超长结构对温度应力的控制

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摘要：随着社会的发展与进步，超长结构在现实生活中应用增多，超长结构往往存在温度应力的影响。本文主要介绍超长结构对温度应力的控制的有关内容。

关键词超长结构；温度应力；测试；控制；规律

Abstract: with the development of society and progress, super long structure in real life application increased, super long structure often exist in the influence of the temperature stress. This paper mainly introduces super-long structure on the controlling of temperature stress related content.

Keywords super-long structure; Temperature stress; Testing; Control; law

中图分类号： P184 文献标识码： A 文章编号：

引言

通过对具体工程实例进行分析, 利用有限元进行模拟分析, 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, 探讨了预应力构件（钢筋）对降低混凝土温度应力的作用。

一、工程简介

某工程一号主楼采用超长结构(156m×16m ,且两端16m范围内各加宽成34m)无缝设计新技术,顶层楼盖采用现浇钢筋混凝土整体式楼板,板中铺部分无粘结预应力钢筋,以便有效地控制温度应力引起的结构裂缝的产生和发展。针对顶层楼板上下表面温差较大,易产生和积聚热(温度)应力的情况,在设计上采取了一系列的加强构造措施。顶层结构平面见图1。

二、测试任务

为避免热(温度)应力可能对建（构）筑物产生的不利影响(产生裂缝)，在该工程交付使用前约一年时间内(2011年5月~2012年2月)，在主楼顶层楼板的重点部位设置测试点，长期监测不同温度变化情况下非预应力钢筋的应力变化。测试的主要目的是检测环境温度变化对超长结构中钢筋应力的影响，并验证设计上采取的加强构造措施的有效性，如无粘结预应力钢筋对防止温度裂缝的效果及保温构造措施对减少温度应力的作用。

三、结构物温度作用的规律

3.1温度作用的产生

当混凝土结构受到温降作用时, 建筑物种的混凝土及混凝土构件就会发生收缩变形(混凝土的线膨系数为αc=1×10- 5) , 当变形受到约束的时候, 建筑物内部就会产生温度应力。

3.2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2, 从图2中可以看出, 随着各柱子距离中轴线距离的增大, 柱顶的位移与其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, 结果表明增设预应力构件（钢筋）的作用对于柱子的影响很小。

图 2 各柱子在温降作用下的变形

3.3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 3 和图 4 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 4 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。离中间轴越远的部位, 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。

图 3 楼板内温度应力纵向分布

图4 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。

3.4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5。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。

图5 楼板内预压应力纵向分布图

四、结束语

4.1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容易形成应力集中, 造成温度应力变化较大, 可能会超过混凝土的抗拉极限而导致结构物开裂。

4.2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。

4.3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。

4.4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, 2009

[2] 王铁梦 工程结构裂缝控制[M] 北京: 中国建筑工业出版社,2011

[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