 4 屋面 3 6 3 6 4 4 - 1 0 - 5 4 2 3
13、 徐变应力松弛与刚度折减 季节温差和混凝土收缩是长期缓陧的过程在结 构中随时间增长混凝土发生徐变, 产生应力松弛 , 结构 中实际的应力小于完全弹性分析的结果。国内的文献 及实际应用中, 一般取徐变应力松弛系数k 为0 3 。 混凝土构件施工后在内部及表面存在许多微小裂 缝, 这些裂缝使构件有些类似弹塑陛的性质, 计算温度 应力时须考虑其影响,即对构件的刚度进行一定的折 减。 一般混凝土结构刚度折减系数可取0 8 5 , 采用预应 力I I I i i 度折减系数可取1 0 ,不同预应力度取中间值。 本工程采用少量后张拉预应力钢筋作为超长建筑的抗 裂措施之一, 因此取刚度折减系数为0 9 E引
14、 。 2 4 温差效应的计算模型 负温差时结构收缩易开裂, 且负温差比正温差大 起控制作用。 本文主要分析负温差作用下的工况 为获 得更好的研究效果, 仅考虑温差作用一种荷载工况, 不 与其他叵活荷载工况进行组合。 温差变化主要有两种情况:一是施工期间后浇带 闭合已完成而墙体砌筑尚未完成,结构整体受温度荷 载作用, 此过程主要存在于施工阶段, 持续时间相对较 短 , 可不作为控制工况 ; 二是建筑物投入使用后发生的 季节温差作用, 对结构的长期使用有较大影响, 应作为 控制工况, 此种情况下应考虑应力松弛与刚度折减。 采用E T A B S 软件整体建模分析温差效应 , 其中楼 板采用壳单元模
15、拟 , 梁柱采用框架单元模拟 。 将地下室 部分输入模型,采用弹簧单元模拟土对地下室的约束 作用。 地上部分以抗震缝为界, 仅输入超长的候车与办 公区域 3 计算结果及分析 考虑建筑物投入使用后发生的季节温差作用。取 应力松弛系数k 为0 3 , 梁板的刚度折减系数取0 9 。 则普 通楼层负 温差 为一 2 4 x 0 3 x O 9 6 5 ,屋 顶负温 差 为一 5 4 x 0 3 x O 9 = 一 1 4 6 cI= , 地下室的挡土墙、 柱及基础均 不施加温度荷载。 8 2 0 建筑技术 第 4 5 卷第 9期 3 1 结构 变形 以轴线框架为例, 从平面上看, 同一楼层中间部 分
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