考慮施工過程模擬的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

黃長(zhǎng)鑫

（青島隆岳置業(yè)有限公司，山東 青島 266000）

1 引言

混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析涉及的因素較為復(fù)雜[1]，針對(duì)溫度效應(yīng)，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)給出了一定的構(gòu)造措施，但并不能很好地結(jié)合施工過程來揭示溫度應(yīng)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，尤其在大體量混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，無法很好地解決實(shí)際問題。

目前，常規(guī)的溫度應(yīng)力分析采用的方法是：統(tǒng)計(jì)全年最高溫度與最低溫度得到最不利溫差，并將其一次性輸入結(jié)構(gòu)模型中，有時(shí)會(huì)考慮后澆帶設(shè)置，并輔助混凝土收縮徐變效應(yīng)。但是由于實(shí)際工程是逐層建成的，不同樓層施工完成的時(shí)間不一樣，因而各層結(jié)構(gòu)應(yīng)輸入不同的溫差。因此，在溫度應(yīng)力分析過程中，溫度應(yīng)力不應(yīng)一次性施加在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中。這種不考慮施工過程的溫差效應(yīng)計(jì)算方法與實(shí)際存在一定差異，有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文結(jié)合某工程算例，探究了考慮結(jié)構(gòu)生命全過程最不利溫差的溫度應(yīng)力分析方法，以及上述作用對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響，以期為超長(zhǎng)、大體量工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 分析案例概況

本文對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，建立了一個(gè)主樓帶裙房的框架剪力墻結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象。其中，主樓15 層，裙房5 層，無地下室，有空調(diào)采暖，各層層高均為4 m。柱網(wǎng)尺寸8 m×8 m，主梁截面為400 mm×700 mm；柱截面尺寸包括：800 mm×800 mm；1 000 mm×1 000 mm；1 200 mm×1 200 mm；板厚200 mm，剪力墻厚300 mm。梁、板、墻、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。算例的整體模型如圖1 所示。計(jì)算軟件采用MIDAS GEN V800。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

3 施工過程模擬

實(shí)際工程是逐層建成的，不同樓層施工完成的時(shí)間并不相同，所以，結(jié)構(gòu)應(yīng)分層施加不同的溫度荷載，即：對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析時(shí)，溫度應(yīng)力要隨著施工過程分批施加至結(jié)構(gòu)上，不能一次性施加。隨著施工過程的推進(jìn)，結(jié)構(gòu)每層施工時(shí)所處的月份不同，結(jié)構(gòu)的溫差也會(huì)有所差異。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分溝通建設(shè)方，按照施工組織計(jì)劃逐步施加溫度荷載。以上是考慮施工過程的溫度應(yīng)力分析要點(diǎn)，下面對(duì)具體操作過程進(jìn)行闡述。

3.1 結(jié)構(gòu)溫差計(jì)算

造成結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生溫度應(yīng)力的溫度荷載主要分為兩種：

1）構(gòu)件內(nèi)表面與外表面之間的溫差，以下稱為局部溫差。

2）構(gòu)件中心在結(jié)構(gòu)壽命周期中所承受的溫度差，以下稱為整體溫差。建筑從施工到使用，結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)歷的局部溫差一般可通過施工覆蓋予以降低，考慮到其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，暫不作為研究對(duì)象。但整體溫差卻對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較大，本文將對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)分析。

按照時(shí)間順序，整體溫差按照施工階段和使用階段分別考慮。低溫澆筑混凝土?xí)r，混凝土的合龍溫度按照施工當(dāng)月的平均氣溫考慮。

施工階段：整體溫差=月最高（最低）氣溫±合龍時(shí)溫度使用階段：整體溫差=使用時(shí)溫度-合龍時(shí)溫度。

溫度效應(yīng)計(jì)算參考了項(xiàng)目所在地的氣象統(tǒng)計(jì)資料。本算例中，由于主樓體量較小，溫度應(yīng)力的影響可忽略，因此，僅考慮裙房結(jié)構(gòu)的溫差效應(yīng)。裙房溫差的計(jì)算結(jié)果如下。

3.1.1 施工階段

假設(shè)算例中施工每層需要1~2 個(gè)月，以最不利工況（最高溫度月份起算）進(jìn)行各施工過程的溫差取值，設(shè)定裙房施工從溫度最高的7 月份開始，次年3 月底進(jìn)行裙房的裝修。施工階段負(fù)溫差=月最低氣溫-合龍時(shí)溫度，則有：

7 月，1F 施工：1F 溫度差=-7.0 ℃；

8 月，2F 施工：2F 溫度差=-6.8 ℃；1F 溫度差=-6.9 ℃；

9 月，3F 施工：3F 溫度差=-6.5 ℃；2F 溫度差=-11.8 ℃；1F 溫度差=-12.9 ℃；

10 月，4F 施工：4F 溫度差=-12.8 ℃；3F 溫度差=-16.8 ℃；2F 溫度差=-22.8 ℃；1F 溫度差=-22.9 ℃；

11 月，5F 施工：5F 溫度差=-11.8 ℃；4F 溫度差=-19.9 ℃；3F 溫度差=-23.6 ℃；2F 溫度差=-29.6 ℃；1F 溫度差=-29.4 ℃。

3.1.2 裝修階段

考慮到主樓的施工時(shí)間，裙房的裝修時(shí)間從次年3 月開始計(jì)算。

次年3 月：1F 溫差=-3+5.7=2.7 ℃；

次年4 月：2F 溫差=3+3=6 ℃；

次年5 月：3F 溫差=8.3-3=5.3 ℃；

次年6 月：4F 溫差=13.9-8.3=5.6 ℃；

次年7 月：5F 溫差=20.1-13.9=6.2 ℃。

3.1.3 使用階段使用階段從次年3 月份主體裝修完工開始考慮。

基于非合作博弈的冷熱電聯(lián)供微能源網(wǎng)運(yùn)行策略優(yōu)化//林凱駿,吳俊勇,郝亮亮,劉迪,李德智,閆華光//(6):25

當(dāng)構(gòu)件裸露在室外時(shí)，使用階段溫差計(jì)算時(shí)，可取年平均最高、最低氣溫計(jì)算。當(dāng)室內(nèi)的構(gòu)件位于采暖房間時(shí)，夏季取26 ℃、冬季取18 ℃；室內(nèi)構(gòu)件位于無采暖房間時(shí)，夏季取月最高氣溫-8 ℃、冬季取月最低氣溫+8 ℃。室內(nèi)外交界構(gòu)件，使用溫度可選室內(nèi)外平均溫度-合龍時(shí)溫度。

對(duì)于本算例，考慮室內(nèi)有采暖條件（夏季26 ℃，冬季18 ℃），則：

室內(nèi)構(gòu)件的最大負(fù)溫差=18 ℃-合龍溫度

室內(nèi)外交界構(gòu)件的最大負(fù)溫差=平均溫度-合龍溫度=6 ℃-合龍溫度

從而計(jì)算得到使用階段室內(nèi)構(gòu)件、室內(nèi)外交界構(gòu)件最大負(fù)溫差。

3.1.4 小結(jié)

由以上分析可知，本算例中結(jié)構(gòu)的施工階段存在最不利溫度荷載。使用階段溫差較小，溫度荷載減小。

3.2 后澆帶設(shè)置

根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]第

3.4.13 條的要求，本算例后澆帶混凝土在兩個(gè)月后澆筑合龍。換言之，在結(jié)構(gòu)施工模擬計(jì)算中，第3 層施工時(shí)，第1 層后澆帶封閉；第4 層施工時(shí)，第2 層后澆帶封閉，以此類推。

3.3 施工流程

結(jié)合以上分析，給出了本算例具體的施工流程，見表1。

表1 施工流程表

4 計(jì)算分析結(jié)果

本文利用MIDAS GEN V800 軟件對(duì)算例建立了有限元分析模型，模型考慮施工過程逐層施加溫差。各模型在溫度作用下的變形及內(nèi)力如圖2、圖3 所示，主要計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 溫度作用下變形圖

圖3 溫度作用下構(gòu)件彎矩圖

表2 各模型主要計(jì)算結(jié)果

注：F、D、M分別為支座反力、最大位移和最大彎矩；下標(biāo)x、y、z表示方向。

由模型分析結(jié)果可知：考慮施工過程逐層施加溫差后，結(jié)構(gòu)柱底彎矩減小，柱頂彎矩增大，結(jié)構(gòu)支座反力減?。唤Y(jié)構(gòu)位移變化更加平緩，最大位移發(fā)生在裙房框架柱跨中，而非樓頂，與實(shí)際情況更為吻合。

5 結(jié)語

本文結(jié)合某工程算例，較為詳細(xì)地討論了施工過程模擬對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響，結(jié)論如下：

1）溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄甑臍庀筚Y料進(jìn)行，同時(shí)結(jié)合構(gòu)件的施工過程，進(jìn)行最不利溫度荷載計(jì)算。

2）超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度荷載與時(shí)間的關(guān)系，充分考慮施工過程的模擬，在模型中考慮后澆帶的設(shè)置，考慮溫差的逐步施加。

3）未按結(jié)構(gòu)實(shí)際施工情況選取最不利溫度場(chǎng)、一次施加全樓溫差，將在一定程度上放大結(jié)構(gòu)底部應(yīng)力，縮小上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力；同時(shí)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)溫差內(nèi)力有所丟失，甚至反向失真。