大面積超長混凝土結構的溫度應力分析與設計

丁磊 沈金

(浙江大學建筑設計研究院，浙江杭州 310027)

0 引言

隨著我國城市化進度和改革開放的不斷發(fā)展，在工程建設中，不斷出現(xiàn)超長超大混凝土結構，且對結構不設縫長度的要求也越來越高。一般地，結構越長，降溫引起的收縮變形越大，約束產(chǎn)生的拉應力就越大，由此產(chǎn)生的結構裂縫就越多越寬。因而，妥善解決混凝土結構尺度較大時帶來的溫度應力問題對于不設縫或少設縫的大面積超長混凝土結構就尤為重要[1，2]。

1 工程概況

無錫市綜合交通樞紐項目位于江蘇省無錫市火車站北側(cè)，建筑面積201 262 m2(其中交通綜合體地上70 121 m2)，主樓為框架核心筒結構，綜合體為混凝土框架結構(局部為型鋼混凝土框架結構)，地上22層，地下2層，建筑高度94.250 m。地下1層和1層均為大面積超長混凝土結構。平面尺寸為378.0 m×214.2 m，柱網(wǎng)8.4 m ×8.4 m，見圖1。

由于本工程地下1層和1層結構板面積較大，且不允許設縫，為防止溫度下降和混凝土收縮引起大面積混凝土開裂，故采用后張法無粘結預應力混凝土技術以抵抗溫度應力及混凝土收縮應力。

2 溫度應力的計算

2.1 計算溫度的取值

由于自然界的復雜性，處于自然環(huán)境的建筑結構的溫度場分布的確定也是很復雜的，因此，本文的計算僅僅考慮季節(jié)溫差和日照溫差。

計算中將混凝土收縮值換算成等效溫度作用，與實際溫度荷載疊加來一并考慮。因此，混凝土收縮值計算的準確性取決于等效溫度的計算，本工程參考王鐵夢的《工程結構裂縫控制》[3]和JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[4]中關于收縮徐變的計算，將收縮徐變折算成溫度與溫度荷載一并考慮為:升溫10℃，降溫－20℃，板下無外墻與下沉式廣場相接的部位(即圖1中的方框中的結構構件)的溫度荷載考慮為:升溫25℃，降溫－35℃。

2.2 溫度荷載組合

混凝土的收縮變形只能產(chǎn)生混凝土的拉應力。與收縮應力不同，溫度應力是隨溫度的變化循環(huán)往復的，既有拉應力，也有壓應力。由于對于混凝土這種材料來說，其抗壓強度大大超過其抗拉強度，因此在工程中我們通常只考慮當溫度下降時引起的混凝土拉應力。故最不利工況為降溫與混凝土收縮共同參與組合的工況。在結構計算中共考慮了3種荷載工況，即升溫(T1)、降溫(T2)、預應力(Y)?？紤]的荷載組合為:0.3T1+1.0Y，0.3T2+1.0Y。其中系數(shù)0.3是考慮了混凝土徐變、設置后澆帶、膨脹劑以及混凝土養(yǎng)護等對減小混凝土中拉應力的有利作用后而取的折減系數(shù)。

2.3 有限元模型

對本工程而言，結構平面比較復雜，各部位板塊的受約束情況均不相同，因此各部位的溫度應力也不相同，即使同一塊板上，由于各個部位的混凝土變形相互制約，溫度應力也不相同。要詳細計算某個部位的溫度應力，必須借助于有限元分析軟件。

本工程利用有限元計算軟件SAP2000和ANSYS分別對地下1層和1層結構的溫度應力進行分析。

由CAD建立整體模型，通過文件轉(zhuǎn)換導入SAP2000和ANSYS分別計算，混凝土板及剪力墻均采用Shell(或Shell181)單元進行模擬，其余梁柱結構構件采用Frame(或Beam188)單元進行模擬。

3 計算結果及分析

3.1 SAP2000的計算結果及分析

限于篇幅，本文僅列出本工程的地下1層結構的分析結果。SAP2000中地下1層的溫度應力及混凝土收縮應力結果如下，不考慮普通鋼筋作用。

圖2，圖3為地下1層分別在升溫工況(T1)、降溫工況(T2)下的樓板的最大Von-Mises應力。從圖2中可以看出當溫度上升時往往以混凝土壓應力為主，而從圖3的結果，我們不難發(fā)現(xiàn)當溫度下降時引起的混凝土拉應力較大，且面積越大、長度越長、拉應力值越大，且外墻位置的拉應力較大。本工程的降溫工況下的拉應力接近9 MPa。

圖4，圖5分別為地下1層在降溫工況(T2)下的樓板X向最大應力和Y向最大應力。

鑒于降溫產(chǎn)生較大拉應力，故對其采用后張法無粘結預應力混凝土技術[2，5]，梁、墻中的張拉預應力取 0.75fptk，板中的張拉預應力取0.70fptk，施加的預壓應力控制值為1.8 MPa左右，其中預應力損失20%。

圖6～圖8分別為地下1層在工況(0.3T2+1.0Y)下的樓板最大Von-Mises應力、X向最大應力、Y向最大應力。從圖中可以看出施加了預應力以后整個混凝土樓板的拉應力已經(jīng)小于規(guī)范規(guī)定的C40的1.71 N/mm2的設計值。

圖9，圖10分別為600厚地下室外墻Q1，Q2在降溫工況(T2)下的樓板X向最大應力?？梢钥闯鰷囟冉档?，在外墻的X向產(chǎn)生較大的拉應力。圖11為外墻在工況(0.3T2+1.0Y)下的樓板X向最大應力。可以看出施加了預應力以后整個混凝土樓板的拉應力已經(jīng)小于規(guī)范規(guī)定的C40的1.71 N/mm 的設計值。

3.2 ANSYS的計算結果及分析

預應力的施加是否足夠，關鍵在于溫度應力的計算是否準確。為此有必要利用ANSYS對于SAP2000的溫度應力計算進行驗算。

圖12為地下1層在降溫工況(T2)下的樓板最大Von-Mises應力，從中可以看出地下1層大部分的混凝土樓板的應力基本在4 MPa～6 MPa之間，計算結果相似，只是ANSYS更為精確，但是SAP2000的結果已經(jīng)足夠用于結構設計了。

圖13，圖14分別為地下1層在降溫工況(T2)下的樓板X向最大應力、Y向最大應力，從中可以看出地下1層X向的拉應力要略大于Y向。其結果與SAP2000計算結果相似，但是由ANSYS可以看出在梁及梁左右的板帶拉應力略大的結果，故施工圖中在梁中另外配置了預應力筋。

4 結語

1)豎向結構對混凝土板自由變形的約束，是板內(nèi)產(chǎn)生收縮及溫度應力的主要原因。豎向結構剛度越大，尤其是端部的剪力墻剛度越大，對混凝土板的約束作用越大，板內(nèi)殘余的溫度應力和收縮應力就越大。

2)對于不設縫或少設縫的大面積超長混凝土結構采用無粘結預應力技術可以較好地控制溫度應力和混凝土收縮應力產(chǎn)生的裂縫。

3)預應力施加多大合適，對于設計人員可以運用SAP2000或ANSYS進行結構的應力分析，根據(jù)分析結果配置合適的預應力筋數(shù)量。

[1] 馮 健，呂志濤，吳志彬，等.超長混凝土結構的研究與應用[J].建筑結構學報，2001，22(6):14-19.

[2] 郝志軍.超長混凝土樓蓋收縮溫度應力與無粘結預應力配筋分析[J].建筑技術開發(fā)，2003，30(5):15-17，37.

[3] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[4] JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[5] JGJ 92-2004，無粘結預應力混凝土結構技術規(guī)程[S].