钢筋混凝土框排架结构温度效应及伸缩缝间距研究

钢筋混凝土框 、排架结构温度效应及伸缩缝间距研究宋丽1 徐晖2 廖红建2 吴胜兴2(11 西安交通大学 ,西安 710049 ;21 河海大学 ,南京 210098)摘 要 :通过编制和完善钢筋混凝土框 、排架结构温度作用非线性分析程序 ,对温度作用下框 、排架结构温度效应进行了较深入的研究 ,得出了框 、排架结构在高 、中 、低温温差作用下伸缩缝间距的合理取值 ,并简要介绍了超长钢筋混凝土框 、排架结构 温度作用设计方法 ,并运用工程实例进行了验证 。这对工程应用具有一定参考价值 。关键词 :钢筋混凝土 ;框架结构 ;排架结构 ;温度作用 ;伸缩缝间距文章编号 :100027717 (2001) 0420015204中图分类号 : TU375文献标识码 :B混凝土结构由于各种各样的原因从施工到使用会承受不同程度的温度作用 ,而温度作用对混凝土结构的最不利影 响就是导致出现温度裂缝 。据统计 ,混凝土结构中的裂缝由 变形变化为主引起的约占 80 % ,由荷载作用为主引起的约占20 % 。因此严格地讲 ,所有混凝土结构在设计时均应考虑温 度作用 。目前对温度裂缝的发生与发展机理和规律的研究 还不多 。在混凝土结构设计规范 ( GBJ 10 - 89) 中规定 ,钢 筋混凝土结构只要满足规范规定的伸缩缝最大间距的要求 , 可不再考 虑 温 度 作 用 。然 而 , 工 程 实 际 中 不 时 出 现 反 常 现 象 ,有些结构的伸缩缝间距远远超过规范规定却不开裂 ,而 有些结构长度很短却严重开裂 。可见 ,结构长度不是影响结 构温度作用的唯一因素 。另外 ,近年来工程界对取消伸缩缝 要求的呼声越来越高 ,同时 ,随着科技的进步 ,使采用现代结 构分析方法来研究结构温度作用问题成为可能 。因此 ,采用 现代设计方法对钢筋混凝土结构温度伸缩缝间距这一古老 而富有新意的问题进行深入细致的研究 ,具有重要的理论意 义和工程实用价值 。如何合理地计算混凝土结构的温度内力是解决混凝土 结构温度伸缩缝间距的一个关键技术 。工程实际中采用的 方法 :有的不配温度钢筋 ,在某些情况下会造成温度裂缝的 过分开展和结构变形的过度增加 ,从而影响结构的正常使用 和耐久性 ;有的无合理的配筋准则和依据 ,盲目性较大 ; 有的 过高地估计了温度效应 ,配置了较多钢筋 。这些方法本身在 理论上存在矛盾 ,与实际经验也不符 。为了深入探讨温度对 框 、排架结构的内力 、位移 、刚度的影响 ,精确分析该类结构 在温度和荷 载 共 同 作 用 下 的 效 应 , 进 而 提 出 合 理 的 设 计 方 法 ,已经编制和完善了钢筋混凝土框 、排架结构的非线性分 析程度 。1 该程序可考虑钢筋混凝土构件的胀缩 、混凝土的 开裂 、刚度的变化直到最后收敛稳定 ,进而详细研究了框 、排 架结构温度内力分布规律 。本文通过大量计算研究了影响伸缩缝间距的诸因素并提出合理确定温度作用时单层框架结构 、多层框 架 结 构 以 及 排 架 结 构 的 伸 缩 缝 最 大 间 距 的 方 法 。最后通过典型工程实例介绍了超过规范规定伸缩缝最 大间距的框 、排架结构温度作用的设计方法 。1 主要方法简介文献1 采用矩阵位移 分层法编制的计算温度作用 效应的钢筋混凝土框 、排架结构的非线性计算程序 ,采用了 割线刚度系数和迭代求解的方法 ,能使标准的线弹性模型用于非线性模型 。程序中对一些影响因素 ,诸如 : 非线性材料的应力 应变关系 ,混凝土的开裂 ,混凝土受拉劲化 ,荷载及 时间历史 ,非线性温度梯度等均进行了考虑 。能足够精确地 计算钢筋混凝土框 、排架结构在温度作用和荷载共同作用下 的效应 。用分层法计算钢筋混凝土框 、排架结构时 ,先求出各单 元中心的温度 、应力和应变 ,然后对其进行数值分析 ,则可求 出截面轴向合力和弯矩 。在求解的整个过程中采用了平截 面假定 ,使得混凝土层和钢筋层的纵向应变都可表示为截面 顶部和底部纤维应变的函数 ,然后用适当的本构关系计算出 各层单元的应力 。不断调整顶 、底啊的应变直到截面的内力 平衡方程得到满足为止 。详见文献1 。2 结果分析211 温度作用内力分布规律 钢筋混凝土结构在温度作用下截面实际温度通常为曲线分布 。在分析时通常将截面内的任意温度场分解成三个 部分 :均匀温差 Tm 、线性温差 Td 及非线性温差 Tn ,如图 1 所示 。钢筋混凝土单层 、多层框架以及排架三种典型结构在均 匀 、线性 、非线性温差及其组合温差作用下温度内力的分布 规律 ,详见文献1 。从该文献所得曲线 ,可得出如下结论 :11 内力与结构长度呈非线性关系 ,开始时随长度增大内1 +2 =TmL31 = N H2 = NL而3 EIEA3N ( H + L ) =TmL3 EI EATmL即 N =H3 L 3 EI + EA式中 I 柱子截面惯性矩 ;H 柱子高度 ;A 横梁截面面积 。很显然 ,温度内力 N 与长度 L 呈非线性关系 。当柱子的 抗侧移刚度非常小时 ,即 EI 0 时 ,N 0 ,相当于可自由变形 的直杆 ,无温度内力 ;当柱子的抗侧移刚度非常大时 ,即 EI 时 ,N Tm EA ,相当于两端固结的直杆 ,温度内力达到最 大值 ,该最大值与杆件长度无关 。下面以钢筋混凝土结构单层框架为例 ,详细研究温度内 力与结构长度之间的关系 。所研究的 结 构 柱 距 为 6m , 总 长 为 54m , 其 各 工 况 下 轴力 、剪力 、弯矩的最大值随长度的变化曲线如图 2 所示 。图 1 温度场的分解力增长很快 ,但当长度增长到一定程度时 ,内力将趋于稳定 ,所以对实际结构而言 ,可不设伸缩缝 ; 如要设置则其间距不 宜太大 。21 内力与温差大小有很大关系 , 应根 据 具 体 情 况 区 分 高 、中 、低三种级别 ,区别对待 。31 降温较升温对结构更为不利 ,因为降温将在结构的最 不利部位产生轴拉力 ,升温将在结构的最不利部位产生轴压 力 ,而轴压力能使裂缝闭合 。41 温差很大时 ,伸缩缝间距很小 ,伸缩缝增多 ,常无法满 足设计要求 , 宜 在 设 计 时 考 虑 温 度 作 用 而 加 大 或 取 消 伸 缩 缝 。212 影响因素分析21211 结构长度对温度内力的影响对一端固结 、一端自由的均匀直杆 ,在均匀温差 Tm 作用 下 ,整个杆件将均匀伸长或缩短TmL (其中为温度线膨胀 系数 ,L 为杆件长度 。计算中忽略了泊松比的影响 , 按单向 应力状态考虑 ,下同) ,杆件内无温度应力 ; 对两端均为固结 的均匀直杆 ,在均匀温差 Tm 作用下 , 整个 杆 件 不 能 自 由 变 形 ,从而在杆件内部形成均匀的温度应力 ET ( 其中 E 为混 凝土的弹性模量) ,温度应力的大小与杆件长度无关 ; 实际结 构两端既不是完全自由 ,也不是完全固结 ,而是处于弹性的 状态 。例如 ,横梁和柱子组成的结构 ,横梁由于均匀温差 Tm 而产生温度变形 ,受到柱子的阻力 N ( 对横梁而言为轴力 ,对 柱子而言为剪力) , 使横梁产 生 一 回 弹 变 形2 ( 或 称 约 束 变 形) ,柱顶最终稳定于距柱顶1 位置 ,显然 :图 2 (a) 轴力与结构长度关系曲线图 2 ( b) 剪力与结构长度关系曲线层内力的影响逐渐减小 ,而对顶层的作用变化幅度不大 。总的来说 ,多层框架结构随层数增加结构内力的变化幅度小于 单层框架结构随柱高增大产生的内力变化幅度 。21213 温差大小对结构温度内力的影响 混凝土结 构 温 度 应 力 与 设 计 温 差 成 正 比 , 设 计 温 差 越大 ,温度应力越大 。因此 ,温度应力计算的正确性取决于结 构温度场的研究 ,即合理确定温度梯度及温度设计值 。从理 论上讲 ,应该以结构安装固定时的温度和安装后结构可能遇 到的最大或最小温度之温差作为设计温差 。对于框 、排架结构温度作用设计 ,可取预计合拢期的月 平均气温与最热 (冷) 月平均气温之差作为平均温差 ,再根据 保温隔热条件 、取暖条件等确定外围构件的线性温差 ,然后 进行温度作用设计 。选取伸缩缝最大间距时也应根据温差 的高 、中 、低合理确定 。下面以上述钢筋混凝土单层框架结构为例 ,研究温差大 小对结构温度内力的影响 。温差与结构内力的关系曲线如 图 4 所示 。图 2 (c) 弯矩与结构长度关系曲线图 2 中工况为 : 工况 1 ( 记号 ) 为均匀降温 25 ; 工况(记号 ) 为线性温差作用 ,外侧降温 10 , 内侧升温 10 ; 工况 3 (记号 ) 为工况 1 和 2 的组合作用 。以后各图中工况 同此 。研究表明 ,三种工况中 ,线性温差作用下温度内力几乎 不随长度而变化 ;均匀温差与组合温度作用下温度内力随长 度成非线性变化 ,开始时变化幅度较大 ,内力增长很快 ,但随 长度进一步增大 ,温度内力变化较慢 ,最后趋于稳定 。即温 度内力的最大值与长度无关 ,即结构超过一定长度后可不设 伸缩缝 。21212 结构高度对温度内力的影响 对上例中的钢筋混凝土单层框架结构分别取其高度为4 . 5m ,6 . 0m ,7 . 5m ,9 . 0m ,10 . 5m 进行研究 ,可得高度与结构 温度内力的关系曲线如图 3 所示 。图 3 ( b) 高度与剪力关系曲线图 3 (a) 高度与轴力关系曲线研究表明 ,横梁温度内力与柱子高度 H 有关 ,柱高越大 ,柱子的抗侧移刚度越小 ,对横梁的约束就越小 ,温度内力随 之越小 。对多层框架而言 ,随结构层数的增加 ,工况 1 和 3 对顶 层内力的影响越来越小 ,对底的影响几乎不变 ; 工况 2 对底图 3 (c) 高度与弯矩关系曲线研究表明 ,结构内力 ,即最大轴力 、剪力 、弯矩均随温差增大而增大 ,而且几乎成线性关系 。这也说明温度内力受温表 1 框 、排架结构伸缩缝最大间距取值 ( m)况注 :高温指均匀温差 30 ,内外温差 10 ;中温指均匀温差20 ,内外温差 10 ;低温指均匀温差 10 ,内外温差 10 ; 3代表在所研究长度 180m 范围内内力相对值均小于 15 %。 因为在所研究的排架结构长度为 180m 范围内 ,经剧烈温差变化 ,结构的内力及温度作用下内力对无温度作用下内 力的相对值均较小 ,而在结构继续加长时 ,温度内力将趋于 稳定 ,故可以考虑取消排架结构的伸缩缝间距 。4 工程实例验证由于使用要求等不允许设置温度伸缩缝的超长框 、排架 结构 ,设计时必须考虑温度作用 。设计时可先按荷载作用进 行配筋设计 ,然后采用能考虑温度作用的非线性程序对设计结果进行校核 ,根据正常使用极限状态允许裂缝开展宽度的限制等 ,合理调整所配钢筋 ,确定钢筋最终用量 。例如 ,某钢筋混凝土现浇框架结构 ,位于南通市匹 ,纵向 框架长 102 . 6m ,远远超过伸缩缝最大间距 50m 的限制 ,而使 用要求不允许设置永久性的温度伸缩缝 ,因此 ,需要进行温 度作用设计 。温度作用设计时要考虑各种可能的最不利组合 。根据 与设计人员共同商定 ,取二种温度工况 : 是内部杆件均匀 降温 10 ,外围杆件内侧降温 10 ,外侧降温 30 ; 是内 部杆件均匀 升 温 10 , 外 围 杆 件 内 侧 升 温 10 , 外 侧 升 温30 。经过分析可看到 ,在顶部两层及边跨产生最大轴力 ,图 4 温差与结构内力关系曲线差影响非 常 大 。结 构 内 力 中 , 剪 力 随 温 差 增 大 变 化 幅 度 最小 ,轴力和弯矩的变化幅度较大 。 此外还有裂缝对结构温度内力的影响 。内约束温度应力不会由于别处温度裂缝的开展而松弛 ; 外约束温度应力会 由于裂缝的开展而部分松弛 ,但只有裂缝开展很宽 ,结构处 于破坏阶段时温度应力才会全部释放 。在钢筋混凝土结构 温度作用设计时 ,允许裂缝开展宽度是决定温度配筋数量的 关键因素 。影响混凝土结构温度作用内力的因素还有许多 , 诸如结构类型 ,装配式还是现浇式等等 ,这在规范中已予考 虑 ;有些构造措施 ,如后浇带 、滑动垫层 、椭圆形螺栓孔 、加微 膨胀剂等 ,现尚无精确的理论计算方法 ,有待进一步研究 。3 结论对单层 、多层钢筋混凝土框架以及排架结构 ,已选用实 际工程 对 其 伸 缩 缝 间 距 作 了 详 细 分 析 。取 高 温 为 均 匀 升(降) 温 30 和 线 性 温 差 10 的 共 同 作 用 , 中 温 为 均 匀 升(降) 温 20 和 线 性 温 差 10 的 共 同 作 用 , 低 温 为 均 匀 升 (降) 温 10 和线性温差 10 的共同作用 。详见文献1 。从 分析结果可得以下一些结论 :11 内力与结构长度呈非线性关系 ,与温差大小有很大关 系 。21 对单层框架结构来说 ,轴力最不利部位在横梁中部 , 剪力和弯矩最不利部位在边柱柱根 ; 对温升及温降 ,轴力的 最不利部位均在横梁中部 ,但温升时 ,剪力的最不利部位在 边柱柱顶 ,弯矩的最不利部位在边柱柱根 ,而温降时剪力最 不利部位在边柱柱根 ,弯矩的最不利部位在边跨横梁 。31 对多层框架结构来说 ,轴力的最大值在底梁中部 ,剪 力和弯矩的最大值在底层边跨柱柱根部位 。对温升和温降 来说 ,轴力的最不利部位均在底梁中部 ,但温升时 ,剪力和弯 矩的最不利部位在底层边跨柱 ,而温升时 ,剪力和弯矩的最 不利部位在底层边跨梁 。多层框架在承受温度作用时 。较 单层框架较为有利 ,可考虑适当加大伸缩缝间距 。41 对排架结构来说 ,轴力的最大值及最不利部位均在底 梁中部 ,剪力和弯矩的最大值及最不利部位均在边柱的下柱 。51 伸缩缝间距取值见表 1 。在转角 即框架形状突变部位产生最大剪力 在顶层及边跨,产生最大弯矩 。重新计算配筋时 ,在顶部两层边跨 、顶部突出部位以