预应力温度应力配筋在超长钢筋混凝土结构中的应用与分析

预应力温度应力配筋在超长钢筋混凝土结构中的应用与分析

张现法1，焦正须2，杨军领3

（河北建工集团有限责任公司，050051）

[摘要]

一般混凝土结构都是根据正常使用荷载进行结构配筋设计的，而对于超长混凝土结构，除进行正常使用荷载作用下的的配筋设计外，通常还要考虑温度应力的作用和影响，一般采用设置后浇带、施加预应力的方法来抵消混凝土温度应力，保证混凝土结构不开裂。

[关键词] 超长混凝土结构预应力温度应力主动结构技术措施

一、工程概况

奥林匹克公园地下商业位于奥林匹克公园中区，南北长405米，东西宽216米，地下两层，属于超长钢筋混凝土结构。东西方向设有3条后浇带，未设结构缝；南北方向设置6条后浇带，2道沉降缝。

对于超长混凝土结构，在满足正常使用荷载的承载力后通常要考虑温度应力的作用和影响。为此，设计在本工程地下一层外墙板和顶板以及纵梁配置了后张无粘结预应力筋，用于结构抗裂。通过预应力的作用来减小或抵消温度应力对整体结构的影响，并且通过配置预应力筋加强结构本身的整体性。预应力对温度变形的约束作用主要表现在预应力筋在混凝土中可以起到约束构件温度变形的作用。当混凝土受热膨胀变形时预应力起到了约束膨胀的作用，当混凝土受冷收缩变形时，由预应力筋在水平构件中的平均压应力又能起到抵消或降低由收缩产生拉应力的作用，防止产生过大的拉应力而使混凝土开裂。施加预应力是一种主动结构技术措施。

二、温度荷载的分类及特点

温度荷载通常分为三种：（一）日照温度荷载；（二）骤降温度荷载；（三）年温温度荷载。其特点为：日照温度荷载产生的原因为太阳辐射，短时急变，局部性和方向性强，分布不均匀，局部应力大，温度沿平面和壁厚呈非线性分布，分析计算复杂，但总体温差幅度不大。骤降温度荷载是由强冷空气等因素产生的，也属短时变化快，但属于整体变化，较为均匀，产生的应力较大，分析计算较为复杂。年温温度荷载是由年温度变化引起的，属于整体均匀缓慢的变化过程。温差大，整体位移大，分析计算比较简单。在超长钢筋混凝土结构的分析计算中，

为简化计算，通常只考虑第三种温度荷载，即年温温度荷载的影响。

三、温差应力对结构的作用

混凝土的温度应力实际上是一种约束力，当结构由于温度变化产生的变形受到约束时所产生的应力，如果结构因温度变化而产生的变形能自由伸缩时，则不会发生温度应力。因此当结构受温度变化影响产生热变形时，楼板、梁、墙体等结构部位在水平方向上的膨胀变形会受到竖向结构的约束而在水平结构中产生压应力。反之当水平结构受冷收缩时，受到竖向结构的约束而产生拉应力。并且这种约束越强，在水平结构中产生的应力就会越大。就结构本身而言，竖向结构通常可以向上自由伸缩，而水平结构通常受到约束，水平构件中要产生拉、压应力，对竖向构件来讲由于水平构件的变形会在根部产生弯矩。对于水平构件的梁、板、墙体来讲，受热膨胀只会在其中产生压应力，在应力不均匀处也有可能产生局部的拉应力；而受冷收缩时会产生拉应力造成梁、板、墙体的开裂现象。

四、基本计算参数

1、混凝土的热膨胀系数

普通骨料的钢筋混凝土和预应力结构混凝土在验算温度荷载引起的温差应力时其热膨胀系数可采用1×10－5/C 0

2、温度应力计算弹性模量E 1

日温变化荷载：E 1＝E b E b 为混凝土抗压模量，采用 C35混凝土： E b ＝3.15×104

年温变化荷载：E 1＝0.5E b

五、楼板温度应力分析

1、假设计算温度基点定为0 0C 楼板最大年温差变化设为∆T =30 0C （升温300C ）

（1）温度荷载产生的平均压应力

线性温度变形：∆∆L T L =∂** 温度应变：ε=∆L L

所以ε∂=*∆T 4510*330*10--==

如果完全约束楼板变形则温度应力：

σε==*E 3*10-4*0.5*3.15*104=4.725MPa （压应力）

因为楼板沿计算方向不会完全刚性约束，有一定的变形量，因此楼板中实际应力小于4.725Mpa

（2）预应力荷载产生的压应力

预应力配筋为：2.8束/米，间距@350，采用1860钢绞线，按75％张拉应力控制，预应力损失按20％计算

单束预应力筋有效应力为1860*0.75*0.80=1116MPa

单束预应力筋有效预力为1116*140mm 2=156.24kN 在板中的平均压应力为1000

*4008.2*10*24.1563=σ=1.09MPa(压应力) （3）预应力荷载＋温度荷载对板产生的应力

由热膨胀受到约束而在板中产生的压应力，会由于竖向结构的侧向变形而低于4.725MPa （压）。相反混凝土中的预应力筋会由于混凝土板的膨胀而应力增大，预应力在板中的压应力会大于1.09MPa （压）。所以混凝土板中的压应力大约稳定在4.725MPa ＋1.09MPa ＝5.815MPa （压）左右。 (注：C35混凝土轴心抗压强度标准值f c =23.4 MPa ）

2、假设计算温度基点定为0 0C 最大年温差变化设为∆T =－20 0C （降温20 0C ）

（1）温度荷载产生的拉应力

∆∆L T L =∂** 温度应变：ε=∆L L

所以ε∂=*∆T 4510*220*10--==

如果完全约束板变形则温度应力：

σε==*E 2*10-4*0.5*3.15*104=3.15MPa （拉应力）

因为板沿计算方向不会完全刚性约束，有一定的变形量，因此板中实际应力小于

3.15MPa

（2）预应力荷载产生的压应力

预应力配筋为：2.8束/米，间距@350，采用1860钢绞线 按75％张拉应力控制，预应力损失按20％计算

单束预应力筋有效应力为1860*0.75*0.80=1116MPa

单束预应力筋有效预力为1116*140mm 2=156.24kN 在板中的平均压应力为1000

*4008.2*10*24.1563=σ=1.09MPa(压应力） （3）预应力荷载＋温度荷载对板产生的应力

由于受冷收缩受到约束而在板中产生拉应力，会由于竖向结构的侧向变形而