U型槽用于超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力優(yōu)化

譚 燕，韓 宇，高俊濤

U型槽用于超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力優(yōu)化

譚 燕1，韓 宇1，高俊濤2

（1湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430068；2中國(guó)葛洲壩集團(tuán)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，湖北武漢430033）

針對(duì)超長(zhǎng)超寬的地下室結(jié)構(gòu)中樓板的溫度應(yīng)力以及溫度應(yīng)力對(duì)邊柱影響，采用降板（即U型槽式）做法，利用MIDAS／GEN軟件分析超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力。與不設(shè)縫模型相比，設(shè)縫模型由降溫產(chǎn)生的柱水平力減小了70%左右，降板模型由溫度應(yīng)力產(chǎn)生的柱水平力減少了50%左右；同時(shí)得到頂板在降板模型下溫度應(yīng)力比不設(shè)縫模型降低了50%左右，結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)得以改進(jìn)，優(yōu)化了溫度應(yīng)力。U型槽在工程實(shí)例中得到應(yīng)用，取得了很好的效果。

超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)；溫度應(yīng)力；有限元；伸縮縫

超長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)指結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度超過(guò)了規(guī)范所規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距的結(jié)構(gòu)［1］。在實(shí)際工程中，雖然伸縮縫的設(shè)置可以有效降低溫度應(yīng)力，但會(huì)對(duì)建筑的外觀效果、防水和保溫等方面產(chǎn)生影響［2，3］。本文采用降板模型（即U型槽式），既能滿足建筑要求，又能考慮溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

利用有限元軟件MIDAS／GEN，對(duì)地下室邊柱所受水平力進(jìn)行分析，邊柱水平力雖不等同于樓板的溫度應(yīng)力，但與樓板溫度應(yīng)力是成比例的，降低了邊柱的水平力，相當(dāng)于降低了樓板的溫度應(yīng)力。因此利用U型槽式的降板做法，降低樓板的溫度應(yīng)力，地下室邊柱的截面和配筋也相應(yīng)減少。既節(jié)省了材料，地下車(chē)庫(kù)的布置更合理，同時(shí)又能滿足溫度應(yīng)力的要求，有效降低樓板產(chǎn)生裂縫的概率。

1 溫差及溫度應(yīng)力對(duì)混凝土影響

1.1 氣溫變化分類(lèi)

混凝土結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部各點(diǎn)的溫度與太陽(yáng)輻射、氣溫的改變以及結(jié)構(gòu)所處的地理位置、地貌條件、結(jié)構(gòu)方位和朝向等有關(guān)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和外表面直接存在著以輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)等方式與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)較為復(fù)雜［4－5］。在工程中，可將溫度荷載分為以下幾種情況：1）日溫差作用，即一天之內(nèi)氣溫最高值與最低值之差；2）驟然降溫溫度變化，主要是工程結(jié)構(gòu)遇冷空氣侵襲，導(dǎo)致外表面迅速降溫，結(jié)構(gòu)形成較大內(nèi)外差；3）年溫差變化，它是長(zhǎng)期的緩慢作用，使得結(jié)構(gòu)整體發(fā)生均勻的溫度變化，產(chǎn)生較大的整體位移，計(jì)算時(shí)以平均溫度為零的參考溫度，以最高與最低月平均溫度的變化值作年溫度變化；4）人為溫度變化，建筑結(jié)構(gòu)因工藝要求迅速降溫或升溫［6－7］。

從工程應(yīng)用的角度考慮，結(jié)構(gòu)降溫所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力影響更大，不論在南方北方，降溫是引起混凝土表面裂縫的重要因素。因此，本文主要研究的是結(jié)構(gòu)在降溫情況下溫度應(yīng)力的變化。

1.2 溫度應(yīng)力對(duì)混凝土影響

溫度應(yīng)力對(duì)建筑物主要影響在兩個(gè)方面：長(zhǎng)度方向和高度方向。長(zhǎng)度方向上，建筑長(zhǎng)度越長(zhǎng)，樓板等縱向連續(xù)構(gòu)件由收縮和溫度變化引起的改變?cè)酱?。通常這些構(gòu)件會(huì)受到拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力，同樣豎向也會(huì)相應(yīng)受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用。在超長(zhǎng)混凝土地下室中，溫度應(yīng)力的危害更加明顯［8－10］。本文選取地下室部分進(jìn)行研究，分析數(shù)據(jù)與工程實(shí)例吻合，對(duì)超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很大的應(yīng)用意義。

2 模型建立

2.1 工程實(shí)例

該模型依托湖北省潛江市某綜合辦公大樓，模型平面尺寸為420.0m×180.6m。地下室高5.4m，地上13層。截取超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的地下室為研究對(duì)象（圖1）。由圖1可見(jiàn)，該工程地下室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂板長(zhǎng)度明顯超出設(shè)縫長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 地下室結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)溫度應(yīng)力的作用及裂縫產(chǎn)生情況，本文設(shè)置了三種模型驗(yàn)算溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。模型1，不設(shè)伸縮縫；模型2，利用結(jié)構(gòu)雙柱設(shè)置伸縮縫；模型3，降板（即做成U型槽式）。三種模型雙柱部分見(jiàn)圖2。

圖2 三種模型雙柱圖

2.3 溫度場(chǎng)的確定

使用階段的混凝土結(jié)構(gòu)，在不同情況下，結(jié)構(gòu)所承受的溫度應(yīng)力均不相同，對(duì)于計(jì)算參考溫度，如果在整體結(jié)構(gòu)中收縮和膨脹區(qū)域都存在，由于膨脹和收縮作用相互抵消，將降低由溫差引起的整體結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和應(yīng)變［7］。所以在計(jì)算時(shí)考慮的是結(jié)構(gòu)的不利情況，使整體結(jié)構(gòu)溫度均勻變化。本文三種模型的溫度變化均為±15℃。

3 計(jì)算分析

將處理后的模型導(dǎo)入MIDAS／GEN中，如圖1所示的地下室頂板，重新添加厚度為200mm頂板，導(dǎo)入恒荷載6.5kN／m2，活荷載3.5kN／m2［1］。為了實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)均勻降溫，本文在溫度荷載的布置中選擇節(jié)點(diǎn)降溫，在地下室頂板的每個(gè)節(jié)點(diǎn)布置溫度差，得到了三種模型的地下室邊柱的水平溫度應(yīng)力，截取中間具有代表性邊柱，具體比較見(jiàn)圖3、圖4和圖5。表1為三種模型相同邊柱由溫度變化產(chǎn)生的水平力的對(duì)比。

圖3 初始模型降溫邊柱應(yīng)力圖

圖4 設(shè)縫模型降溫邊柱應(yīng)力圖

圖5 降板模型降溫邊柱應(yīng)力圖

3.1 數(shù)據(jù)分析

從表1中可得到，與初始模型相比，設(shè)縫模型由降溫產(chǎn)生的柱水平力減小了70%左右；降板模型由溫度應(yīng)力產(chǎn)生的柱水平力減少了50%左右。在超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu)中，如果設(shè)置很多伸縮縫會(huì)對(duì)建筑自身產(chǎn)生較大影響，而采用U型槽式的降板構(gòu)造，則既能滿足建筑需求，例如防水、保溫、外觀設(shè)計(jì)的完好，又能有效減少由溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，不致于出現(xiàn)急降溫情況下產(chǎn)生的溫度裂縫，是超常地下室結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的兩全解決模式。

表1 溫度應(yīng)力對(duì)邊柱產(chǎn)生的水平力對(duì)比

3.2 溫度應(yīng)力云圖

前文提到，在研究樓板溫度應(yīng)力時(shí)，主要研究的是邊柱所產(chǎn)生的水平力，因?yàn)檫呏搅﹄m然不等于樓板溫度應(yīng)力，但與樓板溫度應(yīng)力是成比例的，有效降低邊柱溫度應(yīng)力產(chǎn)生的水平力即可降低樓板的溫度應(yīng)力，為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，利用MIDAS導(dǎo)出頂板在X方向的溫度應(yīng)力云圖。圖6和圖7分別表示初始狀態(tài)和降板狀態(tài)頂板X(qián)方向溫度應(yīng)力云圖及數(shù)值大小。

圖6 初始狀態(tài)頂板X(qián)方向溫度應(yīng)力云圖及數(shù)值

圖7 降板狀態(tài)頂板X(qián)方向溫度應(yīng)力云圖及數(shù)值

從圖7中可清楚看出頂板在初始模型狀態(tài)下的溫度應(yīng)力最大值為1.51908×104kN／m2，降板狀態(tài)即使用凹形槽模型下溫度應(yīng)力最大值為7.35890×103kN／m2，在降板模型下頂板溫度應(yīng)力比初始模型降低了50%左右，通過(guò)數(shù)據(jù)得出邊柱水平應(yīng)力和樓板溫度應(yīng)力雖不等同，但以點(diǎn)代面研究頂板溫度應(yīng)力是完全可行的。

4 結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)外建筑水平的不斷提高，超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu)普遍存在，全地下室設(shè)縫不滿足規(guī)范要求。利用MIDAS／GEN軟件，通過(guò)對(duì)邊柱水平力及頂板溫度應(yīng)力云圖的分析，得出U型槽的設(shè)計(jì)可以大大降低溫度變化產(chǎn)生的頂板應(yīng)力，在很大程度上降低了樓板產(chǎn)生裂縫的概率，又能解決建筑設(shè)計(jì)時(shí)處理設(shè)縫的麻煩，使邊柱的截面和配筋有效地減少，節(jié)省了材料，地下室布置更合理，是伸縮縫的完美替代方案。U型槽的方案必將在地下室或其它超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部組織.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010－2010［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

［2］ 王強(qiáng)，尹潤(rùn)杰，劉桂玲，等.超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（5）：37－41.

［3］ 潘福婷，王艷華，蔣亞瓊.超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力及裂縫控制研究［J］.河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（1）：34－36.

［4］ 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］ 關(guān)天松.基于溫度效應(yīng)分析的超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制［D］.廣州：廣州大學(xué)，2014.

［6］ 龐培培，黃瀟，沈小璞，劉艷.超大面積和超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的有限元分析［J］.合肥：安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（10）：51－53.

［7］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

［8］ 崔志俊.超長(zhǎng)鋼筋混凝土半地下室外墻環(huán)境溫度效應(yīng)非線性分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

［9］ 吳建.超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)措施研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2011.

［10］劉思明.超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu)底板及外墻凹槽板式伸縮縫設(shè)計(jì)實(shí)例［J］.廣東土木與建筑，2006（11）：26－27.

The Temperature Stress Optimization of the U－shaped Groove Used in Super－long Basement Structure

TAN Yan1，HAN Yu1，GAO Juntao2
（1 School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 China Gezhouba Group Real Estate Corportation.Ltd.，Wuhan 430033，China）

According to temperature stresses of the floor and the detrimental effect on which it has side columns，the method of the lower plate（the U－shaped groove）is taken，MIDAS／GEN software is used to analyze super－long concrete basement temperature stress.Compared with the model without joints，horizontal forces of the columns in the model with joints reduce about 70%，those in the lower plate reduce about 50%；temperature stresses of the floor in the lower plate reduce about 50%relative to the model without joints，the seamless design is more advanced，temperature stress is optimized.The U－shaped groove has also been applied in practical project and good effect has been obtained.

super－long basement concrete structure；temperature stress；the finite element；expansion joints

TU3

A

［責(zé)任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0094－03

2016－05－20

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51408203）；湖北工業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（BSQD12060）

譚 燕（1981－），女，湖南婁底人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)講師，研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄕ駝?dòng)及減振隔振措施