超长混凝土结构温度效应分析与工程实践.pdf

第 4 1卷第 1期 2 0 1 5年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 49 超长混凝土结构温度效应分析与工程实践 姚大鹏 ， 吕 臻 ， 杨佳 沈阳建筑大学建筑设计研究院， 辽宁 沈阳1 1 0 1 6 8 摘要 在总结超长混凝土结构设计中考虑温度应力、 混凝土收缩和徐变的常用方法后， 从结构布置、 材料选择等 方面论述了减小温差收缩效应的设计措施。最后列举了工程实例， 该工程已竣工近一年， 经历一个温度变化周期， 效果良好。本文中所述设计方法及措施对同类型的超长混凝土结构设计有一定的参考作用。 关键词 超长混凝土结构； 温度应力； 收缩 ； 徐变 中图分类 号 T U 3 7 5 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 5 0 1 0 4 9 0 4 An a l y s i s o f t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n o n s u p e r l o n g c o n c r e t e s t r u c t u r e s a nd e n g i n e e r i n g pr a c t i c e YAO Da p e n g ， L U Z h e n， YANG J i a S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y A r c h i t e c t u r e D e s i g n i n g I n s t i t u t i o n ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s p e c i fi c me t h o d i s p r e s e n t e d i n t h e d e s i gn o f s u p e r - l o n g c o n c r e t e s t r u c t u r e s ， w h i c h t a k e s t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s ， c o n c r e t e s h rin k a g e a n d c r e e p i n t o a c c o u n t ． T h e s t r u c t u r al a r r a n g e me n t ， ma t e ria l s e l e c t i o n a n d o t h e r a s p e c t s o f me a s u r e s t o r e d u c e s h ri n k a g e o f t e mp e r a t u r e e f f e c t o f t h e d e s i g n a r e t h e n d i s c u s s e d i n d e t a i l ． A p r a c t i c a l e n g i n e e ri n g i s p r e s e n t e d a t l a s t ， w h i c h h a s b e e n fi n i s h e d n e a r l y a y e a r ． T h e r e s u l t i s g o o d t h r o u g h t h e u s e o f a t e mp e r a t u r e c y c l e ． Th e me t h o d d e s c ri b e d i n t h e t e x t h a s s o me r e f e r e n c e t o t h e d e s i gn o f s u p e r l o n g c o n c r e t e s t r u c t u r e s wi t h the s a me t y p e ． Ke y wo r d s s u p e r - l o n g c o n c r e t e s t ruc t u r e ； t e mp e r a t u r e s t r e s s ； s h ri n k a g e ； c r e e p 0 引 言 计方法， 最后给出一工程实例。 超长 混凝 土 结 构是 指 长 度超 过 G B 5 0 o 1 0 2 0 1 0 混凝土结构设计规范 规定的设置温度伸缩 缝最大间距的建筑。由于建筑功能 、 工艺流程 的需 要， 以及建筑师对建筑美观要求的不断提高， 超长结 构在建筑市场上应用的越来越广泛。钢筋混凝土结 构存在抗裂性差的缺点 ， 裂缝 问题是混凝土工程 中 带有普遍性 的问题 。结构体表面或 内部产生的裂缝 将对其承载力 、 防水性及抗冻性、 抗钢筋锈蚀性 、 抗 化学侵蚀性等耐久性能产生严重的危 害。 混凝土 规范 第9 ． 1 ． 3条指出， “ 当增大伸缩缝间距时， 尚 应考虑温度变化 和混凝土收缩对结构 的影响” ， 至 于如 何 考 虑 ， 没 有 给 出 相 应 的 设 计 方 法。G B 5 0 0 0 9 --2 0 1 2 建筑结构荷载规范 也仅给 出了温 差作用的算法 ， 尚未涉及混凝土收缩如何考虑。本 文总结了采用超长混凝土结构的温度应力分析及设 收稿 日期 2 0 1 4 -0 2 - 2 4 作者 简介 姚 大鹏 1 9 7 6一， 男 ， 辽宁沈 阳人 ， 硕 士 ， 高级工 程师 ， 一 级 注册结 构工程 师 ， 注册土木 岩土 工程 师 ， 主 要从事 结构设 计及 可靠 度的研 究。 E ma i l y a o _d p 1 2 6 ． c o m 1 温度作用及混凝土收缩 1 ． 1 温差分析 引起温度应力的温度变化一般有 4种 季节温 差 、 内外温差 、 骤然温差和 日照温差 。其中， 以季节 温差对结构裂缝的影 响最为突出 ， 故本文着重对季 节温差进行分析。 季节温差 可分为两类 一类是外表构件 自身 内 外表面的温差局部温差 ； 另一类是外表构件 中 面和室 内构件中面的温差整体温差。对实际工 程而言 ， 建筑物的屋面和外表面都会做保温处理 ， 局 部温差对结构的作用相对较小 ， 可不作考虑。文献 [ 1 ] 给出了整体温差均匀温度作用的标准值计算公 式 最大温升工况 A T s ． 一 1 最大温降工况 △ T KT s 一 2 式 中 ． 结构最高平均温度 ； ． 结构最低平均温度 ； 一 结构最 高初始平均温度 ； 结构最低初始平均温度。 对暴露于环境气温下的室外结构， 结构最高和 5 0 四川建筑科学研究 第4 1 卷 最低平均温度可依据基本气温 和 i 确定 ； 对 有围护的室内结构 ， 结构平均温度可近似取 室内外 环境温度 的平均值 ， 这里室内环境温度 尚应 考虑夏 季空调和冬季采暖条件下可能出现的最低和最高温 度之不利情况。 ． 和 ． 应根据结构的合拢或形成 约束 的 时间确定 ， 结构的合拢温度可取后浇带封闭时的月 平均气温。具体设计时， 有时不能准确确定施工工 期 ， 结构合拢温度通常是一个区间值。因此设计中 有时偏于保守地分别取月平均最高气温 和月平 均最低气温 由式 1 、 2 可知 ， 结构合拢温度的取值对计 算结果有很大影响， 是关键的控制变量。合拢温度 越低 ， 季节负温差越小。如施工气温低 于最低基本 气温 ， 则相当于给混凝土施加 了预应力。但如果合 拢温度过低 ， 将导致升温工况 的不利 ， 对墙 、 柱等竖 向构件有较大影响。因此， 应综合考虑对水平及竖 向构件不利影响的情况下 ， 合理控制结构合拢温度。 1 ． 2 混凝土收缩 收缩是混凝土材料 的固有特性 ， 也是引起其开 裂的主要原因之一， 在分析结构的温度应力时必须 加以考虑， 但由于很难直接分析混凝土收缩引起的 效应 ， 因此 ， 通 常将其等效 为降温温差 △ ， 即收缩 当量温差。 △ [ ∞， t 一 t ， t ] ／ a 。 3 式中 。 。 ∞， t 。 混凝土最终收缩应变； t ， t 混凝土在 t 时间内应变 ； t 混凝土龄期 ； t s 收缩开始时混凝土龄期 ， 假定 为 3 d ； 混凝土线膨胀 系数 ， 取 1 ． 0 1 0一 ／ ℃ 。 由式 3 可知 ， 计算 当量 温差的关键是收缩应 变计算 ， 工程 中常采用的算法有以下两种。 1 采用 J T G D 6 2 --2 0 0 4 公路钢筋混凝土及预 应力混凝土桥涵设计规范 附录 F给出的公式计 算 ， 该式与规范 C E BF I P MC 9 0基本相 同。 t ， t 。 占 日 0 卢 。 tt ／ R H 』 9 t t 。 f o [ 1 6 01 0 f t 9- L 。砷 ]1 0 一1 ． 5 5 [ 1一 R H ／ R g o ] ⋯ { 丽 广 式中各参数含义见文献[ 2 ] 。 2 采用文献[ 3 ] 计算公式。混凝土收缩应变的 形成和发展与其龄期密切相关 ， 可表示 为 1一e 一 叭 ‘ 4 式中 混凝土极 限收缩应变 ； 占 龄期 ￡ d 混凝土收缩应变 。 根据式 4 可计算出设计 中常用 的混凝 土收缩 应变龄期值 ， 见表 1 。 表 1 混凝 土收 缩应 变龄期值 Ta b l e 1 Th e s h r i n k a g e s t r a i n o f c o n c r e t e a g e v a l u e 塑 垄 8 ／ 6 0． 2 6 0 ． 4 5 0 ． 6 0 0． 8 3 0． 9 7 综合大量试验资料， 通常情况下混凝土极限收 缩应变 8 s o 约为 4 ． 01 0一。比如要求 1 8 0 d以后封 闭后浇 带， 则 当量温 差为 △ T s 一 4 ． 0 X 1 0 X 0 。 1 7 ／ 1 ． 0 X 1 0 一6 。 8 ℃。如果施 工要求提 前封闭后浇带， 可考虑设膨胀加强带等措施以补偿 此收缩影响， 按上述收缩当量温差的算法， 将膨胀加 强带的限制膨胀率等效为温度荷载。 2 温度应力计算 2 ． 1 考虑徐变的等效温差计算 采用弹性方法分析超长结构时 ， 可综合考虑混 凝土收缩和季节温差作用 ， 采用综合等效温差来计 算 △ △ T k △ 。因结构遭受的季节温差及混凝 土收缩都是长期效应， 必须考虑徐变引起的应力松 弛对弹性应力的大幅度降低。设计 中将其简化为以 弹性温差应力乘 以应力松 弛系数来考虑徐 变的影 响， 即计算温差为 △ R t ， t 0 A T 5 其中 R t ， t 。 为混凝土徐变应力松弛系数。如何确 定其数值相当复杂， 各国家、 各规范及不同学者间有 不同的计算方法， 常用的有以下几种 1 按文献 [ 4 ] 考虑配筋率影响的公式计算 R t ， t 0 1 ． 1 ／ [ 1 t ， t 0 t ， t 0 6 式中t 。 加载时混凝土龄期 ， 取 7 d ； t ， t 。 混凝土老化系数 ； t ， t o 混凝土徐变系数 ； X、 均可按文献[ 2 ] 附录 F计算。 2 按 N e v i l l eB r o o k s _ 5 提 出的公式计算 尺 ， t 0 0 ． 9 1 e 。 。 - 跖 7 该式是基于混凝土的继效流动徐变理论推导的 松弛系数与徐变系数的关系式， 与松弛试验直接获 得的结果吻合的较好。式中 为混凝土徐变系数， 其值可按文献[ 2 ] 附录 F 计算。 3 按文献[ 3 ]建议， 根据温差变化快慢程度， 直接近似取应力松弛系数为 0 ． 3 0 ． 5 。 2 ． 2 温度作用效应组合 进行温度作用效应组合时可按文献 [ 1 ] ， 温度 2 0 1 5 N o ． 1 姚大鹏， 等 超长混凝土结构温度效应分析与工程实践 5 l 作用分项系数取 1 ． 4 ， 组合值系数取 0 ． 6 ， 同时除了 考虑混凝土徐变带来 的影 响外 ， 尚应计及混凝土材 料的弹塑性性能及裂缝的影响， 梁 、 柱的抗弯刚度乘 以折减系数 0 ． 8 5 。 混凝土构件的刚度折减源 自其在凝结或受力过 程 中产生的裂缝 。对此系数的取值反应了设计者对 构件裂缝开展 的容忍程度。极端地说 ， 如果允许构 件裂缝无限制地开展 ， 混凝 土结构就不存在温差收 缩效应 问题了， 因为刚度折减 系数 可随着裂缝的开 展降到 0 。一般情况下， 此系数取 0 ． 8 5是合适的， 如果要求严格一些可取 0 ． 9 0～ 0 ． 9 5 ， 如采用预应力 结构取 0也是可以的。 3 减小温差收缩效应的措施 解决温度应力常用的构造措施主要有 _ 6 J 1 结构布置上， 宜将主要承重结构布置在建筑 物长度相对较短 的方向， 次梁可沿建筑物长向布置 ， 将楼板设计成单向板， 受力方向与建筑物短方向一 致 ； 2 改善混凝 土性能 ， 如减 小水胶 比、 限制胶凝 材料和水泥用 量、 改善水 泥和砂石骨料 的质量 水 泥磨细度可控制在 比表面积 2 5 0 03 5 0 0 m ／ g ， 粗细 骨料 的含泥量应控 制在 1 ． 0 ％ 以内， 含碱量应控制 在 3 k g ／ m 以内 、 掺人纤维及高湿度养护等； 3 降低结构合拢时的终凝温度 ， 低温人模； 4 让后浇带闭合 的时间足够长 ； 度钢筋或双层双向配筋 、 加大梁顶通长筋面积、 加大 梁腰筋 ， 直径不小 于 1 4， 间距不 大于 1 5 0， 并按受拉 钢筋要求锚 固 ； 6 加强屋面的保温措施 ； 7 设置后浇带 ， 其位置应设置在温度收缩应力 较大的部位 设计时可采用结构在使用阶段的力学 模型， 计算出整体结构在计算温差作用下的不动点 位置 ， 在该处设置后浇带 ； 8 设置双梁引导缝 ， 如图 1所示 ， 其布置 间距 可参考后浇带间距取值。 2 0 0 l 一 柔性材料 ． 百 堕 4 L 图 1 双梁 引导缝构造 Fi g ． 1 I n d u c e d c r a c k wi t h d o u b l e b e a m 4工程实例 本溪 自 然冰制备工程有限公司自然冷能冰制备 生产车间位于本溪经济技术开发区内， 该生产车间 长 1 6 6／ 1 1 、 宽 4 4 ． 5 m， 如 图2所示 ， 主体结构两层 ， 现 浇钢筋混凝土框架结构 ， 底 层高 4 ． 5 1T I ， 2层 高 9 ． 5 i n ， 出屋面楼梯间层高 4 ． 5 m。因工艺流程的需要不 能设置伸缩缝 ， 温度作用不可忽视 。运用上述方法 5 加强楼板 、 梁 、 柱等配筋 板顶无筋区增设温 对 比计算 ， 进行超长混凝土结构温度应力分析。 双梁 双梁 双粱 双梁 害I ] [ ＼ ， 酉 况 ＼ 后浇带 后浇带 ／ 口 撵 二 m 1 『 r j Ⅲ l _ 1 } 【 d I ] [ 横 覆 i 二 J 一 一 3 1 0 c 5 o 0 0 6 0 0 0 6 U O 0 6 { 0o 6 0 0 0 6 o 0 o 6 O 0 0 6 0 0 0 6 o o O 6 0 0 0 60 o O 6 0 0 0 6 O 0o 3 l o 6 0 o 0 6 O 0 O 6 0 0 0 6 o 0 O 6 0 0 0 6 0 0 0 60 o o 6 0 0 0 6 O O 0 6 O O 0 6 0 O 0 6 0 0 0 5 o o o 图 2 1 层结构 平面布 置 Fi g． 2 1 F s t r uc t ur e l ay o ut 4 ． 1 确定基本数据 根据文献[ 1 ] ， 本溪市基本气温最高 3 3 ℃， 最低 一 2 4 ℃ ， 由于该生产车间为制冰车间 ， 功能要求室 内 温度常年保持在 一 3 ℃， 故结构最高、 最低平均温度 ． 和 ． 计算值见表 2 。 表 2 结构最高、 最低平均温度计算值 Ta b l e 2 T h e v a l u e o f s t r u c t u r e a v e r a g e t e mp e r a t u r e℃ 5 2 四川建筑科学研究 第 4 1卷 因正温差不起 控制作用 ， 仅考虑 负温差效应 。 要求主体结构合拢 包括混凝土入模 时的环境温 度在 51 0 C之间， 于是结构最大负温差为 屋盖 △ T k 一1 3 ． 51 0 一 2 3 ． 5 C 楼盖 △ 一31 0 一1 3 ‘ ℃ 本工程环境年平 均相对湿度 衄 7 7 ％ ， 取 R H 8 0 ％ ， h ／ h 。0 ． 0 2 A ／ u1 ． 3 5 ， 普 通硅酸盐 水泥 卢 5 ． O 0 ， 混凝土材料强度等级为 C 3 0 0 ． ． k 8 0 ． 8 X 3 083 2 MP a ， 假定混凝土 自浇筑 3 d 后开始收缩 ， 后浇带合拢 时间为 6 0 d ， 可得混凝土收 缩当量温差 △ 及应力松弛系数 尺计算值 ， 见表 3 。 表 3 当量温差及应力松弛系数计算值 Ta b l e 3 Th e v a l u e o f e q u i v a l e n t t e mp e r a t u r e a n d s t r e s s r e l a x a t i o n c o e ffi c i e n t 按文献 按 文献 按文献 按文献 按文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 3 ] AT 一2 4 ℃ 一2 2％ 一 一 一 一 一 0． 3 5 0． 3 8 0． 40 通过表 3可看到 ， 不同方法算 出的当量温差和 应力松弛系数存在着一定差异 ， 但差值不大。本工 程按文献 [ 3 ] 和文献[ 5 ] 取值 ， 可得等效温差及考虑 徐变影响的计算温差 屋 盖 A T △T k △T s 一1 3 ． 5 2 2一3 5 ． 5 C △ R AT一3 5． 50 ． 3 8一1 3 ． 4 9 C 楼盖 A T△ △ T s 一3 2 2一 2 5 ． 0 C △ R AT一2 5 ． 0 X0 ． 3 8一9 ． 5 ℃ 4 ． 2 计算及结果分析 采用 Mi d a s ／ G e n通用有限元计算分析 ， 建模时 ， 框架梁、 柱采用梁单元， 楼板 包括屋面板 采用板 单元。分项系数 、 组合值系数 、 混凝土构件刚度折减 系数均按上文所述取值， 计算温差屋盖取 一 l 4 ℃、 楼 盖取 一 l 0 ℃， ⑤轴纵向框架计算结果见图3 限篇幅 仅给出⑤轴纵向框架对称轴左侧结果 。 从计算结果可看到 1 温度收缩变形 主要在首层 ， 向两端各往 中 心收缩 7 ． 9 m m， Y向两端 各往 中心收缩 2 ． 6 mm； 2 层收缩变形 明显小于 1 层 ， 趋于平缓 ， 究其原因是结 构整体同时降温时， 相邻楼层共同收缩， 产生不了相 互约束效应， 而基础附近楼层受基础较强的约束影 响， 温差效应显著。 2 最不利部位是变形不动点处的横梁 ， 此处承 受着最大轴拉力 收缩 时 ， 趋势为 中间大两端小 ； 端部柱子承受着最大的弯矩和剪力， 趋势为中间小 两端大。 3 框架中部横梁内力最大， 变形最小， 端部内 力最小 ， 变形最大。 a 结构变形 荨 l 嚣 i l l l暑 ⋯ i l， ．，， ⋯ { ⋯ l， 置 l j l ， 盐 l 罡 拦 墨 l l 三 i 0 l l 2 l 军 l } 毫 } 箸 暑 l 暑 l 嚣 } 车 l 车 f 轴力／ k N d 剪力／ h q 图3 ⑧轴纵向框架降温工况下计算结果 F i g ． 3 Res u l t o fl o n g i t u d i n a l f r a me alo n g a x i s - B unde r c o o l i ng l o ad c as e 本工程除进行 了必要 的计算分析外 ， 同时采用 了上文所述的减小温差 收缩效应的构造措施 ， 工程 完工已近一年未发现裂缝 ， 效果 良好 。 5 结 论 1 对框架 的裂缝 控制起主要作用 的是 均匀 的 季节温差和混凝土收缩。框架各柱 的竖 向变形是 自 由的， 不引起 内力 ， 而水平构件 的横 向变形受 到基 础、 柱子的约束， 在整个框架内引起内力， 而且约束 越强内力越大。 2 结构合拢温度是关键的变量 ， 对其合理控制 可降低温差效应 的影响 ， 有效减少混凝土的开裂。 3 为满足建筑专业要求 ， 通过合理 的结构布置 和构造措施 ， 规范对混凝土结构伸缩缝 间距 的规定 是可以突破的。 参 考 文 献 [ 1 ] G B 5 0 0 0 9 --2 0 1 2建筑结构荷载规范[ s ] ． [ 2 ] J T G D 6 2 --2 0 0 4公路 钢筋混 凝土及 预应 力混凝 土桥涵 设计规 范 [ S ] ． [ 3 ] 王铁梦． 工程结构裂缝控制[ M] ． 北京 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7． [ 4 ] 张玉明． 超长混凝土框架结构裂缝控制研究[ D ] ． 南京 东南 大学 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] N e v i l l e A M， D i l g e r W H， B r o o k s J J ． C r e e p o f p l a i n a n d s t r u c t u r a l c o n c r e t e【 M] ． C o n s t r u c t i o n P r e s s e s ， N e w Y o r k， 1 9 8 3 ． [ 6 ] 冯丽 ， 顾渭键． 高层建筑超长结构无缝技术 裂缝控制 的建 筑 和结构技术 f J ] ． 哈尔滨 建筑大学学报 ， 2 0 0 2， 3 5 2 4 04 3 ． O 苫 0 。 __f 坦 0 N ]● 照 呻舢 9 -。 m 素 董 弯 0 1 ijn ]● ． 鼍 o． 疆 鎏 一 一 酣 n 蚋 c1 ～ 掘