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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 。后浇带是列入高规中的 一种常采用的方法 。它利用了混凝土早期收缩量 大的特性 ,其设计思路是“以放为主 ”。主要作用 是释放早期混凝土收缩应力 ,减小以收缩为主的 变形 。对后浇带的具体做法应注意 :
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 。
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 。
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工况
工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 工况 6 工况 7
表 1 各工况楼板 、剪力墙及筒体温度应力极值
楼 板
剪力墙和筒体
σ11 (M Pa)
σ22 (M Pa)
σ11 (M Pa)
σ22 (M Pa)
M IN
MAX
M IN
MAX
M IN
MAX
M IN
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。
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 。
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
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北长 24 m ,高 100. 8 m ,采用框架 —剪力墙 。两侧 筒体结构体系 ,建筑面积约 69 000 m2 。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 。
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 。
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 。
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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
1)间距 : 高规规定为 30m ～40m。建议具体 工程应结合建筑物长度 、气候环境特点综合考虑 , 一般应控制在 30m 左右 ;
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
0. 9
- 4
1. 6
- 3. 1
3. 0
- 2. 1
1. 7
- 2. 2
1. 5
- 6. 7 - 9. 0 - 5. 2 - 8. 2 - 0. 5 - 1. 2 - 1. 9
4. 6 6. 7 8. 7 11. 8 0. 8 1. 4 1. 2
3. 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
Abstract: Taking the Second Long D istance Telecommunication Hub Project of Zhengzhou for an examp le, this paper makes models of solid finite element to super - length building. Accord2 ing to characteristics of temperature load of 7 different types and using the ANSYS finite ele2 ments analysis p rogram , it concludes the characteristics of the integral structural deformation, the scope and distribution of therm al inner force of different components, such as beam , floor slab, p illar and shear wall. After contrasting, it sum s up the worse working condition for super - length building under different temperatures, which could p rovide references to the design and construction of super - length building by considering temperature actions. Key words: construction super - length building temperature load temperature stress
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