大空間超長框架結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的研究

1、大空間超長框架結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的研究一、研究的目的和意義近年來，隨著我國改革開放的不斷深入，國民經(jīng)濟(jì)得到迅速發(fā)展，綜合國力不斷增強(qiáng)，城鄉(xiāng)建設(shè)也發(fā)生了日新月異的變化。我國在建筑設(shè)計(jì)、施工技術(shù)等方面都有了飛速的發(fā)展，建筑正朝著規(guī)模更大、結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜、功能更齊全的方向發(fā)展。各種大柱網(wǎng)、大面積、大空間結(jié)構(gòu)形式的公共建筑和工業(yè)廠房也不斷涌現(xiàn)出來。鑒于建筑與結(jié)構(gòu)的整體性，此類建筑一般采用預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，為了減少混凝土材料的收縮及溫度變化所帶來的長度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的危害，可在結(jié)構(gòu)中設(shè)置溫度伸縮縫，伸縮縫的寬度一般為50mm,文獻(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距:結(jié)構(gòu)處于室內(nèi)或土中時(shí)，現(xiàn)澆

2、式框架結(jié)構(gòu)為55m，露天時(shí)，框架結(jié)構(gòu)為35m。但是,由于地震引起的結(jié)構(gòu)在伸縮縫處的破壞現(xiàn)象較多,而 伸縮縫按抗震縫寬度設(shè)計(jì)又會(huì)給防風(fēng)、防水和保溫等建筑構(gòu)造帶來許多困難。目前，高層建筑由于功能上的需要，一般要求不設(shè)或少設(shè)伸縮縫，致使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長100m以上者日見增多，從80年代開始，在民用和工業(yè)建筑中，為滿足使用功能和生產(chǎn)工藝需要，逐步開始使用超長混凝土結(jié)構(gòu)，通常將這種建筑的梁板稱為大面積現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)，就是長度和寬度都超過規(guī)范不設(shè)縫要求的結(jié)構(gòu)。大面積現(xiàn)澆樓蓋也就隨之產(chǎn)生了。進(jìn)入90年代以后，國內(nèi)大量涌現(xiàn)出不同類型的超長大面積現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)將己建成的一些工程列舉如下。首都國際機(jī)場新航站樓，沈

3、陽桃仙機(jī)場擴(kuò)建工程，杭州蕭山國際機(jī)場候機(jī)樓，深圳華僑生態(tài)廣場，珠海拱北口岸聯(lián)檢大樓，廈門SM商業(yè)城，福州匯多利裝飾城，北京東方廣場等，這些工程由于不按照規(guī)范設(shè)置伸縮縫，多數(shù)采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力樓蓋體系，樓板中設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，利用后澆帶將平面分為若干個(gè)施工區(qū)，由于不設(shè)或少設(shè)溫度縫將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重裂縫，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。由于大面積現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)平面尺寸很大，又不設(shè)伸縮縫，若不采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)或施工措施，將會(huì)出現(xiàn)大面積開裂的現(xiàn)象。有些裂縫直接影響了工程的施工質(zhì)量，例如衛(wèi)生間的樓板，如果出現(xiàn)貫穿性裂縫將會(huì)導(dǎo)致漏水現(xiàn)象。當(dāng)樓板處在不穩(wěn)定溫度場、干濕交替、有侵蝕介質(zhì)以及承受激烈動(dòng)荷反復(fù)作用條件下，裂縫會(huì)隨時(shí)間的增

4、加而擴(kuò)展，還會(huì)產(chǎn)生表面網(wǎng)狀裂縫、表面酥松剝落、較快較深的鋼筋銹蝕及混凝土碳化和逐漸增加撓度等，給整個(gè)工程帶來極其嚴(yán)重的危害。還有的工程由于裂縫問題被迫停工處理，甚至不得不修改設(shè)計(jì)方案，造成了極大的損失。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)，將會(huì)引起很大損失。由于建筑物體型復(fù)雜，各處溫度參數(shù)很難，計(jì)算框架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力存在著很大困難，這就使得在實(shí)際的工程計(jì)算中，人們采用簡化的計(jì)算方法，得出的結(jié)論粗糙。甚至在結(jié)構(gòu)計(jì)算中不考慮溫度作用，只做構(gòu)造處理。因此大空間框架結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題，本文正是在此背景下進(jìn)行研究的。由于超長框架結(jié)構(gòu)是近幾年才涌現(xiàn)出來的新型結(jié)構(gòu)形

5、式，在過去的幾十年中，國內(nèi)涉及到這種結(jié)構(gòu)形式的工程較少，國內(nèi)外的研究成果主要集中在大體積混凝土、橋梁、壓力容器等混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)于框架及大面積樓蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的分析研究資料很少。因此對(duì)此類結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)理論的研究較為空白。我國規(guī)范、規(guī)程及各類專著中對(duì)大面積現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工方法也沒有明確的規(guī)定解決超長框架結(jié)構(gòu)裂縫問題的關(guān)鍵是如何解決樓蓋的溫應(yīng)力問題。但是在大面積現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，并沒有計(jì)入溫度荷載的影響，我國正在建造一些超長高層建筑，為了保證超長高層建筑結(jié)構(gòu)在溫度作用下正常使用和建造的經(jīng)濟(jì)性，急需此方面研究成果。超長高層建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型異常復(fù)雜，加之溫度作用問題的復(fù)雜性，造成超

6、長高層建筑結(jié)構(gòu)溫度問題計(jì)算理論還不完善，也需要開展此方面的研究，以豐富高層建筑結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容。二、國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀、水平與發(fā)展趨勢（一）收縮徐變的研究收縮徐變是影響樓蓋應(yīng)力的一個(gè)重要因素。近年來，研究人員主要是對(duì)徐變和收縮的數(shù)學(xué)模型及結(jié)構(gòu)分析理論進(jìn)行改進(jìn)工作。東南大學(xué)的韓重慶、馮健、呂志濤等人從混凝土徐變計(jì)算的齡期調(diào)整有效模量法(T-B法)出發(fā)，通過對(duì)比典型框架在混凝土收縮及溫度變化作用下的彈性和徐變解析解，提出了框架結(jié)構(gòu)約束系數(shù)和徐變應(yīng)力折減系數(shù)的概念及計(jì)算方法，結(jié)合框架結(jié)構(gòu)空間彈性有限元分析，得到了大面積混凝土梁板結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析的徐變應(yīng)力折減系數(shù)法。為大面積梁板結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力的研究提供了一

7、個(gè)簡便有效的計(jì)算方法。（二）溫度應(yīng)力的研究國外關(guān)于溫度應(yīng)力方面的研究，提出了橫向溫度應(yīng)力估計(jì)值，定量地討論了厚壁箱梁的溫度應(yīng)力問題，認(rèn)為溫度應(yīng)力是預(yù)應(yīng)力箱梁發(fā)生裂縫的主要原因。開展了一系列的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)觀測和理論研究，們通過溫度場理論，應(yīng)用有限元法進(jìn)行溫度應(yīng)力的計(jì)算，得出控制溫度、防止裂縫的技術(shù)措施。但是以上的研究多數(shù)是針對(duì)大體積水下混凝土工程的。有限元分析方法以其強(qiáng)大的計(jì)算能力已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析，但就目前的研究成果來看，多是針對(duì)結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件進(jìn)行研究，或是對(duì)整體結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力進(jìn)行定性分析，很少有定t給出溫度應(yīng)力大小范圍的文章。應(yīng)用有限元分析方法，對(duì)整體超長框架結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力問題進(jìn)行系

8、統(tǒng)分析，還有待進(jìn)一步研究。三、主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及預(yù)期成果形式和水平本文將在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)超長框架結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力問題進(jìn)行探討，研究成果為進(jìn)行超長框架結(jié)構(gòu)溫度問題的合理設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)?；谶@一背景，本文將主要進(jìn)行了下述幾個(gè)方面的研究工作:1.建立符合鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)有限元分析模型，供超長鋼筋混凝土架結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力問題分析使用，解決超長高層建筑結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力問題。采用簡化計(jì)算模型計(jì)算誤差過大的缺陷。2.完善溫度作用和溫差取值的計(jì)算原則，給出計(jì)算水平溫差T的表達(dá)式，建立超長鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)在溫度作用下的方程，提出相應(yīng)的求解策略。3.通過計(jì)算給定溫度對(duì)超長鋼筋混凝土框架

9、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響，探討超長高層建筑結(jié)構(gòu)在溫度作用下的不利工況，給出超長框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)由于溫度變化造成結(jié)構(gòu)的梁、柱和樓板等應(yīng)力和內(nèi)力變化范圍，便于超長高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，解決以往研究注重理論而成果不便直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)的問題。四、應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益分析由于超長框架結(jié)構(gòu)是近幾年才涌現(xiàn)出來的新型結(jié)構(gòu)形式，在過去的幾十年中，國內(nèi)涉及到這種結(jié)構(gòu)形式的工程較少，國內(nèi)外的研究成果主要集中在大體積混凝土、橋梁、壓力容器等混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)于框架及大面積樓蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的分析研究資料很少。因此對(duì)此類結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)理論的研究較為空白。我國規(guī)范、規(guī)程及各類專著中對(duì)大面積現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工方法也沒有明確的規(guī)定解決超長框架結(jié)構(gòu)裂縫問題的關(guān)鍵是如何解決樓蓋的溫應(yīng)力問題。但是在大面積現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，并沒有計(jì)入溫