预 应 力 超 长 混 凝 土 楼 板 温 度 应 力 分 析 史 路 军, 余 添 朋 华 东 交 通 大 学 土 木 建 筑 学 院, 南 昌 (330013) E-mail:lsfyuri@yahoo.cn 摘 要 : 采 用 ANSYS 和 MADIS 有 限 元 软 件, 建 立 不 同 的 分 析 模 型, 在 温 度 及 预 应 力 作 用 工 况 下 的 应 力 状 态, 通 过 超 长 结 构 的 温 度 及 其 预 应 力 作 用 效 应 的 分 析, 从 而 探 询 结 构 使 用 阶 段 温 降 下, 如 何 合 理 正 确 分 析 工 程 中 出 现 的 超 长 问 题, 并 提 出 在 进 行 结 构 分 析 中 需 要 注 意 的 问 题 关 键 词 : 预 应 力 混 凝 土 ; 温 度 应 力 ; 收 缩 应 力 0. 引 言 目 前, 国 内 尚 缺 乏 能 很 好 解 决 超 长 问 题 的 通 用 设 计 软 件, 使 得 预 应 力 在 超 长 问 题 中 的 应 用 受 到 限 制, 超 长 问 题 的 实 质 是, 由 于 纵 向 结 构 长 度 太 大, 在 混 凝 土 收 缩 和 环 境 温 降 的 共 同 作 用 下, 结 构 产 生 缩 短 变 形, 同 时 结 构 受 到 各 种 约 束 作 用, 使 混 凝 土 实 体 内 部 产 生 较 大 的 拉 应 力, 当 拉 应 力 超 过 混 凝 土 的 抗 拉 强 度 时, 混 凝 土 就 会 开 裂 而 产 生 裂 缝 采 用 预 应 力 技 术 解 决 结 构 超 长 问 题 的 实 质 是 通 过 在 混 凝 土 内 建 立 预 压 应 力 来 全 部 或 部 分 抵 消 因 混 凝 土 温 降 作 用 和 收 缩 产 生 的 拉 应 力 1. 结 构 分 析 模 型 长 沙 市 某 写 字 楼 为 混 凝 土 框 筒 结 构, 地 上 二 十 二 层, 地 下 一 层, 纵 向 长 度 128 米, 横 向 宽 度 34 米, 整 个 结 构 不 设 温 度 缝, 典 型 层 平 面 如 图 1 示 采 用 预 应 力 解 决 结 构 超 长 可 能 引 起 较 大 拉 应 力 的 问 题 为 了 模 拟 混 凝 土 对 结 构 的 影 响 采 用 底 部 柱 根 固 接 的 方 法, 本 文 将 结 构 模 型 上 简 化 为 对 称 结 构, 模 型 如 图 1 所 示 图 1 建 筑 物 平 面 图 1.1 混 凝 土 收 缩 本 工 程 混 凝 土 收 缩 的 当 量 温 降 取 15 [1], 直 接 与 计 算 环 境 温 降 叠 加 1.2 温 度 参 数 a 环 境 温 度 取 结 构 成 型 时 的 温 度, 即 预 应 力 张 拉 施 工 时 混 凝 土 实 体 的 平 均 - 1 -
温 度 ; b 室 外 大 气 最 低 温 度 取 30 年 一 遇 的 最 低 日 平 均 温 度, 确 定 为 10, 室 内 最 低 温 度 考 虑 各 种 不 利 因 素 取 5 ; C 混 凝 土 收 缩 的 当 量 温 降 与 计 算 环 境 温 降 叠 加 得 综 合 当 量 温 降 (2) 温 度 参 数 取 值 : 根 据 工 程 总 体 竣 工 计 划, 结 合 长 沙 地 区 历 年 温 度 平 均 变 化 情 况, 确 定 各 月 环 境 温 度, 及 各 结 构 层 分 析 计 算 时 的 温 度 预 应 力 张 拉 施 工 时 混 凝 土 实 体 的 平 均 温 度 取 环 境 温 度 相 同, 通 过 采 取 及 时 浇 水 盖 草 带 等 有 效 防 护 措 施 1.3 材 料 参 数 与 张 拉 控 制 力 混 凝 土 强 度 等 级 为 C30, 弹 性 模 量 E=3.0 10 4 MPa, 线 膨 胀 系 数 α =10-5, 钢 绞 线 强 度 等 级 为 1860MPa, 张 拉 控 制 应 力 的 确 定, 考 虑 到 配 置 预 应 力 钢 筋 是 为 了 解 决 超 长 问 题, 在 使 用 荷 载 作 用 下, 预 应 力 钢 筋 的 拉 应 力 基 本 上 不 会 有 很 大 的 增 加, 即 不 会 使 预 应 力 钢 筋 达 到 屈 服 而 使 结 构 破 坏, 因 而 对 预 应 力 筋 实 施 5% 超 张 拉, 以 充 分 利 用 高 强 钢 筋 的 强 度, 即 张 拉 控 制 力 P=1860 0.75 140=195.3KN, 预 应 力 摩 擦 损 失 经 计 算 为 0.22, 因 此 实 际 施 加 的 预 压 力 为 195.3 0.78=152.3KN 1.4 多 层 计 算 分 析 模 型 的 建 立 板 及 剪 力 墙 用 she1163 壳 单 元, 梁 柱 用 beam4 梁 单 元 ; 地 上 部 分 共 分 五 级 温 降 梯 度, 每 级 温 降 均 有 两 种 不 同 的 结 构 形 式 ( 开 洞 和 不 开 洞 ), 因 此 建 立 十 层 的 结 构 分 析 模 型 具 体 建 模 时, 框 架 梁 柱 剪 力 墙 按 实 际 尺 寸 计 算 模 型 如 图 2 示 2. 采 用 ANSYS 软 件 计 算 温 度 工 况 和 框 架 结 构 收 缩 应 力 分 析 2.1 单 层 结 构 模 型 分 析 结 果 对 单 层 模 型 进 行 了 约 束 15 温 降 预 应 力 作 用 ( 板 筋 8@200) [2], 环 向 主 梁 每 道 中 (8@180) 不 同 组 合 工 况 下 的 应 力 分 析, 得 到 分 析 结 果 见 及 图 2~ 图 4 2.2 单 层 结 构 模 型 分 析 结 果 讨 论 温 度 应 力 的 产 生 是 与 约 束 条 件 密 不 可 分 的, 没 有 超 静 定 约 束 的 存 在, 结 构 中 几 乎 不 产 生 拉 应 力 同 时 温 度 拉 应 力 及 有 效 预 压 应 力 建 立 的 大 小 也 取 决 于 结 构 侧 向 约 束 刚 度 的 大 小, 侧 向 约 束 刚 度 越 大, 混 凝 土 中 产 生 的 温 度 拉 应 力 越 大, 建 立 起 的 有 效 预 压 应 力 也 越 小 尤 其 是 侧 向 约 束 刚 度 很 大 的 端 部 筒 体 的 存 在, 施 加 的 预 压 力 被 筒 体 吸 收 了 很 大 的 部 分, 在 板 中 建 立 起 的 有 效 预 压 应 力 不 大 从 分 析 结 果 看, 梁 板 配 筋 在 板 中 只 建 立 了 大 约 1Mpa 左 右 的 预 压 应 力, 被 消 耗 了 60% 左 右 鉴 于 此, 决 定 解 除 结 构 端 部 筒 体 约 束 ( 施 工 时 在 板 下 筒 体 中 留 一 圈 后 浇 带, 待 预 应 力 张 拉 结 束 后 再 后 浇 ), 以 保 证 施 加 相 同 预 压 应 力 的 情 况 下, 在 结 构 中 建 立 足 够 大 的 有 效 预 压 应 力, 尽 可 能 减 少 预 力 筋 用 量, 降 低 工 程 造 价 建 模 时 撤 消 端 部 筒 的 约 束, 但 保 留 柱 的 约 束 - 2 -
图 2 无 约 束 应 力 分 析 剪 力 墙 洞 口 周 边 局 部 区 域 由 于 受 到 剪 力 墙 较 大 的 抗 侧 刚 度 的 影 响, 拉 应 力 普 遍 较 大, 尤 其 在 中 部 洞 口 远 离 对 称 轴 一 侧 的 剪 力 墙 周 边 局 部 区 域 拉 应 力 远 较 靠 近 对 称 轴 一 侧 的 区 域 的 拉 应 力 大 说 明 对 于 中 部 具 有 剪 力 墙 的 结 构 而 言, 大 的 温 度 拉 应 力 发 生 在 剪 力 墙 洞 口 周 边, 而 不 是 发 生 在 对 称 轴 附 近 这 是 由 于 从 端 部 向 中 部 累 加 的 温 度 拉 应 力 被 侧 向 刚 度 很 大 的 剪 力 墙 消 耗, 不 会 继 续 向 中 部 传 递 洞 口 角 部 产 生 很 大 的 应 力 集 中, 分 析 计 算 达 到 12Mpa, 实 际 上 尽 管 会 产 生 应 力 集 中, 但 在 数 值 上 会 比 计 算 结 果 小 图 3 有 约 束 应 力 分 析 图 4 有 约 束 + 预 应 力 应 力 分 析 3. 采 用 ANSYS 软 件 计 算 多 层 温 度 工 况 和 框 架 结 构 收 缩 应 力 分 析 3.1 多 层 结 构 模 型 分 析 结 果 - 3 -
材 料 假 定 上 的 差 异 : 理 想 弹 性 材 料 的 假 定 与 实 际 有 差 异, 实 际 上 由 于 材 料 塑 性 阶 段 发 挥 的 作 用, 结 构 将 会 产 生 应 力 重 分 布, 故 实 际 应 力 会 比 计 算 结 果 小 ; 约 束 假 定 的 影 响 [3] ; 远 端 假 定 为 固 结, 实 际 会 产 生 侧 向 位 移, 释 放 部 分 拉 应 力,( 柱 加 长 以 考 虑 侧 向 位 移 的 影 响 可 能 远 远 不 够 ) 径 向 拉 应 力 整 体 较 小, 大 部 分 均 在 0.5Mpa 左 右, 说 明 由 于 曲 率 半 径 较 大, 整 体 弯 曲 不 明 显 3.2 多 层 结 构 模 型 分 析 结 果 讨 论 多 层 模 型 温 降 作 用 试 算 : 建 立 了 不 开 洞 ( 剪 力 墙 洞 口 除 外 ) 的 六 层 模 型 [4], 层 高 按 实 际 取 3.9m, 底 层 柱 及 剪 力 墙 远 端 固 定, 进 行 了 三 种 温 差 工 况 分 析 ; (1) 工 况 1: 各 层 均 降 温 15 度 ; 应 力 结 果 : 顶 层 最 大 位 移, 大 部 分 在 11.5mm~13.2mm 之 间, 十 层 应 力 在 之 间, 以 下 各 层 逐 渐 减 小, 顶 层 温 度 拉 应 力 极 小 一 层 由 于 受 到 底 层 柱 及 剪 力 墙 远 端 固 定 约 束, 二 层 柱 及 剪 力 墙 约 束 的 影 响, 温 度 拉 应 力 最 大 ; 二 三 四 层 由 于 约 束 均 相 同, 理 论 上 只 产 生 刚 体 侧 移, 无 温 度 应 力, 实 际 分 析 结 果 表 明, 温 度 应 力 是 存 在 的, 但 随 着 层 数 的 升 高, 温 度 应 力 降 低, 可 能 是 由 于 层 数 的 升 高, 该 层 上 部 侧 向 约 束 刚 度 降 低 图 5 无 约 束 位 移 沿 楼 层 变 化 图 6 有 约 束 位 移 沿 楼 层 变 化 图 7 无 约 束 + 预 应 力 位 移 沿 楼 层 变 化 图 8 有 约 束 + 预 应 力 位 移 沿 楼 层 变 化 (2) 工 况 2: 四 五 层 楼 面 及 两 层 楼 面 间 的 柱 和 剪 力 墙 降 温 15 度 ; 应 力 结 果 : 四 五 层 均 为 拉 应 力, 应 力 值 在 1.6~2.4Mpa 之 间, 上 下 相 邻 各 一 层 为 压 应 力, 且 其 值 很 小, 其 余 各 层 几 乎 没 有 应 力, 其 位 移 值 也 很 小 为 5.2mm~6.5mm (3) 工 况 3: 只 有 四 层 楼 面 降 温 15 度 ; - 4 -
应 力 结 果 : 四 层 应 力 在 2.2Mpa 之 间, 三 五 层 大 部 分 为 压 应 力, 且 其 值 很 小, 其 余 各 层 几 乎 没 有 应, 如 表 1 表 1 楼 板 应 力 层 号 应 力 与 位 移 工 况 1 工 况 2 工 况 3 有 洞 口 σ y (MPa) 2.503 3.291 3.349 无 洞 口 σ y (MPa) 2.981 3.867 4.448 从 以 上 分 析 结 果 可 以 看 出, 多 层 结 构 分 析 模 型 在 整 体 温 降 的 作 用 下, 温 度 拉 应 力 最 大 发 生 在 底 层, 以 上 各 层 温 度 拉 应 力 依 然 存 在, 但 逐 渐 减 小 当 只 在 某 层 有 温 降 作 用 时 或 一 层 温 降 远 大 于 上 下 相 邻 层 时, 因 收 缩 变 形 受 到 上 下 层 的 约 束, 在 该 层 产 生 了 较 大 的 拉 应 力, 而 上 下 相 邻 层 则 产 生 一 定 的 压 应 力, 其 绝 对 值 较 温 降 层 的 拉 应 力 要 小 的 多, 相 邻 两 层 以 上 则 基 本 上 没 有 温 度 应 力 即 温 降 作 用 只 在 本 层 发 生, 对 其 余 各 层 基 本 上 没 有 影 响 根 据 单 层 模 型 的 预 应 力 分 析 结 果, 结 合 多 层 结 构 模 型 的 温 度 应 力 结 果, 对 解 除 端 部 剪 力 墙 筒 体 后 的 十 层 模 型, 调 整 预 应 力 配 筋, 标 准 层 环 向 主 梁 中 每 根 梁 配 置 两 根 ; 底 部 两 层, 板 中 梁 配 筋 不 变 结 构 中 部 环 向 主 梁 上 的 承 载 预 应 力 筋 可 同 时 用 于 抵 消 温 度 拉 应 力, 按 实 际 数 量 加 上, 分 析 结 果 见 表 4. 地 下 室 结 构 温 度 效 应 分 析 计 算 根 据 建 立 的 地 下 室 结 构 模 型 及 划 分 的 温 度 梯 度 场, 对 分 析 模 型 施 加 15 的 温 降 作 用 进 行 分 析, 分 析 结 果 表 明 在 该 温 度 场 作 用 下, 混 凝 土 楼 板 中 将 产 生 9~1.5Mpa 的 温 度 应 力, 局 部 区 域 应 力 较 大 部 位 产 生 的 拉 应 力 达 2.5MPa 剪 力 室 外 部 覆 土 的 存 在, 使 用 阶 段 温 度 不 会 有 太 大 降 低, 实 际 使 用 中 不 会 产 生 太 大 的 温 度 应 力, 因 此 可 以 不 配 预 应 力 筋 图 9 有 约 束 地 下 室 应 力 分 析 在 温 度 及 预 应 力 综 合 作 用 工 况 下 的 分 析 结 果 表 明, 上 述 施 加 的 预 应 力 基 本 上 能 够 抵 消 温 度 作 用 下 产 生 的 拉 应 力, 综 合 应 力 结 果 大 部 分 维 持 在 0.3~0.7 MPa 之 间 局 部 应 力 集 中 部 位 还 有 2.0 MPa 左 右 的 拉 应 力, 必 须 用 构 造 措 施 加 以 解 决 - 5 -
5. 结 论 通 过 有 限 元 计 算 发 现 : (1) 温 度 应 力 的 产 生 是 与 约 束 条 件 密 不 可 分 的, 没 有 超 静 定 约 束 的 存 在, 结 构 中 几 乎 不 产 生 拉 应 力 侧 向 约 束 刚 度 越 大, 混 凝 土 中 产 生 的 温 度 拉 应 力 越 大, 建 立 起 的 有 效 预 压 应 力 也 越 小 (2) 剪 力 墙 洞 口 周 边 局 部 区 域 由 于 受 到 剪 力 墙 较 大 的 抗 侧 刚 度 的 影 响, 拉 应 力 普 遍 较 大, 尤 其 在 中 部 洞 口 远 离 对 称 轴 一 侧 的 剪 力 墙 周 边 局 部 区 域 拉 应 力 远 较 靠 近 对 称 轴 一 侧 的 区 域 的 拉 应 力 大 (3) 层 结 构 分 析 模 型 在 整 体 温 降 的 作 用 下, 温 度 拉 应 力 最 大 发 生 在 底 层, 以 上 各 层 温 度 拉 应 力 依 然 存 在, 但 逐 渐 减 小 当 只 在 某 层 有 温 降 作 用 时 或 一 层 温 降 远 大 于 上 下 相 邻 层 时, 因 收 缩 变 形 受 到 上 下 层 的 约 束, 在 该 层 产 生 了 较 大 的 拉 应 力, 而 上 下 相 邻 层 则 产 生 一 定 的 压 应 力, 其 绝 对 值 较 温 降 层 的 拉 应 力 要 小 的 多, 相 邻 两 层 以 上 则 基 本 上 没 有 温 度 应 力 (4) 地 下 室 结 构 模 型 及 划 分 的 温 度 梯 度 场, 结 构 中 部 少 部 分 跨 度 较 大 的 主 梁 内 的 预 应 力 筋 按 照 一 般 承 载 力 设 计 计 算 配 置, 这 些 主 梁 内 用 于 承 受 弯 矩 预 应 力 筋 可 同 时 用 于 解 决 超 长 问 题 参 考 文 献 [1] 王 铁 梦. 工 程 结 构 裂 缝 控 制 [M]. 中 国 建 筑 工 业 出 版 社.1997,78~79 [2] 中 华 人 民 共 和 国 建 设 部.GB_50010-2002. 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 [S]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社,2002 [3] 朱 伯 芳. 水 工 混 凝 土 结 构 温 度 应 力 与 温 度 控 制 [M]. 北 京 : 水 利 电 力 出 版 社. [4] 孟 少 平, 韩 重 庆, 吴 京. 超 长 混 凝 土 结 构 设 计 中 基 本 问 题 研 究 与 工 程 实 践 [J]. 工 业 建 筑,2006(5),11-14. Research on Crack Control for Temperature of Prestressed Concrete Beam-Slab Structure of extra-length Shi LuJun, Yu Tianpeng College of Civil Engineering and Architecture,East China Jiao Tong University, Nanchang (330013) Abstract On the basis of Ansys and Madis software,the finite element modles have been established. set up different models separately analyzed the role of working conditions of temperature and stress conditions prestress status, Structure for ultra-long effect of temperature and pre-stressed analysis of the structure through the use of phase happened at the role of temperature drop conditions, which explore how to correctly analyze a reasonable engineering questions that arise long methods, and carrying out a structural analysis required attention. Keywords:prestressed concrete; temperature stress; shrinkage stress - 6 -