某机场预应力楼板温度应力分析

文章编号:1009 6825(2009)27 0060 02

某机场预应力楼板温度应力分析

收稿日期:2009 05 23

作者简介:熊新光(1970 ),男,高级工程师,中建八局第三建设有限公司,江苏南京 210046

张勋胜(1963 ),男,高级工程师,中国建筑第八工程局有限公司,广西南宁 530000于相平(1975 ),男,工程师,中建八局第三建设有限公司,江苏南京 210046

熊新光 张勋胜 于相平

摘 要:以某机场楼板温度应力问题为背景,分析了温度应力对超长混凝土结构的影响及机理,提出了施加预应力和释

放约束两种解决温度应力的方法,并在预应力方法的基础上采用了橡胶支座对温度应力结果进行了优化,计算结果表明这两种方法的结合是有效可行的。

关键词:温度应力,预应力,释放约束,橡胶支座中图分类号:T U 378.5

文献标识码:A

近年来,随着国内建筑设计和施工技术发展,工程中出现了很多超长超大混凝土结构。考虑到建筑物的整体性以及美观性,往往不设或少设伸缩缝,因而不设置伸缩缝的长度大大超出了我国规范规定的伸缩缝间距限制。而且结构越长,温度应力越大,如果设计和施工中不采取有效措施,其楼层和屋盖会大面积开裂,严重影响正常使用。因此,对于本文中机场这种超长混凝土结构来说,温度应力应该加以考虑。

1 工程概况

某机场为大型枢纽机场,国家重点工程,航站楼南北长约850m,东西宽1120m 。主楼地下3层,地上3层,主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构。楼层的平面布置图见图1

。

2 温度应力

2.1 产生温度应力的条件及原因

假定混凝土结构是完全弹性的各向同性体,根据物理方程和相容方程可知:当无外约束时,结构能自由收缩变形,最大的变形为 T ,其中 为结构的热膨胀系数。若温度场T 的变化仅是坐标的一次函数,那么这是一个稳定的温度场,不会产生应力;如果有外约束,则任何温差都将产生应力。在全约束条件下,结构存在最大应力:ET /(1-2 )。

由以上分析我们可以看到满足以下条件者,结构将不产生温度应力:1)结构是自由体,结构无外部约束,能自由变形;2)截面上的温度场是稳定的,不随时间变化。由此看来,在混凝土结构施工和使用时很难全部满足以上条件。在各种复杂的温度环境中,实际的温度分布是不稳定且非线性的,而且混凝土温度应力实际上是一种约束应力,这种约束应力包括内约束应力和外约束

应力,外约束应力指结构物边界条件的约束,内约束指结构内部非均匀的温度及收缩引起各质点变形不均匀而产生的相互约束,这些由温度变化引起的应力超过某一数值,便引起了裂缝。温度应力分为两类,第一类是平均温度应力,其产生的原因主要是楼板受到降温或升温作用后,产生热胀冷缩,导致楼板伸长或缩短,而结构的约束对楼板自由伸长或缩短的限制,必然会在板中引起应力,这种应力在板内基本上是均匀分布的;第二类是弯曲温度应力,其产生的原因主要是由于混凝土楼板的变形引起柱剪力,继而引起柱弯矩,由于柱和梁刚接,因而柱弯矩传到梁板上,产生弯曲应力。而这两种应力在不利荷载组合下都有可能在结构中产生裂缝。

2.2 温度应力解决方法

针对温度应力的原理和分类情况,通常可以采用两种方法来解决因未设置伸缩缝而产生的温度应力:1) 抗 的措施。在结构中加入一定的压力以抵抗温度变化带来的拉应力。而混凝土结构的抗压强度远高于抗拉强度,就为这种方法提供了前提条件,预应力方法就是这种方法的典型代表。在对温度应力进行计算以后,有针对性地设置预应力钢筋,通过张拉在楼板中预先引入一定程度的压应力来抵消因混凝土收缩而引起的拉应力,这种方法对解决平均温度应力很有效,能达到限制裂缝宽度的目的。2) 放 的措施。通过减少或减弱结构的约束条件来达到释放温度应力的方法。首先,可以采用设置后浇带的方法来防止或减少温度收缩裂缝;其次,可以在保证结构安全的基础上通过减小竖向构件如墙、柱的侧向刚度,使得原来侧向变形较大的柱子对上部楼层侧向变形的约束程度降低,从而大幅度减小梁柱、楼板结构中的温度应力。

2.3 施加预应力

施加预应力是一种主动解决方式,其原理是结构成型时事先在结构的长度方向建立一定数量的轴向预压应力及相应的预压应

变,用以克服结构因降温和混凝土收缩引起的收缩变形,全部或部分抵消由此产生的拉应力,避免混凝土开裂或限制裂缝的宽度。

预应力解决温度应力的一般步骤:

1)依气象资料等估算温差,一般可满足精度要求。若需要准确值,需现场测试;2)有限元计算温差作用下每层结构的温度应力;3)初步估计普通钢筋和预应力筋的数量,确定预应力张拉方式,并计算预应力损失;4)计算结构在温度应力,预应力及其他外荷载作用下结构的组合内力;5)运用规范公式进行裂缝计算并与

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Vol.35No.27Sep. 2009

要求限值进行比较;6)针对计算结果对配筋率进行优化。应该说明的是,任何一道裂缝的产生,都可能是普通荷载及温差、混凝土收缩、不均匀沉降等其他变形受约束的广义荷载综合作用的结果。温降收缩作为一种荷载作用,它所产生的混凝土截面拉应力应该与其他荷载产生的截面拉应力组合,进行截面抗裂验算。如果预应力施加得当,它能有效地将预加应力传递到楼板上,使楼板产生一定量的预压力,并平衡降温导致的拉应力。此时如果不考虑预应力筋作为普通钢筋对裂缝的有利影响,那么结构裂缝的开展仅仅与结构原来的普通荷载有关,这也是以下算法的原理:预应力产生的应力刚好抵消温度作用下结构中的温度应力,则每米板中配置预应力筋根数为:

n =B 1000 t p e A

。

其中,B 为板厚; t 为结构温度应力; pe 为有效预压力;A 为预应力筋的面积。

2.4 释放约束

由于施加预应力主要解决结构的平均温度应力,另外受结构尺寸、材料强度等方面的限制,施加预应力所能起到的作用受到限制。因此不能完全采用 抗 这一思路解决问题,比较可行的方法就是在预应力基础上再 放 ,即尽可能减小框架柱的抗侧刚度,减小柱侧移引起的弯矩以释放温度应力。鉴于以上对弯曲温度应力产生的原因以及特点的分析,结合工程实践,本文提出了在混凝土框架结构的底层与地下-2层之间的柱顶设置弹性橡胶支座的方法,以此来释放框架柱对上部楼层的约束,使得原来底层上的柱子不再约束楼层的侧向变形,从而大幅度减小柱子、各楼层结构中的弯曲温度应力。支座示意图见图2

。

如果在所有底层柱顶设置弹性橡胶支座,相当于在整个上层楼层结构底部设置了弹簧支座,在温度作用引起的水平温度应力

的作用下,能产生水平方向的位移,从而能释放部分的温度应力。而弹性橡胶支座的水平刚度和竖向刚度确保了结构不至于出现过大的变形,以保证结构的稳定。

2.5 计算结果

本文通过有限元软件M idas 进行楼板温度应力计算,A 区计算模型见图3。

本文计算的温差为20 ,为比较橡胶支座对结构温度应力的影响,采用M idas 软件对有无橡胶支座的模型进行了分析,其中橡胶支座通过设置弹性连接的方式实现,最后计算的各楼层温度应力见表1

。

表1 各楼层温度应力

M Pa

楼板所在楼层

原模型改橡胶支座y 向x 向y 向x 向B3层46 2.7 1.9B1层 2.532 1.2F1层 1.5 1.5 F2层2211F3层

1

1.2

0.7

0.8

注:y 向代表结构长向,x 向代表结构短向。B 代表地下楼层,F 代表地上楼层,其中B3层为隔震层,即为橡胶支座安装层

本工程采用的是有橡胶支座的模型,既有抗震耗能的作用,又能有效释放部分温度作用所产生的温度应力,最后得出平衡结

构温度应力所需的预应力筋见表2。

表2 结构各层楼板预应力筋布置

M Pa

楼层温度应力板内预应力配筋

x y n x 向布置形式n y 向布置形式B3层 2.3 3.1 3.0U s 15.2@300 4.1

U s 15.2@240B1层 1.8 2.7 1.9U s 15.2@400 2.9U s 15.2@300F1层 1.5 1.6U s 15.2@600F2层

1.0

1.0

1.1

U s 15.2@800

1.1

U s 15.2@800

F3层0.80.80.85U s 15.2@10000.85U s 15.2@1000注:n 为每米板中配置预应力筋根数,其中F1层x 向仅18m,温度应力可忽略

3 结语

通过对本工程温度应力的分析,得出以下结论:1)结构在温度作用下会产生较大的温度应力,而且温度应力的大小与结构所受约束的程度密切相关;2)运用文中介绍的方法并结合简化计算公式可方便求出结构平衡温度应力所需的预应力筋数量;3)通过施加预应力和使用橡胶支座均可降低结构的温度应力,而且这两

种方法的结合使用是有效可行的。参考文献:

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On analysis of prestressed floor temperature stress of some airport

XIONG X in guang ZHA NG Xun sheng YU Xiang ping

Abstract:T aking the floor temperature stress as the background,the paper analyzes the temperature stress s influence,mechanism of the su per long co ncrete str ucture,points out two methods in solving t he temperature str ess,that is,apply ing prestress and r elease of limit,and adopts the rubber bearing to optimize the temperature stress results,based on the prestress method,result indicates two methods ar e effective and feasibility.

Key words:temperatur e st ress,prestress,r elease of limit,rubber bearing

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