某新工科研发大楼超长结构温度应力分析

第4期（总第228期
）0引言
《混凝土结构设计规范（2015版）》（GB 50010-2010）[1]
第
8.1.1条规定了钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距，当间距增大较多时，温度变化会引起大部分混凝土构件产生较大的温度应力，造成楼板开裂，因此有必要通过结构计算找出温度作用对梁、板、柱内力变化的影响，并根据计算结果采取相应的施工和构造措施加强结构的抗裂能力。

1工程概况
某新工科研发大楼位于福建厦门翔安区，设置1层人防地下室，地上结构采用框架-剪力墙体系，地上层数10层，最大檐口高度为49.25m ，从东到西的总长度为108m ，从北到南的总长度为39.6m ，不允许设置伸缩缝，建筑效果图见图1，图2为典型平面结构示意图。

图1建筑效果图
图2典型平面结构示意图
2温度作用分析
结构温度效应主要包括局部温度效应和均匀温度效应。

通常可以通过建筑覆盖措施来避免局部温度效应的影响，均匀温度效应对结构的影响最大，这也是设计中最常考虑的问题[2]。

由均匀温度变化引起的温差主要是收缩当量温差和季节温差。

2.1收缩当量温差
混凝土收缩来源于水泥浆的一系列物理-化学反应过程，水灰比大收缩大，收缩在60~90d 达到峰值。

本工程沿东西方向设置两条混凝土后浇带，后浇带在60d 后进行浇筑，
混凝土已经完成部分收缩，参考《工程结构裂缝控制》[3]
及《超大面积混凝土地面无缝施工技术规范》（GB/T51025-2016）
[4]附录A.4.1，剩余的混凝土收缩可以换算成当量温差，相关计算公式如下：
εy (t)=εy 0
（1-e
-0.01t
）M 1M 2M 3…M 13
（1）T y （t ）=εy （t ）/a
（2）△T=［εy (∞)-εy (60)］/a
（3）
式中：εy （t ）为任意时间的混凝土收缩值；εy 0
为标准试验状态下的极限收缩，取3.24×10-4；M 1、M 2……M 13为非标准条件的修正系数；T y （t ）为混凝土的收缩当量温度；a 为混凝土的线膨胀系数，取1×10-5。

根据文献[4]表A.4.1取得相应M i 值，εy (∞)=2.168×10-4，
εy (60)=0.978×10-4，△T =（2.168×10-4-0.978×10-4）/（1×10-5）=11.9℃，相应的收缩当量温度为-11.9℃。

2.2季节温差
根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[5]
，厦门市基
本气温最高35℃，最低为5℃，最大温降工况为：
△T K =T s ，min -T 0,max
（4）
式中：T s ，min 为结构最低平均温度；
T 0,max 为结构最高初始平均温度。

结构最高初始平均温度T 0,max 根据结构的合拢时的温度确定。

本工程规定后浇带合拢施工应选择气温较低时进行并控制入模温度，定为10~15℃。

则△T K =5-15=-10℃。

总降温温差为最大降温温差和当量温差之和：-11.9-10=-21.9℃。

某新工科研发大楼超长结构温度应力分析
曾韶崟
（厦门大学建筑设计研究院，福建厦门361002）
摘要
详细介绍了福建厦门市某新工科研发大楼超长结构温度作用效应的计算过程，阐明了季节温差和混凝土
收缩当量温差的标准算法，研究了温度作用对梁、板、柱内力变化的分布规律，提出了相应的设计方法及构造措施以供
参考。

关键词
超长结构；温度应力；温差；收
缩规划设计■
2.3温度工况荷载组合
根据文献[5]和《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068-2018）[6]，在承载能力极限状态下，考虑温度荷载的基本组合如下：
1.3DL+1.5LL+1.5×0.6×TA
1.3DL+1.5TA+1.5×0.6×LL
一般情况下，在楼板设计过程中，先按永久荷载和楼面活荷载组合下得到的楼板内力值进行设计，然后再按温度作
用工况下分析得到楼板的应力值进行温度钢筋的额外配置，楼板设计时温度作用可单独按1.5TA考虑[7]。

3计算结果与分析
3.1结构模型参数
本工程采用YJK2.0.0结构有限元软件进行温度作用分析，楼板单元采用改进膜单元（NQ6Star），温度作用计算时勾选非强刚，地下室受到周围土的包围约束，温度变化较小，因此不对地下室定义温差荷载。

构件设计时温度荷载产生的轴力只在包含温度荷载组合中考虑，由于弹性板的计算模型考虑了面外刚度，在弹性板的应力计算结果中，弯矩产生的应力可能占主导，查看到的拉应力结构往往较大，应查看内力中的轴力结果，然后根据轴力反算应力状态，这样可以忽略弯矩产生的应力，真正反映温度对楼板轴向力的影响。

温度效应是一种长期效应，应考虑非线性因素。

例如，混凝土的徐变应力松弛特性，考虑收缩和徐变的混凝土构件温度效应的折减系数取为0.3。

3.2结构整体变形及梁柱内力分析
如图3所示，在各层定义的升温和降温数值相同，且各层平面竖向变化不大时，嵌固端层约束较大，和嵌固端相邻的楼层在楼层平面内方向变形较大，该楼层杆件内力较大，导致梁、柱配筋较大，但是再往上各层由于它们之间相对变形小，温度荷载下的内力不大，因此温度荷载对配筋的影响也不大。

以图4所示为例，各层平面内部框架梁及次梁轴力极值出现在各层平面的中心区域，而外围框架梁轴力由中心向两边增大，这是由于剪力墙大部分布置于外围角部区域，刚度较大，约束也较大，造成内部构件和外围构件内力分布呈现相反的发展趋势。

随着层数增加，梁在温度荷载作用下轴力呈逐渐减小趋势。

图3温度工况下结构变形图
图4二层结构降温工况局部框架梁轴力图
3.3楼板应力分析
以图5二层楼板为例，降温工况下最大楼板拉应力出现结构中部及洞边、剪力墙与楼板连接部位，由于左、右两边跨结构布置有较多剪力墙，刚度较大，对楼板变形有较大约束作用，边跨板局部出现楼板受压的情况，对楼板抗裂有利。

本工程设计时忽略这一有利条件，针对降温受拉工况，在温度工况下楼板按轴心受拉构件额外配置温度钢筋。

则需配置额外温度钢筋配筋率ρ为：
ρ≥
σ
c
f
y
（5）式中：σc为楼板主拉应力设计值（N/mm2）；f y为钢筋的抗拉强度设计值（N/mm2）。

图5二层楼板降温工况局部最大主应力图（单位：MPa）
降温工况下各楼层楼板拉应力随层数增加递减，与嵌固端相连层（二层）拉应力最大，部分楼层楼板需设置额外温度钢筋配筋率详见表1。

表1部分楼层楼板最大主拉应力及温度钢筋配筋率
注：5F~10F楼板主拉应力较小，本表不再列出
4结论及建议
（1）对于超长混凝土结构，温降收缩是引起结构开裂的主要原因，在与嵌固端相连层，温度工况引起的结构应力、应变最大，需在设计中予以加强，随层数增加应力、应变减小明显。

楼层较大范围主拉应力/MPa温度钢筋配筋率/%
2F0.510.14%
3F0.310.086%
4F0.050.014%
(下转第66页）
（2）温差效应需要考虑混凝土自身收缩的影响并将其换算为当量温差，与季节温差叠加计算，并考虑混凝土徐变的影响。

（3）楼板温度应力在洞口边、平面凹凸角、剪力墙与楼板连接处较大，宜适当增加楼板配筋率。

在多种荷载组合作用下，楼板截面应力分布较为复杂，根据应力进行配筋较为复杂，为简化设计，可以采用单独考虑温度工况的方法进行温度钢筋的配置。

（4）混凝土应采用低水化热水泥，并在保证强度前提下，适当掺入矿物掺合料及膨胀纤维抗裂防水剂，以提高和易性并减少水泥用量，加强混凝土的抗裂及气温变化耐受能力。

（5）合理设置后浇带，后浇带的合拢浇筑施工需在60d 后进行，有条件可以延长至90d，并选择气温较低时段进行施工，控制混凝土合拢温度，从而避免混凝土收缩应变的高峰发展期，有效降低温差效应。

参考文献[1]混凝土结构设计规范（2015版）:GB50010-2010[S].北京：
中国建筑工业出版社，2015.
[2]傅学怡，吴兵.混凝土结构温差收缩效应分析计算[J].土木
工程学报，2017(40):50-59.
[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版
社，2009.
[4]超大面积混凝土地面无缝施工技术规范:GB/T
51025-2016[S].北京：中国计划出版社，2016.
[5]建筑结构荷载规范:GB50009-2012[S].北京：中国建筑工
业出版社，2012.
[6]建筑结构可靠性设计统一标准:GB50068-2018[S].北京：
中国建筑工业出版社，2018.
[7]徐宇鸣，奚彩亚.混凝土楼板温度应力分析的关键问题探
讨[J].广东土木与建筑，2019(7):37-39.
作者简介：曾韶崟（1986-），男，硕士研究生，工学硕士，工程师，研究方向：结构工程。

设置的疏散楼梯总净宽度为32.6m（不含下沉式广场楼梯总宽度），而各分区利用下沉式广场疏散累计的总净宽度为26.84m。

本项目利用下沉式广场进行消防设计，达到了既满足人员疏散的要求又保证商业空间的最大化的目标（见图3）。

3小结
海西城市文化广场地下文化商业街的消防设计亮点，主要是抓住项目消防设计的关键点，并将其与项目自身功能和空间布局特点结合，因地制宜，使消防设计目的和项目利益实现了双赢。

目前，单建式地下空间开发必然会随着城市地下空间的开发越来越多，希望本文能为类似开发项目的消防设计提供一定的参考。

参考文献
[1]建筑设计防火规范（2018年版）:GB50016-2014[S].北
京：中国计划出版社，2018.
[2]商店建筑设计规范:JGJ48-2014[S].北京：中国建筑工业
出版社，2014.
[3]相华江,鄢银连,解志勇,等.基于避难走道与下沉广场的地
下商业街安全疏散[J].消防科学与技术,2019,38(08):1094-1096.
[4]彭曼.浅谈大型地下商业建筑消防及对策[J].消防界(电子
版),2016(07):53.
（“海西城市文化广场”项目为天津华汇工程建筑设计有限公司与中国建筑上海设计研究院有限公司厦门分公司的合作项目，本人时任该项目施工图阶段消防设计的负责人）
作者简介：张顺昌（1979-），男，福建龙海人，研究生，工程师，主要研究方向：建筑设计。

图3文化商业街的防火分区设计和疏散楼梯设计（上接第60页）。