超长混凝土结构温度应力分析

超长混凝土结构温度应力分析

虞菊芳1, 陈朝阳2, 朱晗迓3

(1 杭州中诚工程造价咨询事务所, 杭州 310072; 2 浙江中汇会计师事务所有限公司, 杭州 310072;

3 浙江大学建工学院防灾所, 杭州 310072)

摘 要 通过对具体工程实例进行分析,利用有限元进行模拟,得出了温降作用下结构内部的温度应力的大小及其分布规律。从而对超长结构的温度作用进行探讨,分析了目前建筑物中常见温度裂缝的产生原因。同时对预应力作用进行模拟,探讨了预应力对降低混凝土温度应力的作用。

关键词 温度应力;预应力;裂缝

中图分类号 TU528 文献标识码 A 文章编号 1001-6864(2004)04-0050-02

ANALYSIS OF THE THERMAL STRESS IN ULTRA-LONG CONCRETE STR UC TUR E

YU Ju fang1,C HE N Zhao yang2,ZHU Han ya3

(1 Hangzhou Zhongcheng Office of Project C ost,Hangzhou310072,China;

2 Zhejiang Zhonghui Accountant Office C o.Ltd,Hangzhou310072,China)

Abstract:The thermal stress of a real structure was analyzed with finite ele ment analysis(FEA)method, and the rules of the ther mal stress distribution were given.Then,the reasons of the fa miliar thermal cracks were discussed.At last,the effect of prestressing was simulated,and the influence of the prestress on structure crack ing was discussed.

Key words:thermal stress;prestress;crack

0 引言

针对某高校体育馆的温度应力,运用有限元进行模拟分析,探讨其中的温度应力的变化规律,并有针对性的建立对比模型,通过比较得出温度应力的一般规律,供工程建设中参考。最后也对预应力的作用进行了模拟,分析了预应力技术对于防治温度裂缝的作用。

1 工程简介和模型分析

某高校新校区体育馆,主跨35m,柱子尺寸为700mm 1000mm,主梁为450mm 1800mm,柱顶标高9m,主跨横向尺寸为5 14=70m,属于超长结构。

为了考虑温度应力对结构的作用,防止出现温度裂缝,对此结构进行了有限元的模拟分析,得出其温度应力的大小和分布规律。在实际建造中运用了预应力技术来降低温度应力的危害,本文也对其进行了模拟分析,以了解预应力的作用。在建立模型的时候,考虑到结构物的对称性,同时也为了降低计算的自由度数目,选取结构的四分之一建立有限元模型。

2 结构物温度作用的规律

2 1 温度作用的产生

当混凝土结构受到降温作用时,结构物自身就会发生收缩变形(混凝土的线膨系数为 c=1 10-5),当变形受到约束的时候,结构物内部就会产生温度应力。

2 2 结构物柱子在温度作用下的变形

结构物各柱子在温降作用下的变形图见图1,从图中可以看出,随着各柱子距离中轴线距离的增大,柱顶的位移也基本成正比例地增大,说明柱子的内力也是逐渐地增大,边柱由于位移最大,柱子所受到的内力也是最大。另外当柱子刚度增大一倍以后,其柱顶位移略有降低,但是数量上也是很小。这也说明了,温度应力对于柱子的作用,基本上和柱子刚度成比例的,当柱子刚度增大的时候,由于柱顶位移基本保持不变,则柱子中由于温度变化产生的弯矩也就相应增大。同时对预应力作用下进行了有限元模拟,结果表明预应力的作用对于柱子的影响很小。

2 3 楼板内的应力分布

对于楼板在温度作用下的内部应力分布,图2和图3分别为纵向各直线上以及横向各直线上的拉应力分布图。从图3可以看出,整个温度应力在各直线上都不是均匀变化的,而是在每两榀框架间的楼板两边都受到大梁的约束作用,而整个呈现出不断振荡的变化。在整个建筑物的中间部分,温度应力的振荡幅度相对较小,整个温度应力相对比较均匀分布。越往两边过去,振荡的幅度越来越大,并且到了楼板的边缘部位基本上就是在中轴上下振荡了。这也反映了对于超长结构的温度应力,其均匀变化的拉应力量值一般不是很大,而且受到大梁和柱子的约束作用,在大梁边上或者柱子边上,温度应力的变化较大,有可能超过混凝土的抗拉强度,而导致楼板的开裂。

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低 温 建 筑 技 术 2004年第4期(总第100期)

图1

各柱子在温降作用下的变形图2

楼板内温度应力纵向分布

图3 楼板内温度拉应力横向分布

对于纵向拉应力的分布,本工程中,均匀拉应力出现的

最大区域在整个结构的中间部分跨,由于是对称结构,其中

轴相当于是结构的固定端,因此对楼板的约束最大,其拉应

力也最大。从图中也可以看出,其温度应力的变化,除了边

跨以外,各跨都是随着坐标的增大,其拉应力在变小。对于

边跨,其拉应力就相对比较平均,这也是由于边跨旁边,没有

约束,因此楼板中拉应力相对较小,并且比较平均。由于大

梁和柱子对于楼板的约束作用,使得楼板在大梁和柱子的边

界部位拉应力的变化较大,最大拉应力一般也出现在这些区

域,这也和实际工程中发现的温度裂缝的出现规律一致。

2 4 施加预应力后的楼板内力

对于本工程,为了防止结构物在温降作用下出现温度裂

缝,考虑在结构物内施加预压应力来防止出现温度裂缝。在

纵向每隔5m布置了两根无粘结预应力钢绞线,对于施加预

应力后楼板内各纵向直线上的压应力的分布如图4。从图中

可看出,除了边跨外,其它各跨中的预压应力都分布得比较

均匀,而边跨由于预应力作用点的问题会出现应力集中,其

中在预应力作用点位置楼板内预压应力出现了波峰,但预应

力平均水平和其它各跨差不多。

另外楼板内的有效预压应力由于受到柱子的约束,在柱

边位置会逐渐减小,基本为均匀变化。值得注意的是预压应

力在边跨楼板柱边位置处会急剧变小,构成了薄弱环节。

3 结语

3 1 建筑物在温降作用下,由于受到柱子的约束作用,使得

结构物内部会出现温度拉应力,对于楼板而言,一般情况下

其平均拉应力数值相对较大,对结构物的危害不是很大,但

是由于受到柱子和大梁的约束,在大梁或柱边的楼板内会形

成应力集中,造成温度应力变化较大,

可能会超过混凝土的

图4 楼板内预压应力纵向分布图

抗拉极限而导致结构物开裂。

3 2 柱子的侧向刚度变化对于楼板的约束作用影响不大,

在本实例中,其侧向刚度增大一倍,而影响因素仅在2%以内。

结构物中的大梁把楼板内的温度作用传递到柱子,大梁刚度的

变化对于结构物的温度作用的影响很小。

3 3 温度降低对柱子内力的影响和柱子刚度基本成比例,

当柱子刚度增大时,其在温度作用下的柱顶位移变化很小,

则其内力相应增大。

3 4 在预应力作用下,边跨内会出现应力集中现象,在柱边

的楼板内应力会出现波动,因此对于边跨,尤其必须注意。相

邻跨中的预压应力分布就已经比较平均了,基本成均匀分布。

参考文献

[1] 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制[M] 北京:中国电

力出版社,1999

[2] 王铁梦 工程结构裂缝控制[M] 北京:中国建筑工业出版社,

1997

[3] 冯健,吕志涛,吴志彬,等 超长混凝土结构的研究与应用[J]

建筑结构学报,2002,6

[收稿日期] 2004-04-05

[作者简介] 虞菊芳(1971-),女,浙江义乌人,工程师,从事工

业与民用建筑专业。

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虞菊芳等:超长混凝土结构温度应力分析