某地下超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力有限元分析

張懿韜, 魯兆紅

(1.西華大學, 四川成都 610039; 2.四川省建筑科學研究院有限公司，四川成都610081)

現(xiàn)在大城市對人口密集區(qū)域的綠化面積要求越來越高，中大型城市也都開始在建設城市綠色宜居新區(qū)，新建綠色環(huán)保大型綜合體隨之增多。同時，城市的地上發(fā)展空間逐漸減少，地下空間利用成為主流，會出現(xiàn)更多的地下超長混凝土結(jié)構(gòu)。不設縫超長結(jié)構(gòu)能夠大大增強結(jié)構(gòu)的整體性，也更利于后期使用。對于這類結(jié)構(gòu)應該注意混凝土溫度效應和收縮、徐變對結(jié)構(gòu)的影響[1]。溫度作用產(chǎn)生的變形荷載往往導致超長混凝土結(jié)構(gòu)的開裂甚至失效，所以有必要對超長地下混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應進行分析。本文采用Midas/Gen模擬超長雙層地下室結(jié)構(gòu)的頂板、中板的溫度應力分布，然后對比實測進行數(shù)據(jù)分析。

1 工程概況

某地下停車場南側(cè)，結(jié)構(gòu)底板標高為-14.2m，中板頂標高為-10.1m，頂板頂標高為-5.7m，東西向?qū)?0～70m(X向)，南北向長293.4m(Y向)，見圖1。南北向遠大于GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定的不設縫間距[2]。因此本文對該超長混凝土溫度效應影響進行分析。

圖1 綜合換乘服務中心地上部分

2 實測與對比

本工程分為8個流水段施工，設有8條后澆帶，埋設30個應變計，并設有不同編號(圖2)。

圖2 施工分段及應變計布置

2.1 現(xiàn)場應變計實測

考慮整個停車場Y向超長(293.4m)，且不設結(jié)構(gòu)縫，僅留后澆帶施工縫。該項目建成后，溫度作用對Y向結(jié)構(gòu)受力影響較大，故大部分埋設的應變計布設方向為Y向。

現(xiàn)階段施工到第5流水段中板，施工現(xiàn)場在第5流水段中板2號、3號、4號、13號、14號、15號位置埋設了應變計(圖3)，并實測了現(xiàn)場數(shù)據(jù)(表1、表2)。

表1 第5段Y向應力分布(升溫)

圖3 第5流水段應變計位置

現(xiàn)場采用間隔30min測一次的頻率，表中：f為頻率(Hz)；T為溫度(℃)；△T為溫差；△ε為微應變，△ε=k(f12-f02)/1000?，F(xiàn)場樓板采用C30混凝土，故Ec=3.00×104N/mm2，△σ=△εEc。

2.2 MIDAS/Gen有限元模擬

2.2.1MIDAS/Gen設計參數(shù)

本文通過Midas/Gen對該結(jié)構(gòu)在最不利溫度荷載工況下進行了溫度應力分析[3]。在分析過程中，對有限元模型進行了部分簡化：

(1)不考慮隔墻對結(jié)構(gòu)溫度應力的影響，分析停車場梁、柱、板及外墻。

(2)計算僅考慮結(jié)構(gòu)的溫度荷載、恒載、活載及部分施工荷載。

(3)墻、板單元為板單元，梁、柱單元為桿單元。

(4)梁、板、墻用C30混凝土(彈性模量：3.00×104N/mm2,線膨脹系數(shù)：1.0×10-5/℃)，柱用C45混凝土(彈性模量：3.35×104N/mm2,線膨脹系數(shù)：1.0×10-5/℃)。

(5)溫度荷載取值：升溫5 ℃、10 ℃、14 ℃、14.97 ℃，最大降溫7℃。

2.2.2第5流水段中板模擬結(jié)果

在施工過程中，第5流水段Y方向長40.5m，X方向45.1m。雖然X向更長，但考慮溫度應力在整體結(jié)構(gòu)Y方向影響更大，故采用Midas/Gen模擬溫度荷載：升溫5 ℃、10 ℃、14.97 ℃作用下X、Y向溫度應力。

(1)升溫5 ℃時，結(jié)構(gòu)Y向溫度應力見圖4，X向溫度應力見圖5。

(2)升溫10 ℃時，結(jié)構(gòu)Y向溫度應力見圖6，X向溫度應力見圖7。

(3)升溫14.97 ℃時，結(jié)構(gòu)X向溫度應力見圖8，Y向溫度應力見圖9。

讀取計算結(jié)果：2號、3號、4號、13號、14號、15號應變片埋設處溫度應力值(表3)。

表2 第5段X向應力分布圖(升溫)

圖5 X向溫度應力(5℃)

圖6 Y向溫度應力(10℃)

圖7 X向溫度應力(10℃)

圖8 Y向溫度應力(14.97℃)

圖9 X向溫度應力(14.97℃)

表3 Midas/Gen計算結(jié)果

2.3 實測與模擬對比分析

該地下停車場南側(cè)總長293.4m，現(xiàn)階段施工到第5流水段中板，現(xiàn)場實測值與Midas/Gen模擬計算值變化趨勢基本符合。如圖10～圖15所示，為各點位置模擬值與實測值的溫度-應力變化。樓板在升溫14.97 ℃時，最大溫度壓應力出現(xiàn)在Y向中間部分，但小于C30混凝土軸心抗拉強度設計值，不會導致Y向混凝土拉裂。

圖10 2號位置

圖11 3號位置

圖12 4號位置

圖13 13號位置

圖14 14號位置

圖15 3號位置

3 監(jiān)測原始設備及過程

本次采用振弦式應變計來測板、墻的應力及溫度(圖16)。

圖16 振弦式應變計

振弦式應變計是一定長度的鋼弦張拉在應變計兩端塊之間，端塊牢固置于被測構(gòu)件內(nèi)，結(jié)構(gòu)在溫度作用下變形使得兩端塊相對移動并導致鋼弦張力變化，這種張力的變化使鋼弦諧振頻率改變，從而來測量構(gòu)件的變形。應變計的信號激勵與讀數(shù)通過位于靠近鋼弦的電磁線圈完成。同時，振弦式傳感器本身集成有溫度傳感器，能夠測量該位處結(jié)構(gòu)溫度。具體安裝過程見圖17，現(xiàn)場安裝見圖18。

圖17 安裝步驟

圖18 現(xiàn)場安裝

4 Midas/Gen模型預測計算

現(xiàn)實測到第3流水段頂板，故只能采用有限元在現(xiàn)階段實測的基礎上模擬對地下停車場結(jié)構(gòu)在完工后不同階段下的溫度應力。

用Midas/Gen模擬在恒載、活載、溫度和混凝土收縮徐變，地下停車場結(jié)構(gòu)的溫度應力的變化，并分四個階段模型進行分析，計算結(jié)果如圖19～圖26所示，可以看到4個模型的溫度應力分布，整體上有一個遞減的趨勢。

(1)模型1:停車場整體結(jié)構(gòu)澆筑完成后60d，升溫14 ℃，降溫7 ℃(圖19、圖20)。

圖19 模型1Y向應力分布(升溫)

圖20 模型1Y向應力分布(降溫)

(2)模型2：停車場整體結(jié)構(gòu)澆筑完成后90d，升溫14 ℃，降溫7 ℃(圖21、圖22)。

圖21 模型2Y向應力分布(升溫)

圖22 模型2Y向應力分布(降溫)

(3)模型3：停車場整體結(jié)構(gòu)澆筑完成后180d，升溫14 ℃，降溫7 ℃(圖23、圖24)。

圖23 模型3Y向應力分布(升溫)

圖24 模型3Y向應力分布(降溫)

(4)模型4：停車場整體結(jié)構(gòu)澆筑完成后360d，升溫14 ℃，降溫7 ℃(圖25、圖26)。

圖25 模型4Y向應力分布(升溫)

圖26 模型4Y向應力分布(降溫)

5 結(jié)論

本文以某超長地下停車場結(jié)構(gòu)施工為背景，首先對該工程的特點、現(xiàn)場實測方案進行了介紹。對現(xiàn)階段實測值及Midas/Gen有限元模擬值進行了詳細對比分析，分析發(fā)現(xiàn)模擬值比實測值偏大，應力最大值出現(xiàn)在中間板和結(jié)構(gòu)剛度改變較大處。采用Midas/Gen對整個地下停車場進行了計算，計算最大應力與實測值差異較小，表明預測模型能夠較好的模擬施工完成后整個結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)。數(shù)值分析表明，在保證現(xiàn)場施工質(zhì)量的情況下，溫度應力對停車場結(jié)構(gòu)整體性影響較小。