鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置變形縫,允許不同的結(jié)構(gòu)單體自由變形,目的是為減小由于溫差(早期水化熱或使用期季節(jié)溫差)和體積變化(施工或使用早期的混凝土收縮)等間接作用效應(yīng)積累的影響而引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力。一般來說,變形縫的最大間距不宜超過規(guī)范要求，然而確定變形縫的“正確”間隔又是一個有爭議的問題。規(guī)范建議的經(jīng)驗距離通常用于常規(guī)建筑物結(jié)構(gòu)變形縫的設(shè)置。對于不規(guī)則形狀,以及建筑有特殊要求的結(jié)構(gòu),變形縫設(shè)置間距遠超過規(guī)范限制,此時采用有限元分析樓板的溫度應(yīng)力并指導(dǎo)設(shè)計是非常必要的。

本文以寧夏煤業(yè)集團辦公樓(以下簡稱寧煤辦公樓)的超長混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計為例,提出超長混凝土結(jié)構(gòu)平面溫度應(yīng)力的有限元分析方法。結(jié)構(gòu)分析主要考慮了以下幾個計算條件：一是建筑物體表溫度變化,主要是結(jié)構(gòu)體隨季節(jié)溫度變化；二是因工程建造期較短,考慮冬季和夏季兩種極端施工環(huán)境對不同樓層變形的影響；三是考慮鋼筋混凝土材料本身特性。根據(jù)參考文獻[2-3]確定熱分析以及混凝土收縮分析的有限元計算參數(shù),分析過程中采取局部加強構(gòu)造的方式,加強結(jié)構(gòu)抵抗溫度變化的能力,控制混凝土裂縫的開展。綜合參考文獻[1-6]以及本工程建筑物的獨特幾何形狀和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,對本工程進行評價。

1 工程概況

本工程地處寧夏回族自治區(qū)銀川市西北經(jīng)濟開發(fā)區(qū),辦公樓地上12層,地下一層,頂層板頂高48.6 m。平面呈扇形,長約160 m,寬約30 m。辦公樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,按照現(xiàn)行國家規(guī)范與地方規(guī)范進行設(shè)計。結(jié)構(gòu)三維示意圖見圖1,典型樓面平面示意圖見圖2,該圖包含樓板及框架柱示意。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010—2010)》,伸縮縫最大間距為55 m。但由于該建筑物獨特的平面,按照規(guī)范設(shè)置伸縮縫對結(jié)構(gòu)體系是不安全的,主要是因為建筑要求在整個大樓中部通高開洞,中部所留的結(jié)構(gòu)部分過于狹窄。所以該結(jié)構(gòu)無法設(shè)置伸縮縫,按照一個單體進行分析設(shè)計。

圖1 三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 典型平面示意圖

2 溫度荷載分析

當辦公樓投入使用后,取暖和空調(diào)開始運行,可以控制結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度在一定的范圍內(nèi)波動,由此減少了結(jié)構(gòu)體溫的變化。所以可以推斷,結(jié)構(gòu)體溫的峰值只會出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)建造過程中,且圍護結(jié)構(gòu)尚未完工,相比于建筑的整個生命周期,建造過程是個相對較短的時間,在這個過程中遭遇極端天氣的可能性也是非常小的,所以我們的分析只考慮平均高溫和平均低溫。

圖3顯示了銀川地區(qū)近10年的月平均最低溫和月平均最高溫,數(shù)據(jù)來源于中國氣象局網(wǎng)站。使用現(xiàn)有數(shù)據(jù),擬合一條連續(xù)的設(shè)計溫度曲線,包括月平均最高溫和月平均最低溫,其中月平均最高溫發(fā)生在7月,月平均最低溫發(fā)生在1月。因此該設(shè)計溫度曲線最高溫為30.4℃,最低溫為-12.9℃。這條溫度曲線提供了整年的溫度變化情況。

圖3 銀川地區(qū)月平均高溫、月平均低溫、設(shè)計分析溫度

3 混凝土收縮

混凝土收縮是從混凝土凝結(jié)開始一直持續(xù)貫穿混凝土整個生命周期的現(xiàn)象。本文根據(jù)美國混凝土協(xié)會報告ACI 209R-1992(reapproved1997)中的研究成果即ACI混凝土收縮計算公式,對本工程混凝土自由收縮變形進行模擬。

(1)

式(1)中：t表示養(yǎng)護后的天數(shù),εshu=0.000 78γsh,而γsh表示非標準條件下修正系數(shù)的乘積,在本研究中此項取值為1,認為混凝土構(gòu)件基本滿足標準條件。

圖4顯示了混凝土隨時間變化的收縮應(yīng)變。從中可見,55%的收縮發(fā)生在混凝土澆筑的前45 d。由于采用后澆帶措施,結(jié)構(gòu)分析時,可不考慮這部分的混凝土收縮。

圖4 混凝土自由收縮應(yīng)變

4 開工時間模擬

對于高層建筑物,隨著施工的推進,不同樓層混凝土樓板的施工環(huán)境溫度不同。處在不同樓層的樓板的混凝土齡期不同,收縮的速率也不同。在這個項目中,我們考慮溫度引起的應(yīng)變以及混凝土收縮引起的應(yīng)變。因此,需要考慮施工順序?qū)σ陨蠀?shù)造成的影響,例如開工時間、施工速度、施工進程，這樣就能夠更準確地模擬不同樓層的環(huán)境條件。

對于建造開始的時間,本文做兩種假設(shè)：冬季開始(1月份)；夏季開始(7月份)。假設(shè)一般每層樓建設(shè)時間為15 d，后澆帶封閉時間為45 d。每一層樓板的初始溫度選擇后澆帶澆注時的溫度,在此之間,近似認為樓板是自由變形的。同樣,任何時間凈收縮變形需要用當時的計算收縮變形減去后澆帶澆注前已經(jīng)發(fā)生的收縮變形。

施工模擬分析采用以上參數(shù),每一層樓板按照一定的時間間隔考慮施工工期的收縮應(yīng)變以及溫度應(yīng)變,最終求解一段時間后(例如2014年1、4、7、10月幾個時間節(jié)點上)各樓層的應(yīng)變。圖5僅給出了施工起始時間在2013年1月和2013年7月的兩種情況。從圖中可以看出,溫度應(yīng)變和收縮應(yīng)變的和基本上都是負的,溫度最低的時候溫度應(yīng)變最大。兩種不同情況的區(qū)別在于,出現(xiàn)最大應(yīng)變的樓層不同：情況一出現(xiàn)峰值應(yīng)變的樓層接近頂層,而最小的應(yīng)變出現(xiàn)在底層；情況二則剛好相反。

圖5 開工時間對各樓層應(yīng)變的影響

5 溫度應(yīng)力分析

本文主要模擬上述兩個施工順序下的溫度荷載響應(yīng)。通過對每層樓板施加當量溫度荷載的方式統(tǒng)一考慮收縮應(yīng)變和季節(jié)溫度應(yīng)變。當量溫度荷載引起的樓板應(yīng)變與季節(jié)溫度應(yīng)變和收縮應(yīng)變之和是相同的。圖6-10分別顯示了第2,3,10,12層以及屋面樓板的拉應(yīng)力包絡(luò)圖。

從分析結(jié)果看,應(yīng)力總體水平較低,尤其是大樓的中部,大部分的樓板區(qū)域拉應(yīng)力均低于1 MPa,雖然存在局部的應(yīng)力集中,例如框架柱、中部連廊附近,有些區(qū)域的峰值拉應(yīng)力超過了1.5 MPa。盡管如此,拉應(yīng)力水平并沒有超過混凝土的抗拉強度,理論上是不會形成開裂的。

圖6 2樓樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖7 3樓樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖8 10樓樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖9 12樓樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

圖10 屋面樓板拉應(yīng)力包絡(luò)圖

由于基礎(chǔ)的約束作用,二層樓面更容易出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,從分析結(jié)果上看,中部連廊部分應(yīng)力已經(jīng)超過了混凝土極限抗拉強度。在溫度荷載以及混凝土收縮共同作用下,一旦截面開裂,混凝土應(yīng)力釋放,而板中的鋼筋承受拉力,通過計算可知,這時鋼筋的拉應(yīng)力大概在10～20 MPa,這么小的鋼筋拉應(yīng)力不會明顯增加鋼筋數(shù)量。

6 結(jié) 語

寧煤辦公樓的分析計算,是為了研究溫度變化對于鋼筋混凝土樓板和建筑整體的影響, 收縮的荷

載也考慮在內(nèi)。本文使用有限元分析計算了混凝土收縮以及溫度變化對建筑結(jié)構(gòu)的影響,其中混凝土收縮轉(zhuǎn)化成當量溫度荷載。不同的樓層根據(jù)施工的順序,施加了相應(yīng)的當量溫度荷載。計算結(jié)果顯示,樓板絕大多數(shù)區(qū)域拉應(yīng)力低于1.5 MPa,因此樓板不會在溫度和混凝土收縮荷載作用下產(chǎn)生裂縫。即使在局部區(qū)域,例如框架柱邊、角部等拉應(yīng)力超過了2.0 MPa,可能會引起微細裂縫,但局部板應(yīng)力會隨之釋放。

為了減少可能由混凝土收縮或者溫度變化引起的樓板裂縫,可以采取以下結(jié)構(gòu)措施：盡量在環(huán)境溫度低的時候澆注混凝土；在樓板的角部放射狀布置構(gòu)造鋼筋,增加連廊部分,特別是框架柱周邊的樓板厚度；所有樓板配筋應(yīng)至少滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010—2002)》規(guī)定的溫度收縮鋼筋的要求；樓板鋼筋上下雙向全部拉通。通過以上措施,超長混凝土框架結(jié)構(gòu)樓板的溫度應(yīng)力問題是可以得到解決的。

參 考 文 獻

[1] ACI Committee 209. Prediction of Creep, Shrinkage and Temperature Effects in Concrete Structures[R]. Manual of Concrete Practice, 1990,Part 1, 209R 1-92．

[2] ACI Committee 224. Cracking of Concrete Members in Direct Tension[R]. Manual of Concrete Practice, 1990,Part 3, 224.2R-92.

[3] 張玉明. 考慮具體施工條件的超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計算[J].建筑技術(shù),2006(1):64-66．

[4] 趙楠.超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析與設(shè)計措施[J].結(jié)構(gòu)工程師, 2013(12):14-18．

[5] 華旦.超長混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析與設(shè)計實踐[J].建筑結(jié)構(gòu),2012(7):56-59．

[6] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997．