鋼筋混凝土超長梁溫度作用下應(yīng)力分析

李棟謀

【摘要】在超長鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有時必須考慮溫度效應(yīng)，這取決于結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)。溫度和應(yīng)力影響結(jié)構(gòu)裂縫和構(gòu)件的產(chǎn)生和發(fā)展。本文應(yīng)用有限元理論，研究了溫度作用下超長梁的水熱溫度對施工過程和應(yīng)力狀態(tài)的影響，為超長結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計和溫度控制提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu);超長梁;有限元理論

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.02.175

隨著溫度的升高，越受到重視混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和壓力的升高，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)局部裂縫，影響混凝土的耐久性和安全性。結(jié)構(gòu)溫度變化引起混凝土抗裂性和導(dǎo)熱性較差，結(jié)構(gòu)溫度變化的原因主要有兩個：一是環(huán)境溫度的變化天然混凝土材料隨著外界溫度的升高而膨脹，隨著外界溫度的降低而收縮。第二，水泥固化過程中產(chǎn)生的水化熱使構(gòu)件內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)外溫差較大，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

1、溫度應(yīng)力對超長混凝土結(jié)構(gòu)的影響

1.1溫度裂縫特征

混凝土在水化過程中干燥和收縮，混凝土自身在加熱和冷卻時膨脹和收縮?；炷寥肽：螅捎谑苣＞吆弯摻畹募s束，混凝土?xí)霈F(xiàn)收縮裂縫或溫度裂縫。在普通超長建筑中，混凝土可能有收縮或溫度裂縫收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力共同作用引起的溫度裂縫在建筑中很常見。它的特點(diǎn)是快速收縮，高達(dá)總收縮的90%。六個月后可完成，一年后穩(wěn)定變形最小，主要收縮區(qū)域為下底、頂層、結(jié)構(gòu)梁、樓板、明挑檐等。

1.2地層溫度的影響分析

建筑工程中的溫差包括垂直和水平溫差。然而，在低高度超長平面建造中，只能考慮水平溫度的差異。季節(jié)性溫差和太陽暴曬引起的溫差可分為兩類：一方面，土壤溫差是——也就是說，當(dāng)?shù)貧鉁氐牟町?另一方面，場地溫度的差異，也就是施工現(xiàn)場的溫度的差異，局部溫度變化對整體結(jié)構(gòu)的影響是有限的，不應(yīng)理解為考慮現(xiàn)場溫度的水平溫差，溫度差是考慮到當(dāng)前結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的月平均最高溫度和最低月平均，可作為設(shè)計依據(jù)的是（過去30年）。設(shè)計地下室溫度相對較低，相對穩(wěn)定溫差。而一樓的建筑暴露在外，特別是在施工階段，沒有保溫措施。因此，底層受拉的是地下室外墻和混凝土墻柱、梁、板。

1.3分析計算溫度

（1）梁：在溫差的作用下，建筑底部梁產(chǎn)生的軸力最大?？v梁兩端軸向力較大。隨著不斷升高的樓層，構(gòu)件中的梁受建筑物底部的約束越來越小，其變形越來越大，迅速減小的是梁的軸力。當(dāng)它到達(dá)頂部建筑物時，底部的粘結(jié)力會小一些。當(dāng)日照溫差為局部溫差時，梁的軸力較小。根據(jù)有關(guān)資料，

梁端的曲率扭矩主要取決于梁水平結(jié)構(gòu)和梁間節(jié)點(diǎn)的剛度。在規(guī)則柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，框架梁端彎矩較大，框架端部的彎曲力矩較大。然而，在數(shù)據(jù)庫和工程實踐中，端部曲率力矩較小且分布均勻，可以確定溫度應(yīng)力對梁單元的影響集中在建筑物底部。（2）樓板：溫度應(yīng)力分布與發(fā)展規(guī)律于梁相似。底層與基礎(chǔ)（或地下室頂部）接近，底層受框架梁和剪力墻的約束，導(dǎo)致最大應(yīng)力。區(qū)別在于樓層頂部，盡管建筑物頂部的底部約束非常小。但是，由于屋面板之間較大的溫差，變形約束會產(chǎn)生額外的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致屋蓋產(chǎn)生較高的溫度應(yīng)力?！陡邔咏ㄖ?guī)范》要求頂層厚度為120mm，且應(yīng)為雙向鋼筋。為了抵抗溫度應(yīng)力的不利影響，對建筑物的屋面進(jìn)行了加固。與此同時，在建筑布置中根據(jù)經(jīng)驗，突變點(diǎn)與剪力墻交點(diǎn)處的應(yīng)力出現(xiàn)突變。（3）剪力墻和柱：墻和剪力柱是垂直受力構(gòu)件。建筑建筑不受縱向限制，可以自由回收。立柱內(nèi)力的變化主要發(fā)生在扭矩較低時。剪力墻的布置限制了梁、板的水平變形，增大了剪力墻周圍梁的溫度應(yīng)力。

1.4降低溫度應(yīng)力的措施

在《鋼筋混凝土設(shè)計與施工規(guī)范》中，目前設(shè)計人員最常用的方法是后澆帶所述措施。早期收縮是混凝土的特點(diǎn)，采用設(shè)計思想是“澆筑為主”。通過初始收縮應(yīng)力釋放，收縮應(yīng)力引減小溫度變形。在很多材料的介紹中都強(qiáng)調(diào)，如果設(shè)計和施工處理不好，不僅會減少裂縫，還會給結(jié)構(gòu)設(shè)計留下隱患。因此，傳統(tǒng)方法可參考以下幾點(diǎn)：間距：規(guī)范要求30～40m，氣候和環(huán)境是實際距離應(yīng)考慮的，約30m為宜。位置：宜在小跨度梁或受力較小的部位布置，一般布置在梁跨的1/3處;布置平面時，梁與后澆帶的布置應(yīng)平行。800-1000mm是寬度，規(guī)格。預(yù)留搭接寬度鋼筋應(yīng)滿足搭接要求。加固：后澆帶梁縱向加固目前有兩種方法。第一種方法是梁、板鋼筋全部斷開后搭接（按規(guī)定要求）。但由于梁體的粘接焊接，截面小，操作困難，不易保證質(zhì)量，無法正常進(jìn)行施工。第二種：斷開板鋼筋，連續(xù)連接梁鋼筋。目前，它已廣泛應(yīng)用于施工中，但當(dāng)梁的主筋連續(xù)且配筋數(shù)量較多時，混凝土的收縮會受到抑制，不能達(dá)到預(yù)期的效果。

2、案例分析

2.1分析確定了有限元模型

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范如圖1所示。建立了有限元集分析模型?？紤]到基礎(chǔ)應(yīng)力對上部結(jié)構(gòu)的影響，在柱后施加相同的約束。同時，根據(jù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的環(huán)境條件，對整個結(jié)構(gòu)施加溫度效應(yīng)。

在ANSYS中，分析單元是solid70。考慮到木模板的存在及其對混凝土澆筑過程中影響水化熱積累，在模型的側(cè)、底部設(shè)計了木模板2cm厚?；炷辆€膨脹系數(shù)取，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為8.6kj/（M.H.℃），木模板系數(shù)為0.84kj/（M.H.℃），它們的比熱容為0.96kj/（kg.℃）、1.8kj/0（kg.℃）。它們流換熱的表面系數(shù)為53kj/（m2.K）、49.4kj/（m2.K）。溫度初始為25℃。

2.溫度下的應(yīng)力分析。（1）測定了水化熱。本文采用改進(jìn)的指數(shù)函數(shù)公式來提高水泥的水化熱值。根據(jù)《水工混凝土設(shè)計規(guī)范》（sll91），公式計算如下：

式中，QT為水化累積熱（kJ/kg），Q0為最終水化熱（kJ/kg）、t期第一階段tn、n是常數(shù)。（2）材料的模量彈性?；炷劣不蟮膹椥阅Ａ侩S時間變化。根據(jù)《水工混凝土設(shè)計規(guī)范》（sll91），確定了以下公式：

式中，E是28天時混凝土的彈性模量（n/mm2）。（3）分析計算。水泥水化熱和環(huán)境溫度引起的溫度效應(yīng)作為體積荷載作用于構(gòu)件。進(jìn)行計算分析采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析模塊。實際工程情況是梁構(gòu)件的約束條件模擬，類似于多跨連續(xù)梁。初始溫度設(shè)定為當(dāng)?shù)仄骄鶞囟鹊?5%，持續(xù)13天。泊松比為0.2，密度p=2500 kg/m3。

2.3結(jié)果分析

從應(yīng)力應(yīng)變分布特征來看，支撐區(qū)附近的應(yīng)力應(yīng)變值較大，然而，構(gòu)件中部的應(yīng)力分布較低。由于混凝土的水熱效應(yīng)，試驗的內(nèi)部溫度升高，

內(nèi)部變形受外部變形的限制。因此，在約束應(yīng)力作用下，內(nèi)應(yīng)力減小，外應(yīng)力增大。因此，在較大的受力約束下，構(gòu)件表面容易產(chǎn)生裂紋。

通過對水化熱和溫度分析應(yīng)力分布，得出以下結(jié)論：混凝土硬化過程中釋放的水化熱使構(gòu)件內(nèi)部溫度升高，從而導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)外溫差。由于溫差的存在外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)外溫度升高，混凝土的拉應(yīng)力逐漸增大，局部拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度。因此在混凝土硬化過程中應(yīng)采取保護(hù)混凝土表面的措施，防止混凝土表面溫度迅速膨脹，造成內(nèi)部構(gòu)件溫差過大。外部溫度和壓力的影響下，應(yīng)力集中發(fā)生在鋼筋混凝土梁支撐節(jié)點(diǎn)附近的約束條件很重要，并且可能存在豎橫向裂紋，影響梁縱截面鋼筋溫度。

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