超長建筑結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

1、 超長建筑結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析夏 云 峰(上海中交水運(yùn)設(shè)計(jì)研究有限公司 , 上海 200092摘要 :以鄭州第二長途電信樞紐工程為例 , 對(duì)超長建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元建模 。針對(duì) 7種不同類型溫度荷載的特點(diǎn) , 利用有限元分析程序 ANSYS 計(jì)算 。 給出了結(jié)構(gòu)整體變形特 點(diǎn) 、 結(jié)構(gòu)中各種構(gòu)件 (梁 、 樓板 、 柱子及剪力墻 的溫度內(nèi)力變化范圍以及分布規(guī)律 。通過 比較得出超長建筑在各種溫度作用下的最不利工況 。 可為超長建筑結(jié)構(gòu)考慮溫度作用進(jìn) 行設(shè)計(jì)和施工提供參考 。 關(guān)鍵詞 :建筑 超長建筑物 溫度荷載 溫度應(yīng)力Study on the Te mperature Stress of -n

2、 gX i (Shangha i Zhongji a o W a ter a ti gn I , L td . , Shangha i 200092 D istance Teleco mmunicati on Hub Pr oject of Zhengzhou f or an this makes models of s olid finite ele ment t o super -length building . Accord 2ing t o characteristics of te mperature l oad of 7different types and using the

3、ANSYS finite ele 2ments analysis p r ogra m , it concludes the characteristics of the integral structural def or mati on, the scope and distributi on of ther mal inner f orce of different components, such as bea m , fl oor slab, p illar and shear wall . After contrasting, it su m s up the worse work

4、ing conditi on f or super -length building under different te mperatures, which could p r ovide references t o the design and constructi on of super -length building by considering te mperature acti ons .Key words:constructi on super -length building te mperature l oad te mperature stress 建筑工程中 , 混凝

5、土結(jié)構(gòu)的裂縫較為普遍 , 類型 也很多 , 按成因可歸結(jié)為由外荷和變形引起的兩大 類裂縫。 其中由混凝土收縮和溫度變形引起的收縮 裂縫和溫度裂縫 , 以及由這兩種變形共同引起的溫 度收縮裂縫 , 則是實(shí)際工程中最常見的裂縫。 隨著 建筑向大型化和多功能發(fā)展 , 超長 (即超過溫度伸縮 縫間距 高層或大柱網(wǎng)建筑不斷出現(xiàn)。 對(duì)超長結(jié)構(gòu) 的溫度變形與溫度應(yīng)力 , 若在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中處理不當(dāng) , 將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂損 , 嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的正常使用。我國的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中不考慮溫度作用 1, 只 做構(gòu)造處理。 因此 , 溫度應(yīng)力是超長建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中的重要研究課題之一。 1 超長高層建筑結(jié)構(gòu)溫度問題有限元建

6、模研究結(jié)合工程實(shí)例 , 分析建筑結(jié)構(gòu)各個(gè)階段溫度 作用的特點(diǎn) , 完善溫度作用和溫差取值的計(jì)算原 則 , 并選出在工程設(shè)計(jì)中起控制作用的溫差取值 , 方便設(shè)計(jì)采用 。 根據(jù)實(shí)際情況建立超長建筑結(jié)構(gòu) 的有限元分析模型 , 采用有限元分析程序 ANSYS 有限元計(jì)算程序 , 進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析 。鄭州第二長途電信樞紐工程主體為超長高層 建筑結(jié)構(gòu) 。主樓地下 1層 , 地上主體 19層 。 19層之上局部突起 2層 。 柱網(wǎng) 9. 6×12m , 主體結(jié)構(gòu) 東西長 134m 。 由于功能要求建筑中間不設(shè)縫 , 南01 港口科技 港口建設(shè) 北長 24m , 高 100. 8m , 采用框架 剪

7、力墻 。 兩側(cè)筒體結(jié)構(gòu)體系 , 建筑面積約 69000m 2。 根據(jù)該建 筑各種構(gòu)件的承力特點(diǎn)和幾何特征 , 選擇合適的 有限單元對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散及模擬 , 見 下圖 1。 其中梁 、 柱構(gòu)件采用三維空間梁單元來 模擬 , 樓板 、 剪力墻和筒體均選用四節(jié)點(diǎn)矩形薄板 單元模擬 , 在無法實(shí)現(xiàn)四節(jié)點(diǎn)矩形單元的位置可 采用三角形或不規(guī)則四邊形單元模擬 。圖 1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)平面有限元網(wǎng)格劃分2 結(jié)構(gòu)溫度作用分析對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的建筑物 , 結(jié)構(gòu)而言 , 分為 3:(1 (2 驟降溫差 。(3 日照溫差 。本文主要關(guān)注建筑在長期溫度荷載作用下的 穩(wěn)態(tài)溫度效應(yīng)計(jì)算 。 根據(jù)算例工程所在地區(qū)的各 項(xiàng)

8、溫度參數(shù) , 設(shè)計(jì)出 7種不利溫度作用組合作為 計(jì)算工況2, 對(duì)該建筑進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算 、 分析 。具體溫度工況的相關(guān)參數(shù)如下 :工況 1:季節(jié)溫升 , 室外構(gòu)件從冬季混凝土終凝 溫度升至夏季計(jì)算溫度 , 室內(nèi)為夏季正常工作環(huán)境。工況 2:季節(jié)溫升 , 室外構(gòu)件從冬季混凝土終 凝溫度升至夏季計(jì)算溫度 , 室內(nèi)為夏季無空調(diào)工 作環(huán)境 。工況 3:季節(jié)溫降 , 室外構(gòu)件從夏季混凝土終 凝溫度降至冬季計(jì)算溫度 , 室內(nèi)為冬季正常工作 環(huán)境 。工況 4:季節(jié)溫降 , 室外構(gòu)件從夏季混凝土終 凝溫度降至冬季計(jì)算溫度 , 室內(nèi)為冬季非正常工 作環(huán)境 。工況 5:冬季遭遇極低溫天氣 , 外圍構(gòu)件外表 面溫度

9、進(jìn)一步降低 , 內(nèi)部構(gòu)件溫度不變 。工況 6:夏季晝夜更替引起的氣溫周期性變化。 外圍構(gòu)件外表面溫度下降 , 內(nèi)部構(gòu)件溫度不變。工況 7:夏季日照溫差引起向陽面外圍構(gòu)件 外表面溫度升高 。 背陽面的外圍構(gòu)件計(jì)算溫度不 變 , 內(nèi)部構(gòu)件溫度保持不變 。 3 溫度應(yīng)力計(jì)算及其分析分別對(duì) 7種工況進(jìn)行了溫度應(yīng)力計(jì)算 , 將部 分構(gòu)件溫度內(nèi)力或應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列于表 1中 。表 中應(yīng)力值為正表示拉應(yīng)力 , 反之為壓應(yīng)力 。 3. 1 梁 在各種溫度工況作用下 , 建筑底層的梁軸力 最大 , 且最大軸力均出現(xiàn)在縱向軸線最長的邊軸 內(nèi) 。 隨著樓層位置升高 , 梁受到來自于底部基礎(chǔ) 的約束作用逐漸減小 , 從

10、而導(dǎo)致梁軸力迅速下降 。 到達(dá)建筑頂部 , 。溫度變 , 而短 , 梁端彎矩的大 、 構(gòu)件之間 的節(jié)點(diǎn)剛度 。從各樓層梁端彎矩分布圖中發(fā)現(xiàn) , 主梁與柱 、 梁與剪力墻 、 梁與筒體交接部位的梁端 彎矩值較大 。 而在規(guī)則的平面柱網(wǎng)區(qū)域內(nèi)梁端彎 矩值較小且分布均勻 , 各樓層的梁彎矩分布受相 鄰樓層的影響不明顯 ?？傮w來說 , 溫度荷載對(duì)梁 構(gòu)件的影響集中體現(xiàn)在建筑底部幾層 。 3. 2 樓板樓板溫度應(yīng)力的分布與發(fā)展同樣遵循著一定 的規(guī)律。 不論在何種溫度工況作用下 , 結(jié)構(gòu)底部幾 層和頂部幾層的樓板溫度應(yīng)力較大。 造成結(jié)構(gòu)底 部幾層特別是底層樓板應(yīng)力較大的原因是 :底部樓 層距離基礎(chǔ)較近 ,

11、 樓板受到框架梁以及剪力墻的約 束作用顯著 , 導(dǎo)致其應(yīng)力較大。 另一方面 , 建筑頂 部受到的約束作用雖然很小 , 但由于頂部屋面板上 作用的溫差值較內(nèi)部構(gòu)件大 , 內(nèi)外之間的變形制約 作用引起了該處的附加溫度應(yīng)力 , 由此造成頂部樓 板的溫度應(yīng)力也較為突出。 同時(shí) , 在建筑中平面布 置發(fā)生突變的部位 , 如尖端、 洞口等位置 , 以及樓板 與剪力墻、 筒體交接處都出現(xiàn)了應(yīng)力突增現(xiàn)象。 平 面布置較為規(guī)則的柱網(wǎng)內(nèi)部樓板溫度應(yīng)力較小。 可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置 , 在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起特別注 意。 若處理不好 , 很可能引起局部混凝土開裂現(xiàn) 象 , 影響整體結(jié)構(gòu)的正常使用。11 港口科技 港口建設(shè)

12、表 1 各工況樓板 、 剪力墻及筒體溫度應(yīng)力極值 工況 樓 板剪力墻和筒體11(M Pa 22(MPa 11(MPa 22(M Pa M I N MAX M I N MAX M I N MAX M I N MAX 工況1-12. 31. 9-8. 13. 5-4. 03. 6-6. 74. 6工況 2-15. 01. 6-12. 84. 1-5. 15. 9-9. 06. 7工況 3-5. 213. 1-5. 88. 0-4. 65. 6-5. 28. 7工況 4-3. 421. 7-6. 214. 4-6. 67. 1-8. 211. 85-1. 22. 5-1. 31. 5-0. 80.

13、9-0. 50. 8工況 6-2. 24. 5-2. 42. 8-1. 41. 6-1. 21. 4工況7-3. 13. 0-2. 11. 7-2. 21. 5-1. 91. 23. 3 柱子與剪力墻 筒體柱子是框架結(jié)構(gòu)中主要的豎向承力構(gòu)件 。 由 于建筑豎向不受約束 , 柱子可以自由熱脹冷縮 , 因 此在溫度作用下柱子軸力相對(duì)較小 , 柱子的溫度 內(nèi)力主要體現(xiàn)在底部兩層的邊柱端彎矩 。 剪力墻 和筒體的存在加大了建筑結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng) 。 由于 該建筑縱向端部設(shè)計(jì)了筒體結(jié)構(gòu) , 大大限制了結(jié) 構(gòu)的梁 、 樓板等的水平伸縮 , 從而引起了較大的溫 度應(yīng)力 。 大梁 、 樓板溫度應(yīng)力的作用 。 。

14、4 結(jié)論通過對(duì)各種溫度工況作用下超長建筑的溫度 效應(yīng)進(jìn)行分析對(duì)比 , 發(fā)現(xiàn)季節(jié)溫差引起的溫度應(yīng) 力明顯大于驟降溫差和日照溫差引起的短期溫度 效應(yīng) 。 季節(jié)溫度作用持時(shí)長 , 溫差大 , 同時(shí)伴隨著 施工過程中的混凝土收縮變形 。 由此決定了季節(jié) 溫差是較為不利的工況作用 , 而其中尤以工況 4(建筑物承受從夏季施工至冬季投入使用過程中 的季節(jié)降溫作用 給結(jié)構(gòu)帶來的危害最顯著 。相 對(duì)而言 , 驟降溫差和日照溫差持時(shí)短 , 作用范圍集 中在建筑外圍構(gòu)件 。 雖然計(jì)算得出的溫度效應(yīng)值 不大 , 然而這些短期溫差通常周期性作用于建筑 物 , 尤其日照溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱作用大大加重 了其不利影響 。溫

15、度應(yīng)力起源于溫度變形受到約束 , 因此混 凝土的徐變松弛現(xiàn)象對(duì)溫度應(yīng)力的緩解作用應(yīng)該 在實(shí)際工程中予于考慮 。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn) 3的建議 , 可將上述有限元彈性計(jì)算的溫度內(nèi)力 (應(yīng)力 乘以混凝土徐變應(yīng)力系數(shù) 0. 3后作為實(shí)際作用的 溫度應(yīng)力 。 我國現(xiàn)行規(guī)范未對(duì)溫度作用與其它荷 載的組合作出規(guī)定 。溫度作用效應(yīng)隨季節(jié) 、 使用 環(huán)境等因素變化而變化 , 需要進(jìn)一步確定溫度作用效應(yīng)的各項(xiàng)組合系數(shù) , 才能真正將溫度作用作 為一種荷載形式引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中去 。 5 建議現(xiàn) , , 經(jīng)過后期定期觀察 , 。 設(shè)置 后澆帶以及控制和抵抗溫度收縮應(yīng)力的具體措施 如下 :有效設(shè)置后澆帶 。后澆帶是列入高規(guī)中的 一種常采用的方法 。 它利用了混凝土早期收縮量 大的特性 , 其設(shè)計(jì)思路是“ 以放為主 ” 。主要作用 是釋放早期混凝土收縮應(yīng)力 , 減小以收縮為主的 變形 。 對(duì)后澆帶的具體做法應(yīng)注意 :1 間距 :高規(guī)規(guī)定為 30m 40m 。建議具體 工程應(yīng)結(jié)合建筑物長度 、 氣候環(huán)境特點(diǎn)綜合考慮 , 一般應(yīng)控制在 30m 左右 ;2 位置 :(1 小跨梁