超长结构温度应力分析与控制措施

超长结构温度应力分析与控制措施

黄金胜

上海华谊工程有限公司上海200241

摘要：随着人们对建筑物使用功能的要求越来越高，一些公共建筑正逐渐向大型化、舒适化发展，大量超长、超宽的大型公共建筑随之涌现。由于季节变化的影响，超长结构的温度应力问题会导致混凝土楼板产生裂缝，严重影响建筑的使用功能和结构安全，因此温度作用在设计中必须予以考虑。本文以某钢筋混凝土框架-剪力墙结构为例，对超长结构的温度应力问题采用有限元分析程序MidasGen进行了计算分析并给出了控制措施。

关键词：超长结构；温度应力；后浇带；有限元分析

1、前言

超长结构，由于季节变化等因素的影响，会让超长结构的混凝土发生变形，当混凝土的变形受到墙体等构件的约束，楼板内便会产生较大的温度应力，当温度应力高出混凝土的抗拉强度时，就会导致混凝土楼板会产生裂缝，通常情况下，若在结构中采用低收缩混凝土材料、设置后浇带以及采用预应力钢筋等措施时，温度应力及收缩应力对结构的影响一般可以忽略。但超长混凝土结构中，如若不进行合理的温度效应控制，柱、墙等竖向构件将产生显著的温度内力，影响结构的承载能力；楼板则很有可能开裂并形成有害的贯通裂缝，对建筑防水和结构的耐久性很不利，影响建筑的正常使用，因此，如何降低温度应力的影响是超长结构设计的关键问题。

2、工程概况

某五星级酒店主楼部分采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构，楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板体系，底部裙楼为两层宴会大厅，并设有斜圆柱形主出入口。框架柱截面尺寸600mmx600mm～900mmx1200mm，墙截面尺寸200～500mm。

现行GB50010－2010《混凝土结构设计规范》中对房屋建筑工程结构伸缩缝的最大间距做如下规定：对于现浇式结构，普通砖混结构50m，框架结构55m，剪力墙结构45m，框架-剪力墙结构根据框架和剪力墙的具体布置情况取45~55m之间，通常可取50m。该酒店结构不设缝轴线尺寸为167.2m，超过了规范要求。

3、温度工况

(1)温度荷载。假设该建筑从当年7月开始地上部分施工，第1～3层施工分别需要一个月，从4层开始每层半个月，至次年二月半完工。按照该假定施加的温度荷载始终为降温作用，为最不利工况。

(2)有限元模型。针对温度应力建立四组模型(M0、M1、M2、M3)，均考虑施工模拟和收缩徐变的作用；其中，部分模型考虑了地下室顶板的转动弹性嵌固，弹簧刚度计算按照柱所连接的梁柱刚度进行计算，为近似值。模型的具体设计参数见表1所示。

结构二层的后浇带设置如图1所示，其余各层M0、M1、M2后浇带设置均同；M3与M2相比，仅在结构第二层增设后浇带c，其余部位后浇带设置均同M0～M2模型。温度有限元模型为保证结构成立，将一跨内的所有次梁和板均设置为后浇带。

4、温度应力分析

本工程采用有限元分析程序MidasGen对本模型进行温度应力计算分析，分别探讨温度应力对框剪结构中的柱、剪力墙、梁板等主要构件的影响，并给出控制措施及建议。

(1)柱内力。通过对比框架柱主要集中区域的温度应力，其中：①主楼最外侧柱(区域1)；②后浇带附近主楼柱(区域2)；③宴会厅大柱(区域3)；④斜圆柱主出入口(区域4)，见图2。

对比结果发现：在各种温度模型工况下，结构一层的温度应力均达全楼最大值，其中尤以宴会厅内的大柱温度应力为最，而后浇带附近的柱温度应力由于施工滞后得到了不同程度得缓解。但由于M0～M3各个温度模型设计参数不同，对比结果发现以下规律：①后浇带滞后楼层一个月封闭工况(M1－1)，对减小柱内力基本无显著贡献；②后浇带在全楼完成后两个月封闭，可有效减小主楼两侧柱的温度效应；③中部增加后浇带后，后浇带附近的柱子温度效应会增加；④斜圆柱区域受力较复杂，且设置后浇带对其温度效应减小有限，需特别关注；⑤设置后浇带可大幅度减小宴会厅大柱的温度效应；⑥与一层柱相比，二层柱的温度效应迅速减小。

控制措施建议：对主楼一层两侧及后浇带附近的柱子、斜圆柱以及宴会厅大柱子在配筋时做适当加强，对二层以上的柱可不做加强。

墙内力。通过对比分析该工程中代表性剪力墙的温度应力计算结果，具体的墙肢位置如图3所示，对比结果发现：温度作用对剪力墙的影响远远大于其对框架柱的影响，其中墙4在M0温度模型下的底层弯矩达到112103kN•m，剪力达到28424kN；而当设置两条后浇带，即在M2模型情况下，墙4的底层温度应力将降低至弯矩4929kN•m，剪力低至1854kN，效果非常显著。（这里指的是图对比）

不同温度模型下剪力墙内力表现出以下规律：①后浇带滞后楼层一个月封闭(M1－1)，对减小墙内力效果极小；②后浇带在全楼完成后两个月封闭，可有效减小墙的温度效应；③设置竖向后浇带对减小主楼边缘切向剪力墙(墙4)的温度效应有较大的效果，墙4的面内弯矩、剪力可大幅度减小；④在二层楼板设置横向后浇带对减小径向剪力墙(墙1、2、3)的温度效应有很好的效果；⑤二层墙的温度效应约为一层墙的一半。

墙温度作用的控制建议：对一层剪力墙(尤其是位于主楼边缘或是后浇带附近的墙)配筋时进行适当加强，对二层以上墙可不做加强。

(3)梁、板温度内力。梁、板作为水平构件对降温工况下的主拉应力比较敏感，具体的温度内力分布表现出如下规律：①设置纵向后浇带可有效减小主楼沿切向梁的温度拉应力；②设置横向后浇带可有效减小二层大厅部分沿径向梁的拉应力；③二层圆形大厅的梁有一定的拉应力，配筋时需加强；④由于剪力墙可视为较强的支座，二层与剪力墙连接处的梁均产生较大的温度效应，配筋时需加强。

梁、板温度效应控制建议：二层梁、板在配筋时需进行加强，其余楼层温度效应在设置后浇带后降至很小，可不进行加强处理。另外，考虑日照因素，顶层楼板亦需进行适当加强。对于裙房屋顶，需按M2模型预留一条后浇带并在结构完成之后两个月进行合拢。

5、超长结构温度应力控制措施

针对超长结构设计中遇到的温度应力问题，总结主要控制措施如下：

选择合理的结构布置形式。结构布置形式决定了建筑是否先天不足，应采用对称均匀的结构布置，避免构件之间协调变形的内力过大；应尽量减小结构的抗侧力刚度和剪力墙的数量，避免将剪力墙等侧移刚度较大的构件布置在结构的端部，但剪力墙的设置要受到多种因素的制约，如建筑平面的限制、结构抗震的需要、正常使用状态对结构变形的要求等都会与减小温度作用的剪力墙设置原则发生冲突，如何协调各种矛盾，尽量兼顾各方面的要求，是设计中的首要任务。

(2)合理确定结构所承受的温差作用，尽可能减小温度对结构可能造成的影响；同时应选择有效的结构计算模型，如精度较高的有限元计算程序，不宜采用杆系计算程序，应能考虑楼板参与整体计算。实际工程的设计中，在概念设计的基础上建立合理的计算模型才能保证结构的安全可靠。

(3)为避免温度应力的影响，可采用设置后浇带的做法或选择适当的膨涨剂以减小收缩对结构的影响。由于设置后浇带后，后浇带封堵的时间决定了结构的初始温度，考虑到温度升降对结构综合性能的影响，应尽量将后浇带的封堵时间选在春秋两个温度适宜的季节。同时应尽量延长后浇带的留置时间，以尽可能的减小混凝土的残余收缩的影响。

(4)可以在不留温度伸缩缝的超长混凝土框架结构中采用纤维混凝土的办法以达到控制温度应力的目的。一般控制混凝土初期裂缝主要是通过控制用水量、选用低热低碱水泥、加强养护以及在设计时严格配置抗裂钢筋等方法。近年来在混凝土中掺加有机纤维控制初期裂缝的方法已经证明是有效的，且得到了广泛的应用。

(5)可以在不留温度伸缩缝的超长混凝土框架结构中采用施加预应力的办法以达到控制温度应力的目的；结构成型时事先在结构的长度方向施加一定的轴向预压应力及相应的预压应变，用以克服结构因温度变化和混凝土收缩引起的收缩变形，全部或部分抵消由此产生的拉应力，避免混凝土开裂或限制裂缝的宽度。

6、结语

超长结构作为当前结构设计中常见的结构类型，温度应力是此类结构设计的关键问题。因此，本文通过某具体超长框架-剪力墙结构的工程实例，对超长结构的温度应力进行了分析研究，通过分析温度作用下重要构件的应力结果给出控制建议，本文提出的温度应力控制措施可以为超长结构的设计与施工提供参考和借鉴。

参考文献：

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