超長結(jié)構(gòu)樓板在溫度荷載下的受力性能分析應(yīng)用研究
——以上海通用重工集團(tuán)有限公司日照嵐山某廠區(qū)X方向超長辦公樓工程為例

徐銘澤

上海華東建設(shè)發(fā)展設(shè)計(jì)有限公司 上海 200080

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，一些超限建筑內(nèi)容已經(jīng)屢見不鮮，當(dāng)長度超出了標(biāo)準(zhǔn)要求，該建筑體就需要重新按照標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，主要設(shè)置為相應(yīng)的沉降縫，從整體的角度來考慮，超長建筑體通常是只設(shè)置后澆帶，相較于一般建筑而言，該類建筑物的樓板對(duì)于溫度作用更加敏感，如果無法處理好溫度關(guān)系，也可能會(huì)帶來后續(xù)一系列的安全性問題。由此，本文也基于超長混凝土框架樓板溫度應(yīng)變做出分析，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

1 某廠區(qū)X方向超長辦公樓工程項(xiàng)目概況

在本次研究過程中，其所屬的工程為某廠區(qū)X方向超長辦公樓工程項(xiàng)目，項(xiàng)目地點(diǎn)位于山東省日照市嵐山區(qū)，其中設(shè)防烈度為7度、二類場(chǎng)地。在研究過程中，針對(duì)辦公樓之間的超長樓板進(jìn)行分析。

本辦公樓建筑為地上7層框架結(jié)構(gòu)，底層層高4.5m，上部層高3.9m，頂層高4.2m，混凝土容重取26kN/m3，嵌固端所在層號(hào)為結(jié)構(gòu)標(biāo)高-0.050，用于舒適度驗(yàn)算的風(fēng)壓為0.40kN/m2，用于舒適度驗(yàn)算的風(fēng)壓為2%，地面粗糙度類別為B類，修正后基本風(fēng)壓0.4kN/m2，X向基本周期為1.32，Y向基本周期為1.38，地震設(shè)防分組為第三組，地震設(shè)防烈度按7度（0.1g）考慮，框架抗震等級(jí)為2級(jí)，本樓考慮偶然偏心，考慮偶然偏心的方式為相對(duì)于邊長的偶然偏心，周期折減系數(shù)0.7，特診周期取0.45秒，質(zhì)量參與系數(shù)為95%，振型數(shù)量按程序計(jì)算自動(dòng)考慮，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法為一階彈性設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。

本單體東西長度為82.5m，南北寬為31.8m，基礎(chǔ)頂～3層混凝土強(qiáng)度為C40，3～7層混凝土強(qiáng)度為C30。基礎(chǔ)頂至±0.000m柱典型截面為700mm×700mm，按短柱考慮，2～4層柱典型截面為600mm×600mm，4層及以上柱典型截面為500mm×500mm。本樓豎向主梁截面為300mm×600mm，豎向次梁截面為250mm×600mm，橫向主梁截面為300mm×750mm。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合溫差

2.1 季節(jié)溫差

建筑物溫度隨著氣溫變化而產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)變，因此氣溫變化對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響也變得十分的明顯。季節(jié)溫差是研究其溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響最為主要的因素，由于的溫度變化，溫度應(yīng)力及相應(yīng)的鋼筋配筋計(jì)算結(jié)果也會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》基本氣溫可采用50年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫和月平均最低氣溫對(duì)其溫度所產(chǎn)生影響作出衡量，查荷載規(guī)范附錄知山東日照最低基本氣溫為-8℃，最高基本氣溫為33℃。根據(jù)PKPM計(jì)算結(jié)果，溫度荷載對(duì)樓棟整體指標(biāo)影響較小，更多的是對(duì)梁板配筋計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大影響。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，樓板溫度應(yīng)力對(duì)框架梁的影響是全方位的，但是由于其產(chǎn)生荷載相對(duì)于結(jié)構(gòu)整體側(cè)向力和豎向荷載較小，對(duì)柱計(jì)算結(jié)果幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖1 單體中間位置不考慮溫度應(yīng)力

圖2 單體中間位置考慮溫度應(yīng)力

圖3 單體邊跨位置不考慮溫度應(yīng)力

圖4 單體邊跨位置考慮溫度應(yīng)力

2.2 混凝土收縮等效溫差

隨著時(shí)間的不斷流逝，混凝土?xí)霈F(xiàn)收縮的問題，此收縮的作用為溫強(qiáng)作用，對(duì)于需要控制的因素，應(yīng)該在后澆帶封閉的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行控制，時(shí)間長會(huì)使混凝土的收縮穩(wěn)產(chǎn)更小，本文中所述工程原先設(shè)計(jì)時(shí)間為45天，主體完工時(shí)間是60天，而實(shí)際完工時(shí)間提前了，這就導(dǎo)致中間部分樁施工被耽誤了，沒有形成實(shí)際的澆筑時(shí)間，此時(shí)可以認(rèn)為80%的混凝土已經(jīng)收縮完畢，因此混凝土最終收縮應(yīng)變也可以被認(rèn)作為0.0002，在合攏時(shí)的殘余應(yīng)力則收縮為0.0001。

2.3 徐變應(yīng)力松弛

溫度變化有快慢的區(qū)別，隨著溫度的變化要對(duì)約束構(gòu)建進(jìn)行分析，混凝土具備的特性和徐變內(nèi)容會(huì)逐漸的凸顯出來，溫度變化會(huì)促進(jìn)持續(xù)增長，使混凝土的變形能力得到提高，使的實(shí)際應(yīng)力小于彈性計(jì)算的結(jié)果，一般都會(huì)考慮到彈性結(jié)構(gòu)溫差效應(yīng)及分析所得到的溫度應(yīng)力是非常巨大的。但是在實(shí)際結(jié)構(gòu)分析過程中卻不會(huì)對(duì)其作出分析，針對(duì)徐變應(yīng)力松弛狀況為簡化計(jì)算。這時(shí)可按照彈性計(jì)算的溫度應(yīng)力×徐變應(yīng)力松弛系數(shù)來考慮后續(xù)的徐變狀況。

2.4 剛度折減

混凝土在施工過程中都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的裂縫，這是結(jié)構(gòu)造成的，裂縫的出現(xiàn)會(huì)抵消溫度變化產(chǎn)生的反應(yīng)，因此，在進(jìn)行溫度荷載計(jì)算時(shí)，要把應(yīng)裂縫所產(chǎn)生的具體剛度折減度考慮進(jìn)去，系數(shù)取值是按照剛度的折減標(biāo)準(zhǔn)值作出的。一般取在0.85到0.95之間。但是此項(xiàng)系數(shù)目前并無具體的求解方法，多數(shù)時(shí)候其仍是局限于經(jīng)驗(yàn)值內(nèi)。在本次研究過程中，考慮到系數(shù)的差值研究，最終將其取為1.0。

3 溫度效應(yīng)有限元分析

3.1 樓板有限元計(jì)算分析

基于本次研究過程，可在升溫和降溫的時(shí)候，分別對(duì)于其配筋計(jì)算結(jié)果內(nèi)容做出分析。由于PKPM板計(jì)算模塊中普通計(jì)算方法不考慮溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響，無法體現(xiàn)其影響結(jié)果，所以采用有限元計(jì)算方式來保證對(duì)比結(jié)果的真實(shí)可靠。本小節(jié)選取單體的中間和端跨為典型做對(duì)比和研究以保證對(duì)比的有效性，其結(jié)果表明在溫度荷載作用之下，板中間位置中的樓板位移較小，距離中軸線越遠(yuǎn)的地方，其位移就越大。樓板位置最大值容易出現(xiàn)在單體結(jié)構(gòu)兩部的遠(yuǎn)端，這是因?yàn)闇囟茸兓蛇h(yuǎn)端向豎向結(jié)構(gòu)作出影響的，所以這時(shí)相對(duì)于其遠(yuǎn)端部分將部分的影響也是更大的。在此次研究過程中，基于其樓板位移配筋計(jì)算結(jié)果值，它對(duì)豎向構(gòu)件的影響是更大的。所以針對(duì)這一方面的位移變化影響，可以看出，樓板沿長方向比沿短方向的應(yīng)力更大，這也符合樓板本身的變形規(guī)律。

圖5 PKPM不考慮溫度應(yīng)力情況下有限元計(jì)算結(jié)果部分截取

圖6 PKPM考慮溫度應(yīng)力情況下相同位置有限元計(jì)算結(jié)果部分截取

3.2 樓板應(yīng)力狀況

針對(duì)樓板應(yīng)力狀況?？梢园l(fā)現(xiàn)在升溫時(shí)，其樓板的底部應(yīng)力變化狀況有所變化?；跍囟群奢d作用，超長板多數(shù)位置的應(yīng)力值超過了混凝土本身的抗拉強(qiáng)度。這說明在溫度荷載下，其效應(yīng)內(nèi)容仍不能夠忽略，否則的話也極容易產(chǎn)生一些縱向裂縫，它的危害是較大的。溫度和作用主要體現(xiàn)在中間部位兩端產(chǎn)生的，在應(yīng)力對(duì)調(diào)下，在X方向其底盤溫度應(yīng)力，在此方向的作用面是更廣的。所以基于這方向的分析，要了解到在小洞口部分的角度變化內(nèi)容?；趯?shí)例有限元分析結(jié)果，出于安全和相對(duì)保守的考慮，最后決定除了設(shè)后澆帶外，需順這超長方向增設(shè)溫度應(yīng)力鋼筋。局部應(yīng)力集中處應(yīng)該增設(shè)相應(yīng)的鋼筋，在X向主計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)之上，適當(dāng)放大縱筋及腰筋，使整個(gè)樓板建成之后仍能夠維持正常使用，裂縫產(chǎn)生控制在保證安全和正常使用范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

在本次研究過程中，基于某廠區(qū)辦公樓超長樓板為例，通過PKPM計(jì)算結(jié)果和板有限元軟件計(jì)算模塊對(duì)其作出分析。著重研究了溫度變化產(chǎn)生的作用、收縮松弛所帶來的影響以及對(duì)其樓板應(yīng)力的影響狀況，其具有一定的工程參考意義。在分析過程中也著重針對(duì)溫度荷載計(jì)算時(shí)所采用的一些綜合溫差，對(duì)于其季節(jié)溫差、剛度折減系數(shù)、有限元計(jì)算等做出探討。了解到有限元計(jì)算結(jié)果所展示出的混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力不容忽視，在超長結(jié)構(gòu)樓板溫度荷載作用情況之下，也必須對(duì)于其應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行分析，找準(zhǔn)其結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)內(nèi)容。對(duì)超長結(jié)構(gòu)而言，后澆帶的設(shè)置能夠降低以免影響，但是無法將其消除。所以必須根據(jù)計(jì)算結(jié)果合理配置樓板配筋，降低其混凝土的收縮量。