超长建筑结构温度应力分析夏云峰(上海中交水运设计研究有限公司, 上海 200092)摘要:以郑州第二长途电信枢纽工程为例,对超长建筑结构进行整体有限元建模。

针对7种不同类型温度荷载的特点,利用有限元分析程序ANSYS计算。

给出了结构整体变形特点、结构中各种构件(梁、楼板、柱子及剪力墙)的温度内力变化范围以及分布规律。

通过比较得出超长建筑在各种温度作用下的最不利工况。

可为超长建筑结构考虑温度作用进行设计和施工提供参考。

关键词:建筑 超长建筑物 温度荷载 温度应力St udy on t he Te mperature Stress of Super-Lengt h Buil di ngX ia Yunfeng(Shanghai Zhongji a oW ater Transportation Design Institute Co.,L t d., Shanghai 200092)Abst ract:T aking the Second Long D istance Te leco mm unication H ub Pro ject of Zhengzhou for an exa m ple,t h is paperm akesm odels of so lid fi n ite e le m ent to super-length building.A ccord-i n g to characteristics o f te mperature l o ad of7different types and usi n g t h e ANSYS fi n ite e le-m ents ana l y sis progra m,it concl u des the characteristics of the integral structura l defor m ation, the scope and distribution o f ther m a l i n ner force o f different co mponents,such as bea m,floor slab,pillar and shear w a l.l A fter contrasti n g,it su m s up the w orse w orking cond ition for super -length bu il d i n g under d ifferent te m peratures,wh ich cou ld prov ide references to the design and constr uction o f super-length bu il d i n g by consi d ering te m perature acti o ns.K ey w ords:constructi o n super-leng t h buil d i n g te m perature load te m perature stress建筑工程中,混凝土结构的裂缝较为普遍,类型也很多,按成因可归结为由外荷和变形引起的两大类裂缝。

其中由混凝土收缩和温度变形引起的收缩裂缝和温度裂缝,以及由这两种变形共同引起的温度收缩裂缝,则是实际工程中最常见的裂缝。

随着建筑向大型化和多功能发展,超长(即超过温度伸缩缝间距)高层或大柱网建筑不断出现。

对超长结构的温度变形与温度应力,若在结构设计中处理不当,将使结构产生裂损,严重影响建筑结构的正常使用。

我国的建筑结构设计规范中不考虑温度作用[1],只做构造处理。

因此,温度应力是超长建筑结构设计中的重要研究课题之一。

1 超长高层建筑结构温度问题有限元建模研究结合工程实例,分析建筑结构各个阶段温度作用的特点,完善温度作用和温差取值的计算原则,并选出在工程设计中起控制作用的温差取值,方便设计采用。

根据实际情况建立超长建筑结构的有限元分析模型,采用有限元分析程序ANSYS 有限元计算程序,进行结构整体分析。

郑州第二长途电信枢纽工程主体为超长高层建筑结构。

主楼地下1层,地上主体19层。

19层之上局部突起2层。

柱网9.6 12m,主体结构东西长134m。

由于功能要求建筑中间不设缝,南10港口科技 港口建设北长24m ,高100.8m ,采用框架 剪力墙。

两侧筒体结构体系,建筑面积约69000m 2。

根据该建筑各种构件的承力特点和几何特征,选择合适的有限单元对实际结构进行有限元离散及模拟,见下图1。

其中梁、柱构件采用三维空间梁单元来模拟,楼板、剪力墙和筒体均选用四节点矩形薄板单元模拟,在无法实现四节点矩形单元的位置可采用三角形或不规则四边形单元模拟。

图1 结构标准平面有限元网格划分2 结构温度作用分析对于不同结构形式的建筑物,不同时段的温度作用产生的温度荷载是不同的。

就钢筋混凝土结构而言,由自然环境变化而引起的温差荷载可分为3种类型:(1)季节温差。

(2)骤降温差。

(3)日照温差。

本文主要关注建筑在长期温度荷载作用下的稳态温度效应计算。

根据算例工程所在地区的各项温度参数,设计出7种不利温度作用组合作为计算工况[2],对该建筑进行温度应力计算、分析。

具体温度工况的相关参数如下:工况1:季节温升,室外构件从冬季混凝土终凝温度升至夏季计算温度,室内为夏季正常工作环境。

工况2:季节温升,室外构件从冬季混凝土终凝温度升至夏季计算温度,室内为夏季无空调工作环境。

工况3:季节温降,室外构件从夏季混凝土终凝温度降至冬季计算温度,室内为冬季正常工作环境。

工况4:季节温降,室外构件从夏季混凝土终凝温度降至冬季计算温度,室内为冬季非正常工作环境。

工况5:冬季遭遇极低温天气,外围构件外表面温度进一步降低,内部构件温度不变。

工况6:夏季昼夜更替引起的气温周期性变化。

外围构件外表面温度下降,内部构件温度不变。

工况7:夏季日照温差引起向阳面外围构件外表面温度升高。

背阳面的外围构件计算温度不变,内部构件温度保持不变。

3 温度应力计算及其分析分别对7种工况进行了温度应力计算,将部分构件温度内力或应力计算结果列于表1中。

表中应力值为正表示拉应力,反之为压应力。

3.1 梁在各种温度工况作用下,建筑底层的梁轴力最大,且最大轴力均出现在纵向轴线最长的边轴内。

随着楼层位置升高,梁受到来自于底部基础的约束作用逐渐减小,从而导致梁轴力迅速下降。

到达建筑顶部,梁轴力已经衰减至很小。

温度变化最为显著的工况4造成的梁轴力最显著,而短期快速影响结构的昼夜温差和日照温差等工况引起的梁轴力相对较小。

相比之下,梁端弯矩的大小主要取决于梁所在楼层的平面布置、构件之间的节点刚度。

从各楼层梁端弯矩分布图中发现,主梁与柱、梁与剪力墙、梁与筒体交接部位的梁端弯矩值较大。

而在规则的平面柱网区域内梁端弯矩值较小且分布均匀,各楼层的梁弯矩分布受相邻楼层的影响不明显。

总体来说,温度荷载对梁构件的影响集中体现在建筑底部几层。

3.2 楼板楼板温度应力的分布与发展同样遵循着一定的规律。

不论在何种温度工况作用下,结构底部几层和顶部几层的楼板温度应力较大。

造成结构底部几层特别是底层楼板应力较大的原因是:底部楼层距离基础较近,楼板受到框架梁以及剪力墙的约束作用显著,导致其应力较大。

另一方面,建筑顶部受到的约束作用虽然很小,但由于顶部屋面板上作用的温差值较内部构件大,内外之间的变形制约作用引起了该处的附加温度应力,由此造成顶部楼板的温度应力也较为突出。

同时,在建筑中平面布置发生突变的部位,如尖端、洞口等位置,以及楼板与剪力墙、筒体交接处都出现了应力突增现象。

平面布置较为规则的柱网内部楼板温度应力较小。

可能出现应力集中的位置,在设计中应引起特别注意。

若处理不好,很可能引起局部混凝土开裂现象,影响整体结构的正常使用。

11 港口科技 港口建设表1 各工况楼板、剪力墙及筒体温度应力极值工况楼 板剪力墙和筒体 11(M Pa) 22(M Pa) 11(M P a) 22(M P a)M I N M AX M I N MAX M I N M AX M I N M AX工况1-12.31.9-8.13.5-4.03.6-6.74.6工况2-15.01.6-12.84.1-5.15.9-9.06.7工况3-5.213.1-5.88.0-4.65.6-5.28.7工况4-3.421.7-6.214.4-6.67.1-8.211.8工况5-1.22.5-1.31.5-0.80.9-0.50.8工况6-2.24.5-2.42.8-1.41.6-1.21.4工况7-3.13.0-2.11.7-2.21.5-1.91.23.3 柱子与剪力墙 筒体柱子是框架结构中主要的竖向承力构件。

由于建筑竖向不受约束,柱子可以自由热胀冷缩,因此在温度作用下柱子轴力相对较小,柱子的温度内力主要体现在底部两层的边柱端弯矩。

剪力墙和筒体的存在加大了建筑结构的温度效应。

由于该建筑纵向端部设计了筒体结构,大大限制了结构的梁、楼板等的水平伸缩,从而引起了较大的温度应力。

框架部分中布置的分段剪力墙也起到增大梁、楼板温度应力的作用。

筒体对梁、板的强约束作用也使其自身受到很大的反作用力。

4 结论通过对各种温度工况作用下超长建筑的温度效应进行分析对比,发现季节温差引起的温度应力明显大于骤降温差和日照温差引起的短期温度效应。

季节温度作用持时长,温差大,同时伴随着施工过程中的混凝土收缩变形。

由此决定了季节温差是较为不利的工况作用,而其中尤以工况4 (建筑物承受从夏季施工至冬季投入使用过程中的季节降温作用)给结构带来的危害最显著。

相对而言,骤降温差和日照温差持时短,作用范围集中在建筑外围构件。

虽然计算得出的温度效应值不大,然而这些短期温差通常周期性作用于建筑物,尤其日照温差对结构的不对称作用大大加重了其不利影响。

温度应力起源于温度变形受到约束,因此混凝土的徐变松弛现象对温度应力的缓解作用应该在实际工程中予于考虑。

根据有关文献[3]的建议,可将上述有限元弹性计算的温度内力(应力)乘以混凝土徐变应力系数0.3后作为实际作用的温度应力。

我国现行规范未对温度作用与其它荷载的组合作出规定。

温度作用效应随季节、使用环境等因素变化而变化,需要进一步确定温度作用效应的各项组合系数,才能真正将温度作用作为一种荷载形式引入结构设计中去。

5 建议通过实际工程算例的温度应力计算分析发现,对于超长建筑物必须采用预防和减轻结构温度收缩的设计。

其中,目前较为有效的是设置后浇带方案,已被本工程应用,经过后期定期观察,该建筑投入使用五年来暂无严重开裂现象。

设置后浇带以及控制和抵抗温度收缩应力的具体措施如下:有效设置后浇带。