论文部分内容阅读
摘要: 针对混凝土超大面积地下室顶板的温度应力进行了研究,考虑了混凝土弹性模量和收缩徐变随时间的变化以及结构的不同约束条件等因素,应用有限元法对温度应力、应变进行分析,讨论了混凝土不同龄期和约束作用对温度应力的影响程度,为超长地下室顶板温度应力、应变控制设计提供参考.
关键词: 土木建筑工程；混泥土；温度应力；分析
Abstract: According to the concrete roof of large area basement temperature stress was studied, considering the changes of concrete elastic modulus and shrinkage Xu Biansui time and the structure of the different constraint conditions and other factors, analysis of temperature stress, strain and application of finite element method, discussed the influence of different age and confined concrete should be force on the temperature, stress, strain and temperature control design to provide the reference for the roof of Super-long Basement.
Key words: civil engineering; concrete; temperature stress; analysis
中图分类号：[TU761.6]文献标识码：A 文章编号：
1 概 述
近年来随着我国建筑业的迅猛发展,在高层、大跨结构以及道路、桥梁等建设工程中,对不设伸缩缝混凝土结构的长度要求越来越高.现行规范中规定了混凝土结构伸缩缝的最大间距,同时指出,当采取一定的措施后,温度的伸缩缝间距可以加大.随着计算机技术和算法的日趋成熟以及材料科学的进步,人们能够设计出不设或少设伸缩缝的超长、超大的混凝土结构.
对于计算超长、复杂结构的温度应力存在一些困难,一是结构各处的温度分布和混凝土收缩等参数随着时间的变化难以准确确定;二是由于混凝土材料的弹塑性性质,在温度等因素作用下混凝土的强度、弹性模量也随时间变化;三是混凝土的徐变、应力松弛对计算结果影响非常大.本文以温州某商业城地下室超长顶板为实例研究温度应力问题.由于地下室结构的超长性、复杂性使得地下室顶板的温度应力分析成为该工程结构分析计算中的重要组成部分,本文应用有限元程序ANSYS分析了不同龄期混凝土弹性模量、收缩徐变以及结构的整体刚度和约束等条件对该工程温度应力的影响.
2 温差及混凝土的收缩
2. 1 气温变化的分类
混凝土结构表面和内部各点的温度与太阳辐射、气温的改变, 以及结构所处的地理位置、地貌条件、结构方位、朝向等有关,同时在结构物的内部和外表面之间存在着以辐射、对流和传导等方式与周围环境进行的热交换,而且结构内各点的温度受材料的热物理特性的影响很大,由此产生的温度场分布也很复杂.在工程应用中一般将温度载分成以下几类:
1)日温差作用,即一天之内气温最高值与最低值之差;
2) 骤然降温温度变化, 主要是工程结构遇冷空气侵袭, 导致外表面迅速降温, 结构形成较大的内外温差;
3) 年温度变化,它是长期的缓慢作用, 使得结构整体发生均匀的温度变化, 产生较大的整体位移, 计算时以平均温度为零温度应力时的参考温度, 以最高与最低月平均温度的变化值作年温变化;
4) 人为温度变化, 建筑结构因工艺要求迅速升温或降温.
2. 2 混凝土的收缩作用
混凝土在空气中逐渐硬化、水分散发的过程中,体积就产生了收缩变形,当受到外部(支座)或内部(钢筋)的约束时,将在混凝土中产生拉应力,甚至开裂.经研究混凝土的收缩应变值超过其轴心受拉峰值应变的3～5倍,一般可达到(300～600)×10-6,不利条件下可达(800～1000)×10-6,使其成为引起大面积混凝土开裂的主要原因之一.混凝土收缩是长期的过程,并且和水泥品种、骨料性质等多种因素有关, 相应形成了多种计算模型.
3 有限元分析
3.1 温度应力影响因素
3.1.1 混凝土材料弹性模量的变化
大量的试验和工程实践证实,随着混凝土龄期的增长,混凝土的弹性模量持续增长,规范CEBFIPM90中混凝土的弹性模量随龄期增长的计算公式为:Ec(t)= Ec/Bt (6)式中: Bt = es (1-28/t);Ec为龄期t =28天时的混凝土弹性模量;s取决于水泥种类, 普通水泥和快硬水泥取0.25,快硬高强水泥取0 20;t为混凝土龄期,假定从浇注完成一天开始计算.由上式可见,在浇注初期混凝土的弹性模量较小,所产生的应力也较小,而随着龄期的增长,在降温期间弹性模量已经增加,相应地由温度产生的拉应力也增大,当抵消压应力后仍有较大的拉应力时,有可能使混凝土开裂.由此可见,在计算温度应力时需要考虑弹性模量随时间变化的影响.
3.1.2 徐变与应力松弛
混凝土受力后水泥凝胶体的塑性流动要持续一个很长的时间,即产生徐变变形.而保持混凝土的应变值不变,应力值将随时间的延长而减小,即为应力松弛.混凝土的徐变和松弛随时间而增大,增长率逐渐减小.混凝土的徐变和松弛现象将改变结构的内力发布,对于受弯构件可使挠度增大2～3倍,引起预应力混凝土构件中预应力的损失;另一方面,徐变的出现延缓收缩裂缝的出现,减少了由于支座不均匀沉降产生的应力,降低了温度应力作用.据有关资料表明,考虑混凝土徐变作用将使得温度应力的分析结果降低30%～50%,由此可见徐变的考虑对分析结果有非常重要的影响.由于混凝土徐变的复杂性,基于不同简化假设的理论也很多,从工程应用出发,文中将计算的弹性解按40%进行折减简化.
4 实例分析
某住宅超大面积地下室顶板的温度应力进行了分析研究.该工程是带11栋高层建筑的一层超大地下室,该地下室结构复杂, 地下室平面呈扇形，水平向最宽处317.5米，垂直方向最宽处314.35米，属于超长地下室,明显超出规范设缝要求的长度.
4. 1 温度场计算
由于该工程为梁板结构形式,因此选用三维梁单元和板壳单元,忽略温度在板厚度方向的传递过程.由于混凝土的极限抗压强度远大于极限抗拉强度,因此混凝土的收缩作用更加不利于结构的抗裂性能.另外,相对于计算参考温度,如果在整体结构中收缩和膨胀区域都存在,由于膨胀和收缩的作用相互抵消,将降低由于温差引起的整体结构温度应力和应变.计算时考虑不利情况,让整体结构均匀下降15c .
4. 2 混凝土的收缩和弹性模量的变化
根据该工程实际情况取以下参数:Bsc=5,RH=60%,fc=15N/mm2,Ec=3.0×104N/mm2,2ACu=100(取地下室顶板体积与表面积比值),s=0.25,龄期t、ts的取值从浇注完成第一天开始计算.代入式( 1)～( 6)得到混凝土的收缩和弹性模量随时间变化结果.计算结果可知混凝土的收缩变形在一年龄期内增长很快,随后增长开始减缓,从第三年龄期以后增长趋势明显减慢,但龄期超过6年后混凝土收缩变形仍有增长.弹性模量在龄期一年内逐渐增大,变化较明显,之后增长非常慢.
4. 4 计算结果及分析
地下室顶板单元在混凝土龄期一年时等效收缩应变等值线分布,可以明显看到,沿着车库中心向外收缩应变逐渐增大, 中间区域收缩应变较大,又因为局部约束和刚度条件不同,如梁、柱、剪力墙相接处,最大收缩应变位置随之改变,并不在板的圆心区域.由于同样原因,在剪力墙和梁柱交接处区域的收缩应变均大于附近区域应变,而且其应变值远大于混凝土极限抗拉应变,应力分布与应变分布类似.
5 结 論
(1) 混凝土的弹性模量在早龄期变化较大.在温度应力、应变的模拟计算中, 温度应力随混凝土弹性模量的改变而线性变化,因此在混凝土的早龄期温度应力分析中要特别重视这种变化,在后期分析中弹性模量增长非常缓慢,对温度应力影响很小,在应用中可以忽略这种的变化.
(2) 混凝土收缩产生的等效温差较大,且随混凝土龄期的变化明显,是分析温度应力时必须考虑的主要影响因素之一.
(3) 温度应力是一种约束应力,当没有约束存在时温度应力不会产生,同样, 当加强结构的约束将增加由于温度作用产生的内力,而由于施工过程中结构刚度的不断变化将引起温度应力、应变改变,最终改变幅度与约束条件的强弱以及计算模型的结构形式相关.
(4) 在选取计算温差时要注意,气温的变化是周期性的,而混凝土收缩产生的等效温差是单调增加的,并且混凝土的极限抗压强度远大于其极限抗拉强度, 因此为了得到最不利的情况,应选取结构降温时工况计算.
( 5) 由于混凝土的徐变对模拟计算的结果影响非常大,而混凝土的徐变又和材料性质、应力水平、加载时的龄期等许多因素相关,徐变对温度应力的影响尚有待深入研究.
参考文献
[1] 刘开国. 超长框架结构的温度变形与温度应力[ J ] . 建筑结构,2011.
[2] 冯 健, 吕志涛. 超长混凝土结构的研究与应用[ J ] . 建筑结构,2009.
关键词: 土木建筑工程；混泥土；温度应力；分析
Abstract: According to the concrete roof of large area basement temperature stress was studied, considering the changes of concrete elastic modulus and shrinkage Xu Biansui time and the structure of the different constraint conditions and other factors, analysis of temperature stress, strain and application of finite element method, discussed the influence of different age and confined concrete should be force on the temperature, stress, strain and temperature control design to provide the reference for the roof of Super-long Basement.
Key words: civil engineering; concrete; temperature stress; analysis
中图分类号：[TU761.6]文献标识码：A 文章编号：
1 概 述
近年来随着我国建筑业的迅猛发展,在高层、大跨结构以及道路、桥梁等建设工程中,对不设伸缩缝混凝土结构的长度要求越来越高.现行规范中规定了混凝土结构伸缩缝的最大间距,同时指出,当采取一定的措施后,温度的伸缩缝间距可以加大.随着计算机技术和算法的日趋成熟以及材料科学的进步,人们能够设计出不设或少设伸缩缝的超长、超大的混凝土结构.
对于计算超长、复杂结构的温度应力存在一些困难,一是结构各处的温度分布和混凝土收缩等参数随着时间的变化难以准确确定;二是由于混凝土材料的弹塑性性质,在温度等因素作用下混凝土的强度、弹性模量也随时间变化;三是混凝土的徐变、应力松弛对计算结果影响非常大.本文以温州某商业城地下室超长顶板为实例研究温度应力问题.由于地下室结构的超长性、复杂性使得地下室顶板的温度应力分析成为该工程结构分析计算中的重要组成部分,本文应用有限元程序ANSYS分析了不同龄期混凝土弹性模量、收缩徐变以及结构的整体刚度和约束等条件对该工程温度应力的影响.
2 温差及混凝土的收缩
2. 1 气温变化的分类
混凝土结构表面和内部各点的温度与太阳辐射、气温的改变, 以及结构所处的地理位置、地貌条件、结构方位、朝向等有关,同时在结构物的内部和外表面之间存在着以辐射、对流和传导等方式与周围环境进行的热交换,而且结构内各点的温度受材料的热物理特性的影响很大,由此产生的温度场分布也很复杂.在工程应用中一般将温度载分成以下几类:
1)日温差作用,即一天之内气温最高值与最低值之差;
2) 骤然降温温度变化, 主要是工程结构遇冷空气侵袭, 导致外表面迅速降温, 结构形成较大的内外温差;
3) 年温度变化,它是长期的缓慢作用, 使得结构整体发生均匀的温度变化, 产生较大的整体位移, 计算时以平均温度为零温度应力时的参考温度, 以最高与最低月平均温度的变化值作年温变化;
4) 人为温度变化, 建筑结构因工艺要求迅速升温或降温.
2. 2 混凝土的收缩作用
混凝土在空气中逐渐硬化、水分散发的过程中,体积就产生了收缩变形,当受到外部(支座)或内部(钢筋)的约束时,将在混凝土中产生拉应力,甚至开裂.经研究混凝土的收缩应变值超过其轴心受拉峰值应变的3～5倍,一般可达到(300～600)×10-6,不利条件下可达(800～1000)×10-6,使其成为引起大面积混凝土开裂的主要原因之一.混凝土收缩是长期的过程,并且和水泥品种、骨料性质等多种因素有关, 相应形成了多种计算模型.
3 有限元分析
3.1 温度应力影响因素
3.1.1 混凝土材料弹性模量的变化
大量的试验和工程实践证实,随着混凝土龄期的增长,混凝土的弹性模量持续增长,规范CEBFIPM90中混凝土的弹性模量随龄期增长的计算公式为:Ec(t)= Ec/Bt (6)式中: Bt = es (1-28/t);Ec为龄期t =28天时的混凝土弹性模量;s取决于水泥种类, 普通水泥和快硬水泥取0.25,快硬高强水泥取0 20;t为混凝土龄期,假定从浇注完成一天开始计算.由上式可见,在浇注初期混凝土的弹性模量较小,所产生的应力也较小,而随着龄期的增长,在降温期间弹性模量已经增加,相应地由温度产生的拉应力也增大,当抵消压应力后仍有较大的拉应力时,有可能使混凝土开裂.由此可见,在计算温度应力时需要考虑弹性模量随时间变化的影响.
3.1.2 徐变与应力松弛
混凝土受力后水泥凝胶体的塑性流动要持续一个很长的时间,即产生徐变变形.而保持混凝土的应变值不变,应力值将随时间的延长而减小,即为应力松弛.混凝土的徐变和松弛随时间而增大,增长率逐渐减小.混凝土的徐变和松弛现象将改变结构的内力发布,对于受弯构件可使挠度增大2～3倍,引起预应力混凝土构件中预应力的损失;另一方面,徐变的出现延缓收缩裂缝的出现,减少了由于支座不均匀沉降产生的应力,降低了温度应力作用.据有关资料表明,考虑混凝土徐变作用将使得温度应力的分析结果降低30%～50%,由此可见徐变的考虑对分析结果有非常重要的影响.由于混凝土徐变的复杂性,基于不同简化假设的理论也很多,从工程应用出发,文中将计算的弹性解按40%进行折减简化.
4 实例分析
某住宅超大面积地下室顶板的温度应力进行了分析研究.该工程是带11栋高层建筑的一层超大地下室,该地下室结构复杂, 地下室平面呈扇形，水平向最宽处317.5米，垂直方向最宽处314.35米，属于超长地下室,明显超出规范设缝要求的长度.
4. 1 温度场计算
由于该工程为梁板结构形式,因此选用三维梁单元和板壳单元,忽略温度在板厚度方向的传递过程.由于混凝土的极限抗压强度远大于极限抗拉强度,因此混凝土的收缩作用更加不利于结构的抗裂性能.另外,相对于计算参考温度,如果在整体结构中收缩和膨胀区域都存在,由于膨胀和收缩的作用相互抵消,将降低由于温差引起的整体结构温度应力和应变.计算时考虑不利情况,让整体结构均匀下降15c .
4. 2 混凝土的收缩和弹性模量的变化
根据该工程实际情况取以下参数:Bsc=5,RH=60%,fc=15N/mm2,Ec=3.0×104N/mm2,2ACu=100(取地下室顶板体积与表面积比值),s=0.25,龄期t、ts的取值从浇注完成第一天开始计算.代入式( 1)～( 6)得到混凝土的收缩和弹性模量随时间变化结果.计算结果可知混凝土的收缩变形在一年龄期内增长很快,随后增长开始减缓,从第三年龄期以后增长趋势明显减慢,但龄期超过6年后混凝土收缩变形仍有增长.弹性模量在龄期一年内逐渐增大,变化较明显,之后增长非常慢.
4. 4 计算结果及分析
地下室顶板单元在混凝土龄期一年时等效收缩应变等值线分布,可以明显看到,沿着车库中心向外收缩应变逐渐增大, 中间区域收缩应变较大,又因为局部约束和刚度条件不同,如梁、柱、剪力墙相接处,最大收缩应变位置随之改变,并不在板的圆心区域.由于同样原因,在剪力墙和梁柱交接处区域的收缩应变均大于附近区域应变,而且其应变值远大于混凝土极限抗拉应变,应力分布与应变分布类似.
5 结 論
(1) 混凝土的弹性模量在早龄期变化较大.在温度应力、应变的模拟计算中, 温度应力随混凝土弹性模量的改变而线性变化,因此在混凝土的早龄期温度应力分析中要特别重视这种变化,在后期分析中弹性模量增长非常缓慢,对温度应力影响很小,在应用中可以忽略这种的变化.
(2) 混凝土收缩产生的等效温差较大,且随混凝土龄期的变化明显,是分析温度应力时必须考虑的主要影响因素之一.
(3) 温度应力是一种约束应力,当没有约束存在时温度应力不会产生,同样, 当加强结构的约束将增加由于温度作用产生的内力,而由于施工过程中结构刚度的不断变化将引起温度应力、应变改变,最终改变幅度与约束条件的强弱以及计算模型的结构形式相关.
(4) 在选取计算温差时要注意,气温的变化是周期性的,而混凝土收缩产生的等效温差是单调增加的,并且混凝土的极限抗压强度远大于其极限抗拉强度, 因此为了得到最不利的情况,应选取结构降温时工况计算.
( 5) 由于混凝土的徐变对模拟计算的结果影响非常大,而混凝土的徐变又和材料性质、应力水平、加载时的龄期等许多因素相关,徐变对温度应力的影响尚有待深入研究.
参考文献
[1] 刘开国. 超长框架结构的温度变形与温度应力[ J ] . 建筑结构,2011.
[2] 冯 健, 吕志涛. 超长混凝土结构的研究与应用[ J ] . 建筑结构,2009.