建筑設(shè)計(jì)論文范文超長地下室溫度應(yīng)力分析

　　摘 要: 針對(duì)混凝土超大面積地下室頂板的溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究,考慮了混凝土彈性模量和收縮徐變隨時(shí)間的變化以及結(jié)構(gòu)的不同約束條件等因素,應(yīng)用有限元法對(duì)溫度應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行分析,討論了混凝土不同齡期和約束作用對(duì)溫度應(yīng)力的影響程度,為超長地下室頂板溫度應(yīng)力、應(yīng)變控制設(shè)計(jì)提供參考.

　　關(guān)鍵詞: 土木建筑工程,混泥土,溫度應(yīng)力,分析

　　1 概 述

　　近年來隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,在高層、大跨結(jié)構(gòu)以及道路、橋梁等建設(shè)工程中,對(duì)不設(shè)伸縮縫混凝土結(jié)構(gòu)的長度要求越來越高.現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定了混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距,同時(shí)指出,當(dāng)采取一定的措施后,溫度的伸縮縫間距可以加大.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和算法的日趨成熟以及材料科學(xué)的進(jìn)步,人們能夠設(shè)計(jì)出不設(shè)或少設(shè)伸縮縫的超長、超大的混凝土結(jié)構(gòu).

　　對(duì)于計(jì)算超長、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力存在一些困難,一是結(jié)構(gòu)各處的溫度分布和混凝土收縮等參數(shù)隨著時(shí)間的變化難以準(zhǔn)確確定;二是由于混凝土材料的彈塑性性質(zhì),在溫度等因素作用下混凝土的強(qiáng)度、彈性模量也隨時(shí)間變化;三是混凝土的徐變、應(yīng)力松弛對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常大.本文以溫州某商業(yè)城地下室超長頂板為實(shí)例研究溫度應(yīng)力問題.由于地下室結(jié)構(gòu)的超長性、復(fù)雜性使得地下室頂板的溫度應(yīng)力分析成為該工程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中的重要組成部分,本文應(yīng)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(jié)構(gòu)的整體剛度和約束等條件對(duì)該工程溫度應(yīng)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(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部各點(diǎn)的溫度與太陽輻射、氣溫的改變, 以及結(jié)構(gòu)所處的地理位置、地貌條件、結(jié)構(gòu)方位、朝向等有關(guān),同時(shí)在結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部和外表面之間存在著以輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)等方式與周圍環(huán)境進(jìn)行的熱交換,而且結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)的溫度受材料的熱物理特性的影響很大,由此產(chǎn)生的溫度場分布也很復(fù)雜.在工程應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)遇冷空氣侵襲, 導(dǎo)致外表面迅速降溫, 結(jié)構(gòu)形成較大的內(nèi)外溫差;

　　3) 年溫度變化,它是長期的緩慢作用, 使得結(jié)構(gòu)整體發(fā)生均勻的溫度變化, 產(chǎn)生較大的整體位移, 計(jì)算時(shí)以平均溫度為零溫度應(yīng)力時(shí)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(jié)構(gòu)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(fā)的過程中,體積就產(chǎn)生了收縮變形,當(dāng)受到外部(支座)或內(nèi)部(鋼筋)的約束時(shí),將在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力,甚至開裂.經(jīng)研究混凝土的收縮應(yīng)變值超過其軸心受拉峰值應(yīng)變的3～5倍,一般可達(dá)到(300～600)×10-6,不利條件下可達(dá)(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(zhì)等多種因素有關(guān), 相應(yīng)形成了多種計(jì)算模型.

　　3 有限元分析

　　3.1 溫度應(yīng)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(yàn)和工程實(shí)踐證實(shí),隨著混凝土齡期的增長,混凝土的彈性模量持續(xù)增長,規(guī)范CEBFIPM90中混凝土的彈性模量隨齡期增長的計(jì)算公式為:Ec(t)= Ec/Bt (6)式中: Bt = es (1-28/t);Ec為齡期t =28天時(shí)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(qiáng)水泥取0 20;t為混凝土齡期,假定從澆注完成一天開始計(jì)算.由上式可見,在澆注初期混凝土的彈性模量較小,所產(chǎn)生的應(yīng)力也較小,而隨著齡期的增長,在降溫期間彈性模量已經(jīng)增加,相應(yīng)地由溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)力也增大,當(dāng)?shù)窒麎簯?yīng)力后仍有較大的拉應(yīng)力時(shí),有可能使混凝土開裂.由此可見,在計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)需要考慮彈性模量隨時(shí)間變化的影響.

　　3.1.2 徐變與應(yīng)力松弛

　　混凝土受力后水泥凝膠體的塑性流動(dòng)要持續(xù)一個(gè)很長的時(shí)間,即產(chǎn)生徐變變形.而保持混凝土的應(yīng)變值不變,應(yīng)力值將隨時(shí)間的延長而減小,即為應(yīng)力松弛.混凝土的徐變和松弛隨時(shí)間而增大,增長率逐漸減小.混凝土的徐變和松弛現(xiàn)象將改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)布,對(duì)于受彎構(gòu)件可使撓度增大2～3倍,引起預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力的損失;另一方面,徐變的出現(xiàn)延緩收縮裂縫的出現(xiàn),減少了由于支座不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力,降低了溫度應(yīng)力作用.據(jù)有關(guān)資料表明,考慮混凝土徐變作用將使得溫度應(yīng)力的分析結(jié)果降低30%～50%,由此可見徐變的考慮對(duì)分析結(jié)果有非常重要的影響.由于混凝土徐變的復(fù)雜性,基于不同簡化假設(shè)的理論也很多,從工程應(yīng)用出發(fā),文中將計(jì)算的彈性解按40%進(jìn)行折減簡化.

　　4 實(shí)例分析

　　某住宅超大面積地下室頂板的溫度應(yīng)力進(jìn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(guī)范設(shè)縫要求的長度.

　　4. 1 溫度場計(jì)算

　　由于該工程為梁板結(jié)構(gòu)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(qiáng)度遠(yuǎn)大于極限抗拉強(qiáng)度,因此混凝土的收縮作用更加不利于結(jié)構(gòu)的抗裂性能.另外,相對(duì)于計(jì)算參考溫度,如果在整體結(jié)構(gòu)中收縮和膨脹區(qū)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(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和應(yīng)變.計(jì)算時(shí)考慮不利情況,讓整體結(jié)構(gòu)均勻下降15c .

　　4. 2 混凝土的收縮和彈性模量的變化

　　根據(jù)該工程實(shí)際情況取以下參數(shù):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(jì)算.代入式( 1)～( 6)得到混凝土的收縮和彈性模量隨時(shí)間變化結(jié)果.計(jì)算結(jié)果可知混凝土的收縮變形在一年齡期內(nèi)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(nèi)逐漸增大,變化較明顯,之后增長非常慢.

　　4. 4 計(jì)算結(jié)果及分析

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

　　5 結(jié) 論

　　(1) 混凝土的彈性模量在早齡期變化較大.在溫度應(yīng)力、應(yīng)變的模擬計(jì)算中, 溫度應(yīng)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(yīng)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(duì)溫度應(yīng)力影響很小,在應(yīng)用中可以忽略這種的變化.

　　(2) 混凝土收縮產(chǎn)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(yīng)力時(shí)必須考慮的主要影響因素之一.

　　(3) 溫度應(yīng)力是一種約束應(yīng)力,當(dāng)沒有約束存在時(shí)溫度應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生,同樣, 當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的約束將增加由于溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力,而由于施工過程中結(jié)構(gòu)剛度的不斷變化將引起溫度應(yīng)力、應(yīng)變改變,最終改變幅度與約束條件的強(qiáng)弱以及計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)形式相關(guān).

　　(4) 在選取計(jì)算溫差時(shí)要注意,氣溫的變化是周期性的,而混凝土收縮產(chǎn)生的等效溫差是單調(diào)增加的,并且混凝土的極限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其極限抗拉強(qiáng)度, 因此為了得到最不利的情況,應(yīng)選取結(jié)構(gòu)降溫時(shí)工況計(jì)算.

　　( 5) 由于混凝土的徐變對(duì)模擬計(jì)算的結(jié)果影響非常大,而混凝土的徐變又和材料性質(zhì)、應(yīng)力水平、加載時(shí)的齡期等許多因素相關(guān),徐變對(duì)溫度應(yīng)力的影響尚有待深入研究.

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 劉開國. 超長框架結(jié)構(gòu)的溫度變形與溫度應(yīng)力[ J ] . 建筑結(jié)構(gòu),2011.

　　[2] 馮 健, 呂志濤. 超長混凝土結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用[ J ] . 建筑結(jié)構(gòu),2009.

《建筑設(shè)計(jì)論文范文超長地下室溫度應(yīng)力分析》

上一篇：建筑設(shè)計(jì)評(píng)職論文高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題淺析

下一篇：建筑工程論文范文施工管理及質(zhì)量控制措施