摘 要: 針對混凝土超大面積地下室頂板的溫度應力進行了研究,考慮了混凝土彈性模量和收縮徐變隨時間的變化以及結構的不同約束條件等因素,應用有限元法對溫度應力、應變進行分析,討論了混凝土不同齡期和約束作用對溫度應力的影響程度,為超長地下室頂板溫度應力、應變控制設計提供參考.

　　關鍵詞: 土木建筑工程,混泥土,溫度應力,分析

　　1 概 述

　　近年來隨著我國建筑業的迅猛發展,在高層、大跨結構以及道路、橋梁等建設工程中,對不設伸縮縫混凝土結構的長度要求越來越高.現行規范中規定了混凝土結構伸縮縫的最大間距,同時指出,當采取一定的措施后,溫度的伸縮縫間距可以加大.隨著計算機技術和算法的日趨成熟以及材料科學的進步,人們能夠設計出不設或少設伸縮縫的超長、超大的混凝土結構.

　　對于計算超長、復雜結構的溫度應力存在一些困難,一是結構各處的溫度分布和混凝土收縮等參數隨著時間的變化難以準確確定;二是由于混凝土材料的彈塑性性質,在溫度等因素作用下混凝土的強度、彈性模量也隨時間變化;三是混凝土的徐變、應力松弛對計算結果影響非常大.本文以溫州某商業城地下室超長頂板為實例研究溫度應力問題.由于地下室結構的超長性、復雜性使得地下室頂板的溫度應力分析成為該工程結構分析計算中的重要組成部分,本文應用有限元程序ANSYS分析了不同齡期混凝土彈性模量、收縮徐變以及結構的整體剛度和約束等條件對該工程溫度應力的影響.

　　2 溫差及混凝土的收縮

　　2. 1 氣溫變化的分類

　　混凝土結構表面和內部各點的溫度與太陽輻射、氣溫的改變, 以及結構所處的地理位置、地貌條件、結構方位、朝向等有關,同時在結構物的內部和外表面之間存在著以輻射、對流和傳導等方式與周圍環境進行的熱交換,而且結構內各點的溫度受材料的熱物理特性的影響很大,由此產生的溫度場分布也很復雜.在工程應用中一般將溫度載分成以下幾類:

　　1)日溫差作用,即一天之內氣溫最高值與最低值之差;

　　2) 驟然降溫溫度變化, 主要是工程結構遇冷空氣侵襲, 導致外表面迅速降溫, 結構形成較大的內外溫差;

　　3) 年溫度變化,它是長期的緩慢作用, 使得結構整體發生均勻的溫度變化, 產生較大的整體位移, 計算時以平均溫度為零溫度應力時的參考溫度, 以最高與最低月平均溫度的變化值作年溫變化;

　　4) 人為溫度變化, 建筑結構因工藝要求迅速升溫或降溫.

　　2. 2 混凝土的收縮作用

　　混凝土在空氣中逐漸硬化、水分散發的過程中,體積就產生了收縮變形,當受到外部(支座)或內部(鋼筋)的約束時,將在混凝土中產生拉應力,甚至開裂.經研究混凝土的收縮應變值超過其軸心受拉峰值應變的3～5倍,一般可達到(300～600)×10-6,不利條件下可達(800～1000)×10-6,使其成為引起大面積混凝土開裂的主要原因之一.混凝土收縮是長期的過程,并且和水泥品種、骨料性質等多種因素有關, 相應形成了多種計算模型.

　　3 有限元分析

　　3.1 溫度應力影響因素

　　3.1.1 混凝土材料彈性模量的變化

　　大量的試驗和工程實踐證實,隨著混凝土齡期的增長,混凝土的彈性模量持續增長,規范CEBFIPM90中混凝土的彈性模量隨齡期增長的計算公式為:Ec(t)= Ec/Bt (6)式中: Bt = es (1-28/t);Ec為齡期t =28天時的混凝土彈性模量;s取決于水泥種類, 普通水泥和快硬水泥取0.25,快硬高強水泥取0 20;t為混凝土齡期,假定從澆注完成一天開始計算.由上式可見,在澆注初期混凝土的彈性模量較小,所產生的應力也較小,而隨著齡期的增長,在降溫期間彈性模量已經增加,相應地由溫度產生的拉應力也增大,當抵消壓應力后仍有較大的拉應力時,有可能使混凝土開裂.由此可見,在計算溫度應力時需要考慮彈性模量隨時間變化的影響.

　　3.1.2 徐變與應力松弛

　　混凝土受力后水泥凝膠體的塑性流動要持續一個很長的時間,即產生徐變變形.而保持混凝土的應變值不變,應力值將隨時間的延長而減小,即為應力松弛.混凝土的徐變和松弛隨時間而增大,增長率逐漸減小.混凝土的徐變和松弛現象將改變結構的內力發布,對于受彎構件可使撓度增大2～3倍,引起預應力混凝土構件中預應力的損失;另一方面,徐變的出現延緩收縮裂縫的出現,減少了由于支座不均勻沉降產生的應力,降低了溫度應力作用.據有關資料表明,考慮混凝土徐變作用將使得溫度應力的分析結果降低30%～50%,由此可見徐變的考慮對分析結果有非常重要的影響.由于混凝土徐變的復雜性,基于不同簡化假設的理論也很多,從工程應用出發,文中將計算的彈性解按40%進行折減簡化.

　　4 實例分析

　　某住宅超大面積地下室頂板的溫度應力進行了分析研究.該工程是帶11棟高層建筑的一層超大地下室,該地下室結構復雜, 地下室平面呈扇形，水平向最寬處317.5米，垂直方向最寬處314.35米，屬于超長地下室,明顯超出規范設縫要求的長度.

　　4. 1 溫度場計算

　　由于該工程為梁板結構形式,因此選用三維梁單元和板殼單元,忽略溫度在板厚度方向的傳遞過程.由于混凝土的極限抗壓強度遠大于極限抗拉強度,因此混凝土的收縮作用更加不利于結構的抗裂性能.另外,相對于計算參考溫度,如果在整體結構中收縮和膨脹區域都存在,由于膨脹和收縮的作用相互抵消,將降低由于溫差引起的整體結構溫度應力和應變.計算時考慮不利情況,讓整體結構均勻下降15c .

　　4. 2 混凝土的收縮和彈性模量的變化

　　根據該工程實際情況取以下參數:Bsc=5,RH=60%,fc=15N/mm2,Ec=3.0×104N/mm2,2ACu=100(取地下室頂板體積與表面積比值),s=0.25,齡期t、ts的取值從澆注完成第一天開始計算.代入式( 1)～( 6)得到混凝土的收縮和彈性模量隨時間變化結果.計算結果可知混凝土的收縮變形在一年齡期內增長很快,隨后增長開始減緩,從第三年齡期以后增長趨勢明顯減慢,但齡期超過6年后混凝土收縮變形仍有增長.彈性模量在齡期一年內逐漸增大,變化較明顯,之后增長非常慢.

　　4. 4 計算結果及分析

　　地下室頂板單元在混凝土齡期一年時等效收縮應變等值線分布,可以明顯看到,沿著車庫中心向外收縮應變逐漸增大, 中間區域收縮應變較大,又因為局部約束和剛度條件不同,如梁、柱、剪力墻相接處,最大收縮應變位置隨之改變,并不在板的圓心區域.由于同樣原因,在剪力墻和梁柱交接處區域的收縮應變均大于附近區域應變,而且其應變值遠大于混凝土極限抗拉應變,應力分布與應變分布類似.

　　5 結 論

　　(1) 混凝土的彈性模量在早齡期變化較大.在溫度應力、應變的模擬計算中, 溫度應力隨混凝土彈性模量的改變而線性變化,因此在混凝土的早齡期溫度應力分析中要特別重視這種變化,在后期分析中彈性模量增長非常緩慢,對溫度應力影響很小,在應用中可以忽略這種的變化.

　　(2) 混凝土收縮產生的等效溫差較大,且隨混凝土齡期的變化明顯,是分析溫度應力時必須考慮的主要影響因素之一.

　　(3) 溫度應力是一種約束應力,當沒有約束存在時溫度應力不會產生,同樣, 當加強結構的約束將增加由于溫度作用產生的內力,而由于施工過程中結構剛度的不斷變化將引起溫度應力、應變改變,最終改變幅度與約束條件的強弱以及計算模型的結構形式相關.

　　(4) 在選取計算溫差時要注意,氣溫的變化是周期性的,而混凝土收縮產生的等效溫差是單調增加的,并且混凝土的極限抗壓強度遠大于其極限抗拉強度, 因此為了得到最不利的情況,應選取結構降溫時工況計算.

　　( 5) 由于混凝土的徐變對模擬計算的結果影響非常大,而混凝土的徐變又和材料性質、應力水平、加載時的齡期等許多因素相關,徐變對溫度應力的影響尚有待深入研究.

　　參考文獻：

　　[1] 劉開國. 超長框架結構的溫度變形與溫度應力[ J ] . 建筑結構,2011.

　　[2] 馮 健, 呂志濤. 超長混凝土結構的研究與應用[ J ] . 建筑結構,2009.