顶部设缝下混凝土结构温度应力分析.pdf

2 0 1 2年 第 9 期 总 第 2 7 5 期 Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 T o t a l No ． 2 7 5 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／j ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 0 9 ． 0 1 1 顶部设缝下混凝土结构温度应力分析 邵莹 中铁第一勘察设计院集团有限公司 城建院，陕西 西安 7 1 0 0 4 3 摘要 主要研究顶部设缝对混凝土结构温度应力的影响。提出多种顶部设缝形式， 分析其对太阳辐射引起的内外温差作用下混凝土 结构的温度应力削减， 得出较为合理的顶部设缝形式。 关键词 温度应力 ；顶部设缝 ；内外温差 。 中图分类号 T U5 2 8 ． O 1 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 0 3 2 0 3 Th er ma l s t r e s s r ea r h oR t op pa r t i ng f or c on c r e t e s t r uc t ur e S HAO Yi n g C h i n a R a i l wa yF i r s t S u r v e ya n dDe s i g nI n s t i t u t eG r o u pL t d ． ， Xi ’ a n7 1 0 0 4 3 ， C h i n a Abs t r a c t S tud y f o c u s e d o n t h e r e d u c e d e ffe c t f o r t he r ma l s t r e s s o f c o n cre t e s t r u c t u r e u s i n g t o p p a r t i n g ． Di ffe r e n t t o p pa r t i n g f o r ma t i o ns were p r e s e n t e dt o r e d u c e t h e e ff e c t o f t h e rm a l s t r e s s i ni n t r i n s i c a n d e x t e r n a l t e mp e r a t u r efi e l d ， andg o t t h eb e s t p a r t i n gf o rm a t i o n sf o r c o n c r e t e s t r u c t u r e ． Ke y wor d s t h e r ma l s tre s s ； t o p p a r t i n g ； intr i ns i c a nd e x t e rna l t e mpe r a t u r e fi e l d 0 引言 近年来， 国内新建建筑体量和规模 日趋扩大， 结构形式 El 益复杂 ， 建筑裂缝作为一个普遍的混凝土工程质量问题也变得 越来越突出。 据有关资料统计， 国内外的混凝土工程中， 裂缝发 生率高达 1 5 ％- 7 0 ％， 其中因温度、 湿度变化及不均匀沉降等变 形引起的裂缝 占8 0 ％， 由温差 、 混凝土收缩等因素引起的温度 应力是混凝土结构裂缝产生的主要原因【 l 】 。 尤其是在太阳辐射 影响下， 建筑结构内部出现较大的温差， 产生较大的拉应力， 导 致结构开裂， 影响结构的正常使用。 由于内外温差作用变化周期 短， 温差值相 比均匀温差值要小得多 ， 因而其对整个结构的影 响没有均匀温差作用大． 但是在内外温差的变化周期内， 对结 构局部影响非常大【2 】 。 目前， 考虑到结构内部温度的分布规律和 温度应力计算理论尚不成熟， 国内规范没有考虑温度作用在结 构计算中产生的影响， 仅给出结构设置温度缝距离要求， 而现 实情况中， 存在大量的工业厂房等特殊建筑， 因为设备、 工艺的 因素无法通高设缝。 针对这些特殊要求的建筑物 ， 本研究尝试通 过合理的结构设缝来削减温度内力， 控制温度裂缝。 1 结构计算模型 1 ． 1温度作 用 混凝土结构在太阳辐射、 E t 气温变化和气温骤降等因素的 影响下 ， 其向阳表面的温度变化较大 ， 背阳表面的温度变化较 小， 结构内外温度变化是一个随机变化的复杂函数 ， 在结构中 形成较大的温度梯度， 从而导致温度变形。 当温度变形的释放受 到混凝土内部纤维的约束以及外界约束时， 将会产生温度应力 ， 引起温度裂缝。 计算时往往假定结构外围构件温度场是线性分 布的， 内部构件温度场是均匀分布的[ 3 】 。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 - 2 9 3 2 1 ． 2 计算模型 结构温差采用太阳辐射引起的向阳面、 背阳面、 屋顶表面 与使用空调引起的室内外温差。 太阳辐射强度是随着E t 气温变 化而变化， 本试验研究西安地区夏季时日气温昼夜变化下 ， 太阳 辐射引起的室外温度与室内空调温度之间形成的温差变化。 由 于太阳辐射作用的特点是作用时间短， 且急剧变化， 对于使用 阶段的建筑物是短期作用， 计算结构的温度应力时可不考虑混 凝土收缩 、 徐变效应[ 4 1 。 五层混凝土结构 ， 柱网为 7 ． 5 mx 7 ． 5 11 1 ， 纵向为 9跨 ， 横 向为 4跨 ， 纵向长度达 6 7 ． 5 m， 板厚度为 2 4 0 mm， 柱截面尺 寸为 6 0 0 mmx 6 0 0 mm， 混凝土采用 C 4 0 ， 层高为 4 ． 8 m， 混凝土 线膨胀系数为 1 ．0 x l 0 。 太阳辐射强度是随着日气温变化而变化， 查阅GB 5 0 0 4 5 - - 9 5 民用建筑热工设计规程 ， 计算西安地区夏季时日气温昼夜变 化作用下结构的室内外温度， 见表 l 。 表 1 西安地 区夏季屋面和柱体 室外温度值 ℃ 对各时刻模型的顶层屋面板和边跨柱体 ， 沿各 自截面厚度， 分析温度分布， 如图 1 、 2 所示。 由图 1 、 2 可以发现 屋面板内外表面温差在 1 2时达到最大， 为 2 4 ． 3℃， l 5时为 2 0 ． 9℃， 9时为 1 6 _3℃， 6时和 l 8时较小。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 70 60 5 0 赠 4 0 3O 2 0 ‘ 7 0 60 5 o 赠 4 0 3 0 2 0 0 0 ． 0 6 0 ． 1 2 0 ． 1 8 0 ． 2 4 屋 面板 厚度 ／ ram 图 1 沿屋面板厚度温度分布 柱体厚 度 ／ mm 图 2 沿南面柱体厚度温度分布 南面边跨柱体内外表面温差在 1 2时和 1 5时达到最大， 为 2 5℃ 左右 ， 其他时刻各朝向边跨柱体温差较小， 为 7 ～ 1 6℃之间。 可 以看出 屋面板、 南面边跨柱体， 受外界太阳辐射影响最大 ， 构 件内部温度分布很不均匀 ， 温差较大。 在 1 2时， 结构构件 内外 表面 温差 达到最大 ， 1 5时次之 ， 其 他时刻较小 。 可认为在 1 2时 结构的顶层和边跨柱部分， 将会出现较大的温度内力 ， 此时结构 的内力达到最大。 因此， 选择 1 2时的温度场作为结构的温度荷 载， 计算结构温度应力。 1 ． 3顶部设 缝 混凝土结构的裂缝产生是一个复杂的过程 ， 受到混凝土材 料及外加剂的稳定性 、 养护方法 、 环境温湿度等综合因素的影 响【5 J ， 环境温度是工程裂缝控制中较为复杂、 试验研究较少的重 要因素。 混凝土材料的水化热、 外界环境温湿度变化包括太阳辐 射等引起的材料收缩变形、 膨胀变形没有详细的技术规范和程 序来约束 ， 一般简单以设置永久性的温度伸缩缝来解决变形效 应问题。 永久性伸缩缝一般贯穿结构全高， 削弱了结构整体性， 且常常在设缝处出现渗漏水 ， 成为结构防水的难点， 无法满足 一 些设备及工艺的特殊要求。 根据内外温差作用特点， 采用仅在 部分层结构设缝 ， 在部分影响使用功能及结构整体性的条件下， 大幅度削减整体结构的温度作用 ， 控制温度变形。 部分层设缝做法主要有 ①双柱设缝做法 ； ②单柱牛腿做 法 ， 如图 3 所示 。 l ● f l 7 _ a 顶部 双柱设 缝 b 顶 部牛腿 设缝 图 3 顶部设缝做法 部分层设缝仅影响数层 ， 设缝方式灵活 ， 且无需三缝合一， 对建筑功能需求及建筑立面处理影响有限。 可避开有特殊工艺 要求的设备层 ， 利用建筑中庭或楼面狭窄部位设缝 ， 将结构设 缝的不利影响降到最小。 在顶层或者顶部部分层设缝， 通过伸缩 缝释放能量和约束应力， 在控制整体结构温度变形的同时， 使结 构内力分布趋于均匀 ， 降低了结构顶部过多的温度应力， 达到 结构正常使用的极限内力范围， 从而使得结构设计经济合理。 这种在温度应力集中处局部设缝的方法也符合工程裂缝控制 的原则“ 抗放兼施” 。 顶层设缝的要求为 ①由结构长度、 结构侧向刚度及环境 温差等因素综合确定在结构顶层或顶部部分层设置一道或数 道温度伸缩缝； ②结构设缝需要满足温度伸缩变形的要求。 1 ． 4 不同设缝形式计算结果分析 采用不同的设缝方式建立相应的结构计算模型， 对结构的 温度变形及温度应力进行比较分析， 设缝形式见表 2 ， 结构内力 和变形结果分析见图 4 ～ 7 。 表 2 部分 层设缝结构形式 曰 一 一 。 一 1 2 3 4 5 6 分缝 形式 图 4 各层设缝形式结构侧移 比较 日 、 氇 岳 分缝 形式 图 5 各层设缝形式柱 中拉应力比较 3． 0 1 ． 0 1 2 3 4 5 6 分 缝形式 图 6各层设缝形式柱 中剪应 力比较 在纵向平面内设置设缝对结构的横向位移和竖向位移几 乎没有影响。 底层设缝和一、 二层设缝对结构的纵向侧移几乎没 有作用 ， 五层 1 道设缝和四、 五层 1 道设缝时， 设缝效果显著， 这两种设缝方式对结构的纵向变形影响幅度相近 ， 达到底层到 顶层贯通设缝效果的 8 0 ％。 对于板和柱的内力， 底层设缝和一、 33 2 O 8 6 4 目 Ⅲ ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 日 、 岳 蝤 分缝形 式 图 7 各层设缝形式板 中应力 比较 二层设缝几乎没有作用 ， 五层 1 道设缝和四、 五层 1 道设缝与 底层到顶层 1 道设缝影响幅度相近， 设缝效果十分显著。 可以得出 太阳辐射引起的内外温差作用下， 在底部几层 设置设缝对结构的温度应力和温度变形几乎没有影响， 而对于 单层 1 道设缝， 在顶层设缝和顶部几层设缝与底层到顶层贯通 设缝效果相近， 因此本文建议 为了抵抗内外温差下混凝土结 构的温度内力， 只需在顶部几层设置设缝， 底部几层不用设缝。 1 ． 5 不同结构长度计算结果分析 取表 9 共 1 0种设缝形式， 分别采用 3 层横向4跨纵向 1 5 跨 纵向长度 1 1 2 ． 5 m 、 2 1 跨 纵向长度 1 5 7 ． 5 m 、 2 7跨 纵向长 度 2 0 2 ．5 m 的混凝土结构， 其他结构参数相同， 建立相应的结 构计算模型， 对结构的温度变形及温度应力进行比较分析， 设缝 形式见表 3 ， 结构内力和变形结果分析见图8 ～ 1 3 。 表 3顶部设缝结构形式 分缝形 式 图 8 不 同设缝形式结构纵 向侧移 比较 分缝 形式 图 9 不同设缝形式柱 中拉应力比较 观察图8 ～ l 3 ， 对于不同长度的结构， 随着设缝形式的变化， 结 3 4 日 皇 ＼ 岳 分 缝形式 图 1 O 不同设缝形式柱 中剪应力比较 分缝形式 图 1 1 不同设缝形式柱中剪应 力比较 分缝形式 图 1 2 不 同设缝形式板中纵向拉应力比较 分缝形式 图 1 3 不 同设缝形式板 中第 1主应力比较 构的内力和变形呈波浪型曲线变化， 可以发现三层 1 、 2 、 3 遭设缝与 二、三层 1 、 2 、 3 道设缝以及底层到顶层 1 、 2 、 3 道设缝对结构的影响 效果相近 ， 只 在顶层设缝可以达到底层到顶层贯通设缝的影响效果。 随着单层设缝数的增加， 结构的内力和变形也急剧的减小， 尤其是对于纵向长度较大的结构， 2 l 跨结构， 三层 1 、 2 、 3道设缝 时， 结构的纵向位移分别减小到整体结构的5 9 ． 6 ％、 4 2 ． 8 ％、 3 5 ． 3 ％； 柱中拉应力分别减小到整体结构的 6 4 ． 4 ％、 5 1 ． 1 ％、 4 4 - 3 ％； 板中 第 1 主应力分别减小到整体结构的4 8 ． 5 ％、 4 2 ． 4 ％、 3 8 ％。 因此， 本文建议对于较大纵向长度的结构， 在顶层设置多道设缝 ， 可以 有效的降低结构的内力和变形。 下转第 4 2页 0 5 O 5 O 5 O 5 O 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 发展水平受到速凝剂技术水平的制约。 理想的速凝剂应具有相 容性好、 稳定性好、 低回弹、 高强度、 无碱、 无氯、 液态等特点。 用 硫酸铝配制的速凝剂还存在一些问题。 例如 铝离子的易水解 性使得用硫酸铝配制的液态速凝剂不可避免的存在稳定性的 问题 ； 由于硫酸铝不易单独配置成液态速凝剂， 必须找出硫酸 铝的理想搭配者 ； 某些繁琐的制备方法也需要进一步的改善。 因此， 用硫酸铝配制速凝剂还需要更进一步的研究。 参考文献 【 1 ] 郑嘉贤．喷射 5 5 57 ． 福建建筑， 2 0 0 7 5 [ 2 ]Ni t t o c h e m i c a l i n d u s t r y C o ． L t d ． ， J a p a n ． C e m e n t s e t t i n g a c c e l e r a t o r [ P ] ． J P5 9 1 6 9 9 5 7 A2， 1 9 8 6 ． [ 3 ]S A T O R U H， K AZ U HI S A I ， T A K A A K I N， e t a 1 ． S e t t i n g a c c e l e r a t o r f o r w e t s p r a y e d c o n c r e t e [ P ] ．J P 6 3 1 1 2 4 4 8 A 2 ， 1 9 8 8 ． [ 4 ]O g a w a Y o j i ， S u g i y a m a A k i n o r i ， Y a ma mo t o Mo r i o ， e t a 1 ．R a p i d s e t t i n g g e n t f o r s p r a y i n g e o n e r e t e m i x t u r e [ P [ ． J P 6 1 l 1 7 1 6 1 6 A 2 ， 1 9 9 9 ． [ 5 ]5 B u e r g e T h e o d o r ， B o d e n ma n n E u r g e n ． A l k a l i - f r e e a c c e l e r a t o r for a h y - d r anl i c b i n d e r [ P ] ．D E 3 1 4 1 9 2 4 A 1 ， 1 9 8 3 ． [ 6 ]J u s t n e s Ha r a l d ， N y g a a r d E r i k C ． T e c h n i c a l c alc i u m n i t r a t e a s s e t a c c e l - e r a t o r f o r c e m e n t a t l o w t e mp e r a t u r e s [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e P r o d u c t s ， 1 9 9 5 2 5 1 7 6 6 1 7 7 4 ． [ 7 ]C a l l e j a C a r r e t e J ， R e v I n g ．C a l e i u m c h l o r i d e a s a n a c c e l e r a t o r i n p r e f a b ri c a t i o n o f c o n e r e t e [ J ]． C e me n t a n dC o n c r e t eP r o d u c t s ， 1 9 7 6 1 9 6 7 - 7 6 ． 【 8 ]T e r a s h i m a I s a o ， 1 w a s a k i Ma s a h i r o ， I s h i d a T s u mo r u ． S e t a c c e l e r a t o r s ， t h e i r s l u r r i e s ， a n d me t h o d f o r i t s a p p l i c a t i o n [ P ] ． J P 2 0 O 3 O 8 1 6 6 6 8 A 2， 2 0 0 3 ． [ 9 ]Ga r t n e r E l l i s M， C o g l i a n o J o s e p h A， A r f a e i A h ma d ， e t a 1 ． Hy d r a u l i c c e - me n t s e t a c c e l e r a t o r s b a s e d o n n i t r o a l c o h o l s [ P ] ．U S 5 5 3 8 2 5 ， 1 9 9 6 ． [ 1 0 ] A r f a e i A h ma d， B e r k e N e al S ， J e k n a v o r i a n A r a A ． H y d r a u l i c c e me n t s e t - a c c e l e r a t i n g a d mi x t u r e s i n c o r p o r a t i n g g ly c o l s [ P ] ．u s 5 3 D 3 8 5 5 ． 1 9 9 4 ． 【 l 1 ] A ffa e i A h m a d ， B e r k e N e al S ， J e k n a v o r i a n A r a A． H y d r a u l i c c e m e n t s e t - a c c e l e r a t i n g a d mi x t u r e s i n c o r p o r a t i n g a min o a c i d d e ri v a t i v e s 【 P ] ． U 5 3 4 0 3 8 5 5． 1 9 94 ． 上接第 3 4页 2结论 1 内外温差作用下 ， 在结构底部几层设缝对于结构的温 度应力和变形几乎没有影响， 在顶部几层设缝则能大幅度的降 低结构的温度应力和温度变形。 而顶部一层设缝与顶部几层设 缝以及底层到顶层贯通设缝效果相近。 [ 1 2 ] T h o m a s H o f ma n n ， N i US 6 6 9 2 56 4 B2， 2 0 0 4 o f c o n c r e t e a c c e l e r a t o r[ P ] ． 【 l 3 】 程建坤．无碱液态速龋 冶成髓 的 】 ．南京 南言 理 工大学， 2 0 0 5 ． 【 1 4 】 白云． 水泥速凝剂的发展现状[ J ] ．建井技术， 1 9 9 2 1 1 0 1 2 ． 【 1 5 】 杨仁树 ， 肖同社， 刘波， 等． 喷射混凝土速凝剂的应用与发展【 J 】 ． 中国 矿业， 2 0 0 5 7 7 9 8 1 ． 【 1 6 ] 席耀忠． 速凝水泥浆体的速凝原因及机理探讨[ J 1 ． 中国水泥 ， 2 0 0 7 1 5 2 5 5 ． 【 1 7 】 张冠伦， 张云理． 混凝土外加剂原理及其应用技术[ M 】 ． 上海 上海科 学技术文献出版社， 1 9 8 5 1 2 9 1 3 1 ． [ 1 8 】 江苏博特新材料有限公司， 江苏省建筑科学研究院有限公司． 一种 无碱液体速凝[ P ] ． C N 2 0 0 9 1 0 0 3 5 0 0 7 ．6 ， 2 0 1 0 ． [ 1 9 】 张向宇等编著．实用化学手册【 M ] C 京 国防工业出版社， 1 9 8 6 7 1 4 ． [ 2 0 ] K U I MO T O K．S e t t i n g a c c e l e r a t i o n o f c e me n t mo r t a r a n d c o n c r e t e w i t h a d d i t i o n o f a l u mi n u m s u l f a t e [ P ] ．J P 6 3 1 0 7 8 5 0 A 2 ， 1 9 8 8 ． [ 2 1 1 尚红利． 无碱速凝剂【P ] ． C N 2 0 0 5 1 0 1 0 7 2 1 6 ． 9 ， 2 0 0 6 ． 『 2 2 ] 中国建筑材料科学研究总院． 一种无碱无氯液态混凝土速凝剂及其 制备方法与应用[ P ] ．C N 2 0 1 1 1 0 1 1 2 4 2 4 ． 3 ， 2 0 1 1 ． [ 2 3 1 向新， 丁庆军． 水泥速凝剂及其机理研究综述[ J 】 ． 武汉工业大学学报， 1 9 9 9 1 2 8 3 0 ． [ 2 4 ] 中铁隧道集团有限公司． 一种低碱液态速凝剂及其制备方法【 P J _ C N2 0 1 1 1 0 0 9 5 01 6 ． 1 ， 2 01 1 ． 『 2 5 ] 山西潞安环保能源开发股份有限公司， 河南理工大学． 刚氏 回弹高强 度喷射混凝土 I 速凝剂及其制 湖． C N 2 0 1 1 1 0 1 1 3 2 0 8 ．0 ， 2 0 1 1 ． 【 2 6 】 江苏博特新材料有限公司， 江苏省建筑科学研究院有限公司． 一种 改性铝酸盐低碱液体速凝剂[ P ] ． C N 2 0 0 9 1 0 1 8 3 4 2 8 ． 3 ， 2 0 1 0 ． [ 2 7 】 文俊强， 张文生， 张建波， 等．掺石灰石粉水泥的水化过程及微观结 构[ J ] ．水泥 ， 2 0 1 0 8 1 3 1 5 ． 作者简介 联 系地址 联 系电话 兰明章 1 9 6 4 一 ， 男， 教授级高工， 研究方向 水泥、 混凝士 及外加剂的研究。 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号 北京工业大学材料学院建材 实验室 1 0 0 1 2 4 1 39 1 0 7 61 0 2 2 2 仅在结构顶层设缝对结构的温度应力和温度变形影响 显著， 与底层到顶层贯通设缝效果相近， 且随着顶层设缝数的 增加， 其影响幅度越来越大。 当结构长度较大时， 增加顶层设缝 数 ， 能有效的减小结构内力和变形。 3 根据采用不同设缝形式时混凝土结构的温度应力分析， 提出不同结构长度的设缝形式建议， 见表 4 。 表 4 内外温差下混凝土结构顶部设缝建议 参考文献 [ 1 ]王铁梦． 工程结构裂缝控制[ M] E 京 中国建筑工业出版社 ， 1 9 9 7 ． 【 2 ]康庆． 钢筋混凝土超长框架结构裂缝机理及控制技术【 D ] ． 南京 河海 大学 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 王润富， 陈国荣． 温度场和温度应力[ M] ．北京 科学出版社， 2 0 0 5 ． [ 4 】韩重庆， 孟少平．大面积混凝土梁板结构温度应力问题的探讨[ J 】 ． 建 筑技术 ， 2 0 0 0 6 ． [ 5 ] 谢靖中， 朱金国， 谢查俊．超长结构温度缝的局部分缝方法【 J J ． 建筑结 42 构， 2 0 0 2 4 作者简介 联系地址 联系电话 邵莹 1 9 8 2 一 ， 男， 硕士， 工程师， 研究方向为地铁设计、 结 构工程。 陕西省西安市雁塔区西影路 2 号 中铁第一勘察设计院集 团有限公司城建院 7 1 0 0 4 3 1 3 8 1 1 4 3 6 0 4 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m