超长高层建筑在季节升温作用下的温度效应分析

郑州第二长途电信枢纽工程主体结构东西长１４ ３ ｍ， 中间不设缝 ， 南北长２ ｍ， ０．ｍ， ４ 高１０ ８ 采用框架一 剪 力墙 、 两侧筒体结构体系， 建筑面积约６ ００ ９ ｍ 。由于 ０ ２ 该建筑具有跨度大 ， 楼体高 ， 结构形式复杂等特点 ， 对 其进行温度效应研究 ，所得结果不仅可为设计施工提 供详尽的温度效应数据 ，还可为其他类似建筑考虑温 度作用提供参考。
变形小， 约束弱则变形大” 的物理概念。 ２ 梁温度效应分析 ． ２ 梁是结构中承受水平温度作用 的主要构件之一。 在无外界约束的条件下 ，梁若受到均匀的温度变化作 用， 将处于各方向应变相同的常应变状态， 这是一种 自 由的热变形 ， 不产生内部应力。 只有当梁受热又受外界 约束时， 梁内才会产生温度内力。表２ 中为梁构件温度 内力极值的计算结果。
少设伸缩缝， 导致钢筋混凝土结构长ｌｏ 以上者 日 ｏｍ 渐 增多， 这就需要考虑温度对结构受力状态的影响。 国内 外对超长高层建筑的温度问题 己经开展了不少研究 ， 并取得了很多成果［ 但多数研究只进行了超长建筑 Ｕ１ ３ ， 温度效应的定性分析 ，或采取简化方法计算构件或局 部结构的温度应力，而对整体结构温度效应开展研究 的较少。 随着计算机运算能力的迅速发展， 利用大型有 限元程序进行整体结构的温度问题计算和分析已经成
剪力墙（ 包括筒体）
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万方数据
・１ １ ２－
建
筑
技
术
第３ ６卷
约 也 束 最大， 此 产 很大的 压 尤其 因 该处 生 轴向 力。 画 ｌｃ， ｏ 夏季室外平均气温为３ ．ｃ ， ｃ ５ Ｃ 室内在有空调正常 ６ 轴 弧 相 其 线为 形， 对于 他纵向 乡 轴长 最 另 轴 物夕 度 长。 工作情况下保持恒定温度为２ ０。因此结构中各部位 ８ Ｃ 外，０轴的 条 段 墙， 及 线 部的 体， ｆ ） 多 分 剪力 以 轴 端 筒 ｎ 构件的中面温度为， 外围构件： ＝３． ２） ＝１ Ｔ （ ６ ８／ ３． 都 大了 Ｏ轴 温 变 约 作 相 于 中 ５＋ ２ ８ 加 对 ）梁 度 形的 束 用。 对 纵向 Ａ
１ 结构温度问题分析模型和温度工况
图 １ 结构标准平面有限元 网格划分
本文选用大型通用有限元软件Ｓｐｒ ９程序１ ｕｅ ＳＰ ４ Ａ ３ １
进行结构温度问题计算。 结构中的梁 、 柱构件采用三维 空间梁单元模拟 ， 楼板 、 剪力墙构件选用４ 节点矩形薄
赵 娟 ， ， ７ 年６ 女 １ ７ 月生， ９ 河南开封人， 哈尔滨工业大学土木工程学院， 博 士研究生 ， ０ ９ ， １ ００ 哈尔滨 ５ 收稿 日 ： ０ － ９ ２ 期 ２ ４ ０－ ５ ０
（． １ 哈尔滨工业大学土木工程学院，５００ 哈尔滨；． １０９ ， ２ 郑州大学土木工程学院，５０２郑州） ４００ ，
摘 要： 利用有限元方法建立超长高层建筑温度问题计算的有限元模型， 对郑州第二长途电信枢纽工程 主体结构在季节升温作用下的整体温度效应进行计算 ， 得出各类受力构件（ 楼板、 梁、 柱及剪力墙） 的温度变形以
１ ４ １ ， ｝ － ｏ ８ ｎ Ｕ ６ ０ ４ ０ ２ ０ 口 八 ０
置，弯矩随之变化 ； （）在各楼层内， ２ 主 梁与柱交点、 梁与剪
（日 ・ 之 巴 ＼ 圳 韧
Ｅ 十 ０ Ｅ ＋ ０ Ｅ ＋ ０ Ｅ 十 ０ Ｅ ＋ ０ Ｅ ＋ ０ Ｅ 十 ０ Ｅ 十 ０
力墙交点处 的弯矩 较大， 主梁与次梁交
Ｚ Ａ Ｊ ａ ｉ Ｉ ａ Ｈ Ｏ ｕ ｎ ＣＨＥ Ｈｕ Ｌ Ｔｉｎ Ｎ ａ
Ａ ｓ ａｔ Ａ ｉｔ ｌ ｅｔ ｏｅ ｓ ｔ ｂ Ｍ ｏ ａ ｕ ｔｇ ｅ ｍ ｅ ｔｅ ｂｔ ｃ ｎｅ ｅ ｎ ｒ ： ｆｉ ｅ ｍ ｍ ｄｌ ｓ Ｆ ｆ ｃｌ ｌｉ ｔ ｐｒｕ ｏ ｉ ｅ ｕ ｙ Ｅ ｐ ｒ ｃ ａｎ ｔ ｅ ａ ｒ ｆ ｈ ｓ ｅ ｌ ｇ ｉ －ｉ ｂｉｉ ． ｒ ｇ ｃｌ ｌｉ ｏ ｔ ｉｅｒ ｔ ｐｒｕ ｅｅｔ ｔ ｕ ｒ ｏ ， ｇ ｒｅ ｕｄ ｇ ｈ ｕｈ ａ ｕ ｔｎ ｎ ｅ ｔ ａ ｅ ｅ ｔ ｅ ｆ ｏ ｈ ｍ ｉ ｐ － ｎ ｈ ｈ ｓ ｌｎ Ｔ ｏ ｃ ａｏ ｈ ｎ ｇ ｌ ｍ ａ ｒ ｆｃ ｆ ｅ ａ ｎ ｓｕｔ ｅ Ｚｅｇ ｏ Ｌｎ ｎｅ ｏ ｍ ｎ ａｏ ａｇ ｏ Ｐ ｊ ｔ ａ ａ ｏｔｎｄ ｔｃ ｒ ｆ ｎｚ ｕ ｏｇ ｉａｃ ｒ ｕ ｏ ｈ ｈ Ｄｓ Ｃｍ ｕｉ ｔｎ ｘｈｎｅ ． ｒｅ ， ｔ ｒ ｂ ｉ ， ｔ ｃ ｉ Ｅｃ Ｎ ２ ｏ ｃ ｄ ａ ｅ ａ ｅ ｓ ｈ ｔ ｐｒｕ ｄｆｍ ｔｎ ｌ ｄ ｍ ｏｅｔ （ ａ ， ｏｒ ｃ ｕ ｎ ｄ ｅｒ ｌ ｕ ａ ｔ ｅ ｅ ｔ ｅ ｏ ａｏ ｏ ｏ ｃ ｐｎｎ ｏ ｌ ａ ｓ ａ ａ） ｃ ｓ ｅ ｍ ａ ｒ ｅ ｒ ｉ ｆ ａ ｏ ｈ ｓ ｂ ｍ ， ｏ ｍ ｎ ｈ ｗ ｌ ｅ ｌ ｆ ， ｃａ ｃ ｒｔｓ ｔ ｐｒｕｅｃｕｅ ｉｅｏ ｆｃ ｏ ｔｓ ｎ ｖｌ ｓ ｐ ｈ ａ ｈｒ ｔｉｉ ｏ ｅ ｅ ｔ －ａｓ ａ ｅ ｓｃ ｆ ｍ ａ ｒ ｄ ｔｉ ｏ ｅ ｓｅ ａｄ ａ ｅ ｏｅ ｅ ｏ ｗ ｉ ｍ ｙ ｎ ｒｒ ｒ ｒ ｓ ｒ ｕ ｃ ｔｒｆ ｈ ｅ ， ｈ ｃ ｂ ｓ ｅ ｒ ｃ ｏ ｅ ｐｒｕ ｅｅｔ ｔ ｄｓｎ ｓｐｒｌ ｇ ｉ －ｉ ｂｉｉ ｓ ｅ ｅ ａ ｆｅ ｅ ｒ ｍ ｅ ｔ ｅ ｆ ｉ ｈ ｅ ｇ ｏ ｕｅ ｏ ， ｇ ｒｅ ｌｎ ． ｕ ｄ ｒｅ ｎ ｆ ｔ ａ ｒ ｆｃ ｎ ｅ ｉ ｆ － ｎ ｈ ｈ ｓ ｕｄ ｇ ｓ Ｋ ｙ ｏ ｓ ｓ ｅ ｏ ｈ ｈｒｅ ｌｎ ｓ ｓ ａ ｉｎ ｆ ｍ ｅ ｔｅ ｔ ｅ ｔ ｅ ｆ ｔ ｄ： ｐｒｌ ｇ ｉ － ｓ ｂｉｉ ； ａ ｎｌ ｉ ｏ ｔ ｐｒｕ ； ｐｒｕ ｅｅ ｅ ｎ ｗ ｒ － ｕ ｇ ｉ ｇ ｅ ｏ ｒ ｇ ｅ ａ ｒ ｒ ｆｃ ｕｄ ｓ ｅ ａ ｍ 目前 ， 由于功能的需求 ， 高层建筑一般要求不设或 板单元模拟， 筒体部分采用薄板单元来近似模拟。 结构
图 ４ 各层梁轴力最小值曲线
４０ Ｅ＋ ３ ．０ ０ ３０ Ｅ＋ ３ ．０ ０ ２０ Ｅ＋ ３ ．０ ０ １０ Ｅ＋ ３ ．０ ０ ００ Ｅ ０ ．０ ＋ ０
果 。结构主体部分 （ 不包括顶部局部突 起的２ 层）梁端弯矩
楼层
图 构 体 形 意 ３结 整 变 示
点 移， 合“ 束 则 位 符 约 强
２１ 结构整体 变形 ．
梁而言 ， 横向梁因长度较短且布置横向剪力墙较少， 梁 内轴力相对较小。 随着楼层的增高， 各楼层内的梁轴力 逐渐减小（ 见图４ ５ 。 ，）造成这种递减趋势的原因在于随 着楼层增高 ， 梁受到 底部 的约束作用逐 渐减小 ， 因约束而产
名＼ 长 暴 之
０ ４ ８ ０ １ １ １ ２ ２ ２ ６ １ １ ４ ８ ２ ６ ０２ ００ Ｅ＋ ０ ．０ ０ 一ｌ Ｅ＋ ３ ．０ ０ ０ － ．０ ＋ ３ ２０ Ｅ ０ － ．０ ＋ ３ ３０ Ｅ ０ － ．０ ＋ ３ ４０ Ｅ ０
表２ 升温工况下梁 内力极值
弯矩／ｋ － ） ／ Ｎｍ （
最大轴
力／ Ｎ ｋ
分布遵循 以下几条 规律 ：１ （）各层梁弯 矩 的大小 与其所在 楼层位置无 明显关 系， 而只与梁本身几 何特性、 抗弯刚度有 关，在梁横截面积、 刚度发生改变的位
（日 ・之 巴 ＼ 裂 韧
最大值
最小值
楼层 点处 的弯矩 较 小 ； 图 ７ 各层梁弯矩最大值曲线 （） ３从原建筑设计角 度来看 ， 横向梁截面积大于纵向梁截面积 ， 这是由于设
考虑转换梁 不考虑转换梁 考虑转换梁 不考虑转换梁
Ａ Ａ Ｙ Ｉ Ｏ Ｔ ＭＰ Ｒ Ｔ Ｒ Ｅ Ｆ Ｃ Ｓ Ｆ Ｐ Ｒ Ｌ Ｎ ， Ｇ － ＩＥ Ｕ Ｌ Ｉ Ｇ Ｎ Ｅ Ｔ Ｅ Ｎ Ｌ ＳＳ Ｎ Ｅ Ｅ Ａ Ｕ Ｅ Ｅ Ｔ Ｏ Ｓ Ｅ － Ｏ Ｇ Ｈ Ｈ Ｒ Ｓ Ｂ Ｉ Ｄ Ｎ Ｕ Ｄ Ｒ Ｈ Ｆ Ｕ Ｉ
ＡＣＴ ＯＮ ＵＲＥ Ｉ ＯＦ Ｅ ＯＮＡＬ Ｓ Ｇ Ｓ ＡＳ ＲＩ Ｉ Ｎ ＯＦ Ｅ Ｐ ＲＡＴ Ｔ Ｍ Ｅ
为可能 。
标准平面有限元网格划分及标准层平面如图１２结构 ，， 有限元划分数据列于表ｔ ｏ
根据文献「，〕 ５６ 中关于超长高层建筑结构温度作
用计算工况的探讨， 选用文献［ 中的工况１ ［ ６ ］ 作为本文 的温度计算工况，所考虑的温度作用是从建筑物冬季
施工到夏季投人使用的过程中，季节温差与混凝土硬 化收缩引起的等效温度变化的共同作用。结合工程实 际情况 ， 考虑结构设置后浇带 ， 混凝土收缩的当量温差
为５ ９。郑州地区冬期施工混凝土终凝温度为Ｔ Ｃ 凝 ＝ ℃； 内部构件：中２ ０。其中外围构件是指直接暴露 Ｔ＝８ Ｃ
于大气中受 日光照射的构件 ， 包括有楼盖 、 外围筒体 、 剪力墙等， 内部构件是指结构内保持恒温的构件 ， 包括 楼板 、 柱等构件。 梁、 由此 ， 温度工况外围构件的温度变 化为 ：１ －０ ５ １．（ ； ３ ． １－ ＝ ６ ｔ）内部构件温度变化为 ：８ ８ ８ ２－ １－ ＝ ３℃） ０ ５ １（ 。 ２ 计算结果及其分析
构件名称 单元数
图 ２ 标准层平面
表１ 结构７７ ７０ ３８ ２６
几何特性组数
５ ５ ３ ５
材料特性组数
７ １ １
０４ 梁、 １ ８ ５ 柱 ７６ 楼板 ６ ７
＊ 河南省自然科学基金资助项 目（２ １６７０ ０ １０００ ）
楼层
生的梁温度 内力也 必然随之减小。 此现 象验证 了温度效应 是温度变化与外界 约束共 同作用 的结
之 洲 ＼ 长 撰
在季节升温作用下， 结构整体发生膨胀变形， 整体 变形如图３ 所示。 结构变形引起的节点位移变化范围在 最小值０ 与最大值１．ｍ 间，其中最大的节点位移发 ７ ｍ ７ 生在筒体顶部外边缘处。 由于双筒位于结构的东西两 侧， 筒体内侧与主体结构 通过剪力墙相连接 ， 筒体 外侧所受 的约束作用相 对较小 因此在距离底部 ， 基础约束最远 的筒体顶 部外侧边缘 出现最大节
第 ３ 卷 （０５ ） ２ ６ ２０ 年 第 期
Ｖｏ３６ ． ｌ ２ Ｎｏ
建 筑 技 术 Ａｃｉｃ ｒ Ｔｃｎｌ ｙ ｒ ｔ ｔ ｅ ｈｏ ｇ ｈｅ ｕ ｅ ｏ
超长高层建筑在季节升温作用下的温度效应分析’
赵 娟‘ 陈 淮“ 李 天“
图 ５ 各层梁轴力最大值曲线
楼层
０ ４ ８ ０１ ４１ ８ ２ ２ ６ １ ２１ ６１ ２ ０２
－ ．Ｅ ０ ． ３０ ＋ ２ － ．Ｅ ０ ６０ ＋ ２ － ．Ｅ＋ ２ ９０ ０ －１２ ＋ ．Ｅ ０
＿＿训刚肠”喇冷勺、 户 ．。
， －
图 ６ 各层梁弯矩最小值曲线
及温度 内力或应力特点及数值范围等 ， 可供超长高层建筑结构设计中考虑温度作用的参考。 关键词： 超长高层建筑； 季节升温作用； 温度效应 中图分类号 ： Ｔ ９ ３ ５ Ｕ ． ６ ７２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：００ ４ ２ （０５ ０－ １１０ １０ － ７ ６２０ ）２ ０ １－ ３