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    【同辰原創】樓板溫度應力分析探討

    • 時間:2021-06-01
    • 作者:同辰建筑
    • 瀏覽:171次
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    概述:溫度應力分析目的


    溫度應力算是一個老生常談的概念,但具體溫度對結構的實際影響有多大,大家時常僅僅停留在概念階段,并沒有深入研究。隨著國民經濟的發展,各種超高、超長和復雜的綜合體項目層出不窮。對于這種復雜的結構體系,如何針對溫度應力進行合理的設計,就成了迫在眉睫的問題!


    僅僅通過概念加強,全部加大構造配筋,勢必造成浪費。反過來如果關鍵部位加強不足就會造成開裂,影響正常使用。所以通過計算發現需要加強的關鍵部位就成了我們亟待解決的問題。


    △ 樓板裂縫


    在研究混凝土溫度應力之前,我們不妨先回顧下混凝土的特性:



    • 混凝土澆筑過程水化熱使混凝土內外產生溫差;
    • 混凝土降溫階段逐漸散熱冷卻產生收縮;
    • 混凝土硬化過程中本身的收縮。



    上述這些特性和溫度降低時混凝土的應變趨勢是相同的,因此,現在問題的關鍵就是變成了溫降工況下,對混凝土板內拉應力的研究。


    《混規》5.7.1條中提到:當混凝土的收縮、徐變以及溫度變化等間接作用在結構中產生的作用效應可能危及結構的安全或正常使用時,宜進行間接作用效應的分析,并應采取相應的構造措施和施工措施。


    《混規》5.7.2條中提到:混凝土結構進行間接作用效應的分析,可采用本規范第5.5節的彈塑性分析方法;也可考慮裂縫和徐變對構件剛度的影響,按彈性方法進行近似分析。







    溫度荷載的計算思路


    依據規范的思路,我們需要計算溫度荷載對結構的作用效應,并考慮混凝土開裂和徐變對剛度的影響;



    計算溫度溫度應力,最關鍵的一步就是確定溫差荷載,而溫差荷載通常包含兩部分,均勻溫度作用和混凝土收縮當量溫差。通常,我們需要研究均勻溫度作用中的溫升和溫降兩種工況。







    溫差計算


    1、溫升荷載,即最高平均溫度與最低初始平均溫度之差。



    2、溫降荷載,即最低平均溫度與最高初始平均溫度之差。



    注意,上述計算時初始平均溫度是一個變量,那么如何確定初始溫度就是我們首先要討論的問題。通常超長混凝土結構一般都設有后澆帶,初始溫度(合攏溫度)一般認為是后澆帶封閉時的月平均氣溫(包括施工中可能出現的最高/最低合攏溫度)。


    下面通過一個算例說明初始溫度的確定方式,某項目后澆帶封閉時月平均氣溫為15℃,考慮當月溫差5℃,確定結構合攏溫度為 15±5℃;那么,最低初始平均溫度:T0,min=15-5=10℃,最高初始平均溫度:T0,max=15+5=20℃。


    3、混凝土收縮當量溫差,混凝土收縮和溫降工況在混凝土中產生同向疊加的應力狀態,因此接下來就需要研究,混凝土收縮對結構造成的影響,并設法進行量化,混凝土的收縮量及收縮速率是隨時間而變化的,混凝土澆筑后10~30 天內完成最終收縮量的15%~25%,澆筑后3~6 個月中,完成最終收縮量的60%~80%,在一年后可完成最終收縮量的95%。


    后澆帶間距越小,留的時間越長,對樓蓋結構的抗裂越有利,混凝土收縮換算的當量溫差就越小?;炷潦湛s當量溫差的計算原理就是根據混凝土的收縮應變和線膨脹系數返算出溫差變化量,即( △T =εsh ( t) /αt )。根據國內外相關文獻研究,一般主體混凝土澆筑兩個月后封閉后澆帶時,混凝土的收縮當量負溫差可取-10℃。







    應力松弛


    一般來說,混凝土的徐變對溫度收縮應力起到應力松弛效應,在很大程度上降低了彈性溫度應力,因此通過應力松弛系數考慮徐變對混凝土收縮應力的折減。一般混凝土齡期大于20天時,可取0.3。








    溫差計算案例


    某市最高平均氣溫37℃,最低平均氣溫-6℃,考慮類似商場的有集中空調系統的大型公共建筑,可取室內最高平均氣溫25℃,最低平均氣溫18℃。


    合攏溫度:15±5℃。



    溫度應力參數計算:


    施工階段:



    使用階段:








    程序計算流程


    盈建科軟件:



    1. 計算溫度荷載,應力松弛系數0.3,注意此處如已填寫應力松弛系數,則在計算溫差時不必重復考慮;
    2. 勾選生成繪制等值線用數據;
    3. 彈性板荷載計算方式:選有限元計算;
    4. 膜單元類型:選改進膜單元;
    5. 不強制采用剛性樓板假定;
    6. 前處理樓板定義為彈性板6或彈性膜,即需要考慮混凝土樓板面內剛度;
    7. 輸入溫差荷載;
    8. 在等值線中查看溫度應力分析結果。





    Midas Gen軟件:


    Gen軟件建模計算時需要注意的問題有:



    1. 需建立實際樓板單元,其板面豎向荷載按壓力荷載輸入,要注意與另一種樓板荷載的布置方式,分配樓面荷載加以區分。
    2. 需同時定義面內面外厚度,即同時考慮面內面外剛度。








    結論及建議


    地下室部分與地上塔樓部分溫差變化是不同的,一般多層地下室越往下,溫度變化越小,當離開土體表面超過10m時,溫度基本恒定。因此在同一棟建筑中,地上與地下溫度荷載應分開設定。


    通過分析結果可知,建筑長度并不是影響溫度應力的唯一因素,豎向構件對樓板的約束剛度才是關鍵所在。溫度荷載引起的拉應力大小跟約束有關,因此在整體溫降作用下,底層拉應力最大,往上逐漸減小。


    由于地下室頂板以下部位溫度變化較小,通常僅考慮地上部分溫度荷載引起的變化,根據計算結果溫降工況下,二層樓板拉應力最大,三層明顯較小,以上各層迅速減小。變化原因主要是地下室頂板剛度比較大,對塔樓柱底接近固接的約束作用,使柱底在平面內無法變形,導致對二層樓板的約束最大,往上隨著豎向構件的水平位移,底部嵌固端的約束效應逐漸減弱,樓板約束應力迅速減小。


    △ 降溫二層板拉應力


    △ 降溫三層板拉應力


    設計時可在二、三層按照溫度應力與其他樓層對構造加強措施加以區別,不宜采用相同構造加強措施。另外需要指出的是,屋面層通常由于溫差變化較大,因此溫度應力也較為明顯,也是需要構造加強的區域,但其與二層樓板相比兩者的成因是有區別的。



    參考文獻:

    [ 1 ] 混凝土結構設計規范(GB50010 - 2002)

    [ 2 ] 王鐵夢,工程結構裂縫控制[M ] ,北京: 中國建筑工業出版社,1997. 8

    [ 3 ] 夏堅,超長混凝土結構收縮當量溫差計算分析[ J ],建筑結構,2008

    [ 4 ] N. J. Gardner and M. J. Lockman, Design Provisions for Drying Shrinkage and Creep of Normal - Strength Concrete [ J ]. ACI Materials Journal,2001




    ▌作者:同辰建筑 師乙丹

    ▌本文僅代表作者個人分析總結,僅供參考

    ▌來源:同辰建筑原創發布,轉載請注明以上信息


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