大空間超長框架結構溫度應力的研究

1、大空間超長框架結構溫度應力的研究一、研究的目的和意義近年來，隨著我國改革開放的不斷深入，國民經(jīng)濟得到迅速發(fā)展，綜合國力不斷增強，城鄉(xiāng)建設也發(fā)生了日新月異的變化。我國在建筑設計、施工技術等方面都有了飛速的發(fā)展，建筑正朝著規(guī)模更大、結構形式更復雜、功能更齊全的方向發(fā)展。各種大柱網(wǎng)、大面積、大空間結構形式的公共建筑和工業(yè)廠房也不斷涌現(xiàn)出來。鑒于建筑與結構的整體性，此類建筑一般采用預應力框架結構，為了減少混凝土材料的收縮及溫度變化所帶來的長度變化對結構的危害，可在結構中設置溫度伸縮縫，伸縮縫的寬度一般為50mm,文獻混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定的鋼筋混凝土框架結構伸縮縫的最大間距:結構處于室內(nèi)或土中時，現(xiàn)澆

2、式框架結構為55m，露天時，框架結構為35m。但是,由于地震引起的結構在伸縮縫處的破壞現(xiàn)象較多,而 伸縮縫按抗震縫寬度設計又會給防風、防水和保溫等建筑構造帶來許多困難。目前，高層建筑由于功能上的需要，一般要求不設或少設伸縮縫，致使鋼筋混凝土結構長100m以上者日見增多，從80年代開始，在民用和工業(yè)建筑中，為滿足使用功能和生產(chǎn)工藝需要，逐步開始使用超長混凝土結構，通常將這種建筑的梁板稱為大面積現(xiàn)澆樓蓋結構，就是長度和寬度都超過規(guī)范不設縫要求的結構。大面積現(xiàn)澆樓蓋也就隨之產(chǎn)生了。進入90年代以后，國內(nèi)大量涌現(xiàn)出不同類型的超長大面積現(xiàn)澆樓蓋結構?，F(xiàn)將己建成的一些工程列舉如下。首都國際機場新航站樓，沈

3、陽桃仙機場擴建工程，杭州蕭山國際機場候機樓，深圳華僑生態(tài)廣場，珠海拱北口岸聯(lián)檢大樓，廈門SM商業(yè)城，福州匯多利裝飾城，北京東方廣場等，這些工程由于不按照規(guī)范設置伸縮縫，多數(shù)采用無粘結預應力樓蓋體系，樓板中設置預應力筋，利用后澆帶將平面分為若干個施工區(qū)，由于不設或少設溫度縫將使結構產(chǎn)生嚴重裂縫，影響結構的正常使用。由于大面積現(xiàn)澆樓蓋結構平面尺寸很大，又不設伸縮縫，若不采用相應的設計或施工措施，將會出現(xiàn)大面積開裂的現(xiàn)象。有些裂縫直接影響了工程的施工質(zhì)量，例如衛(wèi)生間的樓板，如果出現(xiàn)貫穿性裂縫將會導致漏水現(xiàn)象。當樓板處在不穩(wěn)定溫度場、干濕交替、有侵蝕介質(zhì)以及承受激烈動荷反復作用條件下，裂縫會隨時間的增

4、加而擴展，還會產(chǎn)生表面網(wǎng)狀裂縫、表面酥松剝落、較快較深的鋼筋銹蝕及混凝土碳化和逐漸增加撓度等，給整個工程帶來極其嚴重的危害。還有的工程由于裂縫問題被迫停工處理，甚至不得不修改設計方案，造成了極大的損失。對超長結構的溫度變形與溫度應力若在結構設計中處理不當，將會引起很大損失。由于建筑物體型復雜，各處溫度參數(shù)很難，計算框架結構的溫度應力存在著很大困難，這就使得在實際的工程計算中，人們采用簡化的計算方法，得出的結論粗糙。甚至在結構計算中不考慮溫度作用，只做構造處理。因此大空間框架結構的溫度效應問題是結構設計中的一個重要問題，本文正是在此背景下進行研究的。由于超長框架結構是近幾年才涌現(xiàn)出來的新型結構形

5、式，在過去的幾十年中，國內(nèi)涉及到這種結構形式的工程較少，國內(nèi)外的研究成果主要集中在大體積混凝土、橋梁、壓力容器等混凝土結構中，對于框架及大面積樓蓋結構溫度應力的分析研究資料很少。因此對此類結構溫度效應理論的研究較為空白。我國規(guī)范、規(guī)程及各類專著中對大面積現(xiàn)澆樓蓋結構的設計和施工方法也沒有明確的規(guī)定解決超長框架結構裂縫問題的關鍵是如何解決樓蓋的溫應力問題。但是在大面積現(xiàn)澆樓蓋結構的設計過程中，并沒有計入溫度荷載的影響，我國正在建造一些超長高層建筑，為了保證超長高層建筑結構在溫度作用下正常使用和建造的經(jīng)濟性，急需此方面研究成果。超長高層建筑結構整體計算模型異常復雜，加之溫度作用問題的復雜性，造成超

6、長高層建筑結構溫度問題計算理論還不完善，也需要開展此方面的研究，以豐富高層建筑結構分析的內(nèi)容。二、國內(nèi)外技術現(xiàn)狀、水平與發(fā)展趨勢（一）收縮徐變的研究收縮徐變是影響樓蓋應力的一個重要因素。近年來，研究人員主要是對徐變和收縮的數(shù)學模型及結構分析理論進行改進工作。東南大學的韓重慶、馮健、呂志濤等人從混凝土徐變計算的齡期調(diào)整有效模量法(T-B法)出發(fā)，通過對比典型框架在混凝土收縮及溫度變化作用下的彈性和徐變解析解，提出了框架結構約束系數(shù)和徐變應力折減系數(shù)的概念及計算方法，結合框架結構空間彈性有限元分析，得到了大面積混凝土梁板結構溫度應力分析的徐變應力折減系數(shù)法。為大面積梁板結構的溫度應力的研究提供了一

7、個簡便有效的計算方法。（二）溫度應力的研究國外關于溫度應力方面的研究，提出了橫向溫度應力估計值，定量地討論了厚壁箱梁的溫度應力問題，認為溫度應力是預應力箱梁發(fā)生裂縫的主要原因。開展了一系列的現(xiàn)場實驗觀測和理論研究，們通過溫度場理論，應用有限元法進行溫度應力的計算，得出控制溫度、防止裂縫的技術措施。但是以上的研究多數(shù)是針對大體積水下混凝土工程的。有限元分析方法以其強大的計算能力已經(jīng)被廣泛應用于結構溫度應力分析，但就目前的研究成果來看，多是針對結構的局部構件進行研究，或是對整體結構的溫度應力進行定性分析，很少有定t給出溫度應力大小范圍的文章。應用有限元分析方法，對整體超長框架結構溫度應力問題進行系

8、統(tǒng)分析，還有待進一步研究。三、主要技術、經(jīng)濟指標及預期成果形式和水平本文將在現(xiàn)有研究成果的基礎上，對超長框架結構溫度應力問題進行探討，研究成果為進行超長框架結構溫度問題的合理設計提供基礎?；谶@一背景，本文將主要進行了下述幾個方面的研究工作:1.建立符合鋼筋混凝土框架結構實際結構特點的結構有限元分析模型，供超長鋼筋混凝土架結構溫度應力問題分析使用，解決超長高層建筑結構溫度應力問題。采用簡化計算模型計算誤差過大的缺陷。2.完善溫度作用和溫差取值的計算原則，給出計算水平溫差T的表達式，建立超長鋼筋混凝土框架結構建筑結構在溫度作用下的方程，提出相應的求解策略。3.通過計算給定溫度對超長鋼筋混凝土框架

9、結構結構的影響，探討超長高層建筑結構在溫度作用下的不利工況，給出超長框架結構結構由于溫度變化造成結構的梁、柱和樓板等應力和內(nèi)力變化范圍，便于超長高層建筑結構的設計，解決以往研究注重理論而成果不便直接應用于設計的問題。四、應用前景和經(jīng)濟、社會效益分析由于超長框架結構是近幾年才涌現(xiàn)出來的新型結構形式，在過去的幾十年中，國內(nèi)涉及到這種結構形式的工程較少，國內(nèi)外的研究成果主要集中在大體積混凝土、橋梁、壓力容器等混凝土結構中，對于框架及大面積樓蓋結構溫度應力的分析研究資料很少。因此對此類結構溫度效應理論的研究較為空白。我國規(guī)范、規(guī)程及各類專著中對大面積現(xiàn)澆樓蓋結構的設計和施工方法也沒有明確的規(guī)定解決超長框架結構裂縫問題的關鍵是如何解決樓蓋的溫應力問題。但是在大面積現(xiàn)澆樓蓋結構的設計過程中，并沒有計入溫