（安全技术及工程专业论文）温度应力对钢筋混凝土超长结构安全的综合研究.pdf

中南大学硕士学位论文中文摘要 结论以为实际的工程设计提供参考。 本文以钢筋混凝土弹性理论为依据，经a n s y s 结构分析，证明 该方法可行，有工程参考价值。 关键词：超长结构，温度应力，有限元分析，无缝设计，裂缝控制 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，b u i l d i n gi n d u s t r y i s g r o w i n gr a p i d l y c o n s i d e r i n g a r c h i t e c t u r ea p e a r a n c ea n dc o n s t r u c t i o nd e s i g n ，p r o - l o n gs t r u c t u r e s w i t h o u te x p a n s i o nj o i n th a v eb e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gp r o j e c t a so n eo ft h em a j o rc a u s eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e sc r a c k ，i f t h e r m a ls t r e s sr e a c ho re x c e e dt h ec o n c r e t e sl i m i tt e n s i l es t r e s s ，c r a c k w i l le m e r g ei ns t r u c t u r e a n dt h ec r a c k sm a ye v e na f f e c tt h en o r m a l o p e r a t i o n o ft h e b u l d i n g s s ot h e r m a l s t r e s si sn e e d e dt ob e s i g n i f i c a n t l yc o n s i d e r e di nd e s i g no fp r o - l o n gs t r u c t m e t h e r m a le f f e c t i se v e nn o tt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n si n ，a n do n l yd e t a i l i n gm e a s u r e sa r et a k e ni nc o m m o nd e s i g no f c o n c r e t es t r u c t u r e t h e r e f o r ，i no r d e rt o p r o v i d e r e f e r e n c e so f e n g i n e e r i n gp r o j e c t ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t os e a r c ht h ed i s t r i b u t i o na n d r e g u l a r i t yo ft h e r m a ls t r e e sa n dp r o v i dr e a s o n a b l es o l u t i o nm e t h o do f t h e r m a ls t r e e si np r o l o n gc o n c r e t es t r u c t u r e i nt h et h e s i s ，t h es t u d ya c t u a l i t ya b o u tt h e r m a ls t r e s s e si sf t r s t l y s u m m a r i z e d ，a n dt h et h e r m a lc h a r a c t e r so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ea r e i n t r o d u c e d t h e nr e s o n so fe m e r g i n go ft h e r m a ls t r e s si nr e i n f o r c e d c o n c r e t ea r ea n a l y z e d s o m ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h e o r i e sa n d m e t h o d so f c o n c r e t ea r ea l s oi n t r o d u c e di nb r i e f 、聃ma n s y s as t u d y o far e a lp r o j e c to fp r o l o n gr e i n f o r c e dc o n c r e t ei sc a r r i e do u ti nt h e t h e s i s ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h e r m a ls t r e s si sg i v e n t h em a i n s t u d y o ft h i st h e s i si n c l u d e st h r e e p a r t s f i r s t l y , b y a n a l y z i n gt h er e a s o n so fe m e r g i n go ft h e r m a ls t r e e si nr e i n f o r c e d c o n c r e t es t r u c t u r e ，i ti sk n o w nt h a tt h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ei s b e n e f i c i a lt or e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e a n dt h e d e c r e a s i n g t e m p e r a t u r ei st h em a j o rr e a s o no fe m e r g i n go ft h e r m a ls t r e e si n r e i n f o r e e dc o n c r e t e s t r u c t u r e d e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e c a nc a u s e s h r i n k a g eo fc o n c r e t e ，a n dt e n s i l es t r e s se m e r g e si nc o n c r e t ea n dt h e s t r u c t u r ei si nt h eu n f a v o r a b l ec o n d i t i o n t h e nb ys t u d i n gt h ep r a c t i c a l s i t u a t i o no f c h a n g s h a , t h er e s i d u a lq u a l i t yo f t e m p e r a t u r ef o rs o u l u t i o n 中南大学硕士学位论文 i sg i v e n s e c o n d l y i no r d e rt oe v a l u a t et h ee f f e c to ft h e r m a ls t r e s s e s a n dr e s r i o n s el a wo far e a l p r o 1 0 n g s t r u c t u r eu n d e ru n i f o r m t e m p e r a t u r ec h a n g e ，t h ei n n e rf o r c e c o m b i n a t i o no f t h r e et y p el o a d d e a d ，l i v ea n dt h e r m a ll o a da r ep e r f o r m e db a s e do nt h ec o n c e p t so f e l a s t i cc o n s t i t u t i v el a w a n di ti sa l la n a l y s i so ft h i sp r o 1 0 n gs t r u c t u r e m a ti su n d e ri n s t a n t a n e o u st e m p e r a t u r ec h a n g ei nt h eu s i n gt i m eo f t h es t r u c t u r e f i n a l l y , w i t ht h ea n s y ss o u l u t i o n , s o m es i g n i f i c a n t d e s i g nm e a s u r e sa r es u m m a r i z e dw i t ht h i sr e a le n g i n e e r i n gp r o j e c t k e y w o r d s ：p r o - l o n gs t r u c t u r e ，t h e r m a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， j o i n t l e s sd e s i g h , c r a c kc o n t r o l i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：壁塞丕日期：墟年上月立日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：凼导师签名：至上歪一日期：过年上月丛日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着建筑业的飞速发展和城市建设中考虑节约用地的需要，建筑物 的体形不断变化，建筑物的竖向高度和水平长度也不断增加，通过采取各种有效 的技术措施，控制建筑物混凝土有害裂缝的产生，使得钢筋混凝土结构无缝设计 的长度不断增加，建筑物突破规范规定的设置伸缩缝最大间距的允许值进行超长 结构无缝设计也渐渐地成为可能。为了确保建筑物在各种荷载组合下的安全和正 常使用，对混凝土的温度应力的大小应由定性的构造措施转向定量的计算分析， 由单一的结构设计中的构造处理到结构的整体计算和分析。 由于温度效应引起的结构破坏现象较多，而设置伸缩缝又会给防风、防水和 保温等建筑构造带来许多困难。目前，由于建筑功能上的要求，般不设或少设 伸缩缝，致使钢筋混凝土结构大于1 0 0 m 以上者日见增多，这就需要考虑温度荷 载、混凝土收缩和徐变作用对结构的影响。在实际工程中，结构的温度变形与温 度应力若在结构设计中处理不当，不采取有效的裂缝控制措施，就可能会造成结 构的大面积开裂，严重者甚至能造成部分结构构件的破坏，直接影响到建筑物安 全及正常使用。因此，如何进行超长无缝结构在温度荷载、混凝土的收缩和徐变 作用下的应力分析，就成为钢筋混凝土超长结构设计的核心问题之一 但是由于钢筋混凝土超长结构体积和尺寸较大，各处温度参数很难准确确 定，计算钢筋混凝土结构温度应力存在着很大困难，这就使得研究和工程设计人 员采取简化的计算方法，得出的结论粗糙。我国现行的建筑结构设计中甚至不计 算温度作用，只做构造处理【1 1 。因此，温度问题是钢筋混凝土超长结构设计中不 可以忽视的一个问题，必须引起重视。 钢筋混凝土超长结构。无缝设计“就是对长度超过混凝土设计规范( g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 1 ) 设置温度缝规定的建筑物不设置任何形式的永久缝，或者是少设置 伸缩缝的一种设计方法。钢筋混凝土超长结构”无缝设计“的意义是：可以满足 建筑物的使用功能和建筑物的整体性要求；可克服设置变形缝可能带来的耐久 性，耐火性、水密性、施工和维修等方面产生的问题以及引起的建筑物缺陷；可 以避免变形缝之间的结构单元因刚心与质心不重合而引起的超过规范规定值要 求的扭转破坏效应；可以克服设置伸缩变形缝之后给设备管线的布设带来的困 难。 防止钢筋混凝土的开裂是超长结构设计中的技术难点，引起混凝土裂缝产生 的因素有很多，但是一方面由于超长结构的施工周期较长，施工过程中不确定因 中南大学硕士学位论文第一章绪论 素较多，还有外界气温的变化和太阳辐射等对混凝土的影响也很大，而这些因素 共同作用下一旦产生的温度应力达到混凝土的极限拉应力，结构就会开裂，这对 建筑结构造成的危害是严重的；另一方面混凝土的收缩和徐变对混凝土的开裂有 很大的影响，特别是在混凝土的早期施工硬化阶段的混凝土收缩，一般分析时通 常将混凝土收缩换算成等效温差，与结构的温度荷载叠加而得到计算温差，然后 按计算温差对结构进行温度应力分析。因此在分析钢筋混凝土结构的温度应力时 不但要考虑温度荷载的影响，还要考虑混凝土收缩和徐变等对结构的影响，但混 凝土浇筑硬化阶段的水化热、混凝土的收缩以及混凝土的徐变等往往很难确定， 这就给分析带来了很大的难度。所以在实际工程中，计算温差一般情况下直接取 混凝土结构出现的平均季节温度之差。 大量工程实践资料证明混凝土开裂，特别是早期开裂，主要来源于温度引起 的变形和应力【4 】。因此设计过程中考虑温度作用是必要的，特别是混凝土超长结 构降温引起的收缩变形较大，而变形受到约束就会在结构的内部产生较大的拉应 力，导致结构在温度应力的作用下产生局部开裂。 笔者认为，对钢筋混凝土超长结构温度应力进行数值计算可采用有限元方 法，不但要计算应力，还要计算变形。即建立一套以有限元分析为基础的计算温 度应力的方法。 但如何确定钢筋混凝土结构一个有效的温度场或者计算温差以及找寻合适 的有限元模型计算对应温度变化下的变形，更好的估测混凝土构件( 梁、板、柱) 的应力和应变以及结构的整体响应，就是本文研究的重点问题。而随着大型通用 有限元软件的开发及计算机硬件技术的快速发展，温度应力的计算和分析已经成 为现实。 1 2 钢筋混凝土结构的温度场 温度应力是钢筋混凝土超长结构设计需要考虑的重要因素，而建筑物温度场 的合理选择和建立是温度应力分析的基础，是决定温度应力结果合理与否的关 键，因此在建筑材料导热的基础上对整个结构温度场的计算分析是必要的。 因为在不同的阶段，即混凝土结构的施工硬化阶段和投入使用阶段，其温度 场的发展情况是不同的，所以可以把温度作用分为两个阶段：施工阶段和使用阶 段分别进行介绍。 1 2 1 钢筋混凝土结构施工及硬化阶段的温度场研究 因为混凝土结构在浇筑过程中会产生大量的水化热，如果不考虑混凝土周围 的热量散发，混凝土由于水化，内部温度持续上升，且随着时间上升。假定混凝 2 中南大学硕士学位论文 第一膏绪论 土处于不能散发热量的绝热状态，这时混凝土内部的温度会持续上升，其规律可 由下式确定1 4 1 ； 删：孕( 1 _ e - m ：) ( 1 - 1 ) l y 绝热最高温升为： 已。：woo(1-2) 一m “ 几 l ， 式中一每1 m 3 中水泥含量( k g m 3 ) ； q 一每l k g 散热量( j k g ) ； c 一比热，一般为0 9 2 1 o x l 0 3 j ( k g 口c ) ； ，一混凝土的重度，为2 4 0 0 2 5 0 0 k g r a 3 ； 肼一水泥品种与温升速度有关的系数，为o 3 o 5 ； z 一导热系数，为5 8 5 2 l o x l 0 3 j ( h g c a n ) 。 但是在实际结构中，绝热都是不可能的，在水化热发生的同时，必然伴随着 热量散发水化热升至峰值后，水化能耗尽，继续散发热量便引起温度下降，随 着时间的逐渐衰减，延续1 0 3 0 天1 4 1 。而水化热在水工大体积混凝土结构物中 消散可延续数年1 巩1 4 1 升温时段则比较短，一般为2 5 天，早期混凝土弹性模 量较低，基本上处于弹塑性状态，约束应力很低。降温阶段，弹性模量迅速增加， 约束应力也随时间增加，直到超过混凝土抗拉强度便出现贯穿裂缝1 4 1 。 混凝土的降温曲线十分重要，但该问题属于热传导理论中的混合边值问题， 通过理论求解，不仅需要考虑混凝土化学反应速率、水化程度等内部因素，而且 需要考虑外界自然条件的变化，包括养护条件、周围环境温度、太阳辐射等外在 因素，同时由于许多施工条件难以预测，所有这些都会影响理论解的求得，国内 外学者在这个方面都做出了不少的努力，但大都局限于理论阶段，因而难以应用 到工程实际中。我国著名工程裂缝控制专家王铁梦( 1 9 9 4 ) 根据最近几年内的现场 实测降温曲线及实测数据，统计整理的水化热温度状态，可直接应用到相似的工 程裂缝控制中，并偏于安全的以截面中部最高温度降温曲线代替平均降温曲线， 求得近似解答【4 1 。 1 2 2 钢筋混凝土结构投入使用阶段的温度场研究 钢筋混凝土结构投入使用后，这时结构内部的温度变化，主要是由于外部条 件变化引起的，包括周围自然环境、太阳辐射、非线性辐射换热及表面对流换热 等。但是由于外界温度荷载作用具有时效性、非线性和周期性，所以在计算结构 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的温度应力时，应充分考虑到这个时效性、非线性和周期性，也就是说采用的混 凝土本构模型最好能反映出温度的非线性变化和结构的疲劳性能 温度变化的周期可以是年也可以是季度、月、日，稳态场的温度是该周期时 间段内的平均气温，即年平均温度、季度平均气温、月平均温度、日平均温度， 它的导热过程是稳态导热。非稳态导热的波动幅度应是相应周期内最高、最低温 度与平均温度之差，它的导热过程是非稳态导热。考虑到非稳态场周期性波动的 温度具有衰减性和延迟现象，温度波动幅度周期取得短，分析的可靠度相对较高， 所以温度作用分析时温度变化周期以日为宣。 目前钢筋混凝土结构温度场的理论计算一般采用以下几种方法：解析法、经 验公式法、有限差分法( f d m ) 、有限体积法( f v m ) 和有限单元法( f e m 。其中后 三者可以统称为数值计算方法，解析法由于自身的限制，只能应用到简单的结构 体系中，相比于数值方法，很难应用到实际工程中。经验公式法则从工程的实际 角度出发根据气象资料来确定一个等效温差应用到结构使用阶段的温度应力计 算，对于超长结构的温度应力计算，这仍是较为实用的方法1 4 , 6 | 。数值方法虽然 能够较好的模拟建筑结构的温度变化，但是由于温度应力的计算考虑周期性，这 要建立在一个能够反映循环加卸载引起结构疲劳的本构模型的基础之上，因此需 要更多的理论研究，但是可以建立在个周期之内瞬态温度变化所引起的应力和 变形的本构模型。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国内研究概况 l 对于钢筋混凝土超长结构，我国混凝土结构设计规范( g b5 0 0 1 0 2 0 0 1 ) 认为设置伸缩缝可大大消除温度作用对结构的不利影响。伸缩缝宽度一般 5 0 r a m 。混凝土结构设计规范中规定：钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距宜符 合表1 1 的规定。对于一般的建筑，在设计中，一般按照表1 1 中的规定设置伸 缩缝，然后满足规范的构造要求，就不需要进行专门的分析l l 】。而且对于一些受 温度变化影响较为敏感的结构，伸缩缝间距还要适当减小：如果采取一些可减小 混凝土膨胀、收缩等不利影响的有效措施，则允许适当增大伸缩缝的间距。但随 着伸缩缝间距的加大，结构的长度也随之加长，长度可能达到1 0 0 2 0 0 m ，大大 超过规范允许值，温度应力也随之增加。所以温度荷载对混凝土超长结构的影响 就必须引起重视。 在结构施工阶段采取防裂措施是国内外通用的减小混凝土收缩不利影响 的有效方法。我国常用的做法是设置后浇带。根据工程实践经验，通常后浇带 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的间距为3 0 4 0 m ，浇灌混凝土的间隔时间通常在两个月以上。这里所指的后 浇带是将结构构件和混凝土全部临时断开的做法。合理设置有效的后浇带，并 有可靠经验时，可适当增大伸缩缝间距，但不能用后浇带代替伸缩缝i ”。 表卜1 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距f l 】 排架结构 框架结构 剪力墙结构 挡土墙、地下室墙壁等结构 装配式 装配式 现浇式 装配式 现浇式 装配式 现浇式 1 0 0 7 5 5 5 6 5 4 5 4 0 3 0 7 0 5 0 3 5 4 0 3 0 3 0 2 0 注： ( 1 ) 装配整体式结构房屋的伸缩缝间距宜按表中现浇式的数值取用； ( 2 ) 框架一剪力墙结构或框架一核心筒结构房屋的伸缩缝间距可根据结构的具 体布置情况取表中框架结构与剪力墙结构之间的数值； ( 3 ) 当屋面无保温或隔热措施时，框架结构、剪力墙结构的伸缩缝间距宜按 表中露天栏的数值取用； ( 4 ) 现浇挑檐、雨罩等外露结构的伸缩缝间距不宜大于1 2 “”。 另外，对结构施加相应的预应力可以减小因温度变化和混凝土收缩而在混 凝土中产生的拉应力，以减小或消除混凝土开裂的可能性f l , 4 1 。 其他措施：加强屋盖保温隔热措施，以减小结构温度变形；加强结构的薄 弱环节，以提高其抗裂性能；对现浇结构，在施工中切实加强养护以减小收缩 变形；采用可靠的滑动措施，以减小约束结构变形的摩擦阻力；合理选择混凝 土材料以减少混凝土的收缩等此外，对墙体还可采用设置控制缝以调节伸缩 缝间距的措旖。控制缝是在建筑物的线脚、饰条和凹角等处通过预埋板条等方 法引导收缩裂缝出现，并用建筑构造处理从外观上加以遮掩，并做好防渗、防 水处理的一种做法。其间距一般在l o m 左右，根据建筑处理设置。对设有控制 缝的墙体，伸缩缝间距可适当加大【n 。， 规范中还特别强调“当增大伸缩缝间距时，尚应考虑温度变化和混凝土收缩 对结构的影响”这是因为温度变化和混凝土收缩这类间接作用引起的变形和位 移对于超静定混凝土结构可能引起很大的内应力，导致结构构件开裂，甚至使结 构的受力形态发生变化。设计者不能简单地采取某些措施就草率地增大伸缩缝间 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 距，而应通过有效的分析或计算慎重考虑各种不利因素对结构内力和裂缝的影 响，确定合理的伸缩缝间距。 2 我国著名工程裂缝专家王铁梦经过几十年的工程实践和理论推导建立了 “抗”、“放相结合的解决温度应力的方法( 1 9 9 4 ) ，这个方法在国内很多大型 的实际工程中得n 3 推广和应用 4 1 同时他提出的“框架结构温度应力近似计算 法，也被广泛的应用于框架结构的工程实际中，且取得了较大的经济效益，其研 究建立在平面弹性的基础上进行简化计算 4 1 。 吴邦达( 2 0 0 2 ) 用“a 值法”分析了钢筋混凝土结构温度应力。刘开国( 2 0 0 0 ) 提出了“3 a 方程法”对超长框架结构温度作用进行简化计算。 游宝坤( 1 9 9 3 ) 针对钢筋混凝土超长结构的收缩变形与收缩能力，提出了取消 伸缩缝的新材料和新的施工方法，并成功应用到工程实际中去【2 0 l 。由中国建筑 材料科学研究院研究开发的u e a 补偿收缩混凝土“超长钢筋混凝土结构无缝设 计和施工”专利技术，较好地解决了超长混凝土结构收缩开裂的难题【l ”。 于钢( 2 0 0 2 ) 通过三组典型实例对超长框架结构抗震设计进行了总结 4 9 1 。采 用有限元方法，对整个结构进行模拟，则不用受平面简化的局限，可以较好的模 拟温度作用下整个结构的反应，包括边柱内力、板的应力变化等。 伍朝晖( 2 0 0 2 ) 结合一个具体工程介绍了复杂平面、超长框架结构温度应力的 测试工作，并进行了弹性有限元分析。 冯键等( 2 0 0 1 ) 根据钢精混凝土超长结构无缝设计的特点，较为全面的考虑了 徐变、收缩等因素，提出了超长框架结构“温度应力折减系数法”，并对采用无 粘结预应力筋减小温度应力进行了实际的工程验证。并建立有限元模型进行了数 值计算，其计算为弹性分析。 赵娟等( 2 0 0 4 ) 探讨了骤降温差对超长高层建筑结构的影响问题。并通过历 史统计数据设计了作用在超长高层建筑结构上的骤降温差工况，以典型超长高层 建筑实际工程为例，采用有限元方法对这个工程进行仿真分析，从中总结温度变 形、温度内力和应力分布规律，为工程技术人员在设计和施工中考虑骤降温差效 应提供依据。 顾渭建等( 2 0 0 5 ) 根据钢筋混凝土高层建筑超长结构无缝设计的特点，提出 了一唯非稳态场的分析模型和数值计算方法。并对河南信息广场工程的屋盖和墙 面温度场进行了数值计算分析。计算结果表明，超长结构在温度荷载作用下最危 险期是在施工后期【3 7 。 6 中南大学硕士学位论文 1 3 2 国外研究概况 第一章绪论 各国都针对温度作用对混凝土结构影响都进行了相应的研究，并集中体现各 国规范对这一问题的处理上。通过参考文献，总结出各国研究概况如下 4 1 1 前苏联及东欧一些国家研究概况 前苏联及东欧一些国家一贯以伸缩缝作为控制裂缝的措施。按前苏联规范连 续式结构的伸缩缝间距，处于室内和土中者4 0 m ，露天者2 5 m 。前苏联几十年来 直沿用该规定进行设计。 2 德国研究概况 德国钢筋混凝土结构规范d i n l 0 4 5 有关温度变化对结构的影响只规定了计 算温差的取值范围，对于伸缩缝间距并无明确规定，但在设计实践中设置伸缩缝， 其间距一般为3 0 m 。 3 法国研究概况 法国的钢筋混凝土规范规定对不能自由膨胀收缩的结构应当考虑温度收缩 影响。法国一些连续墙式结构设计采用3 0 - - 4 0 m 的伸缩缝间距 4 英国研究概况 英国规范规定处于露天条件下的连续浇筑钢筋混凝土构筑物最小伸缩缝间 距为7 m 。在实际工程设计中，不同设计单位根据自己的经验进行设计 5 美国研究概况 美国的混凝土协会中有2 0 7 及2 2 4 委员会专门从事混凝土、钢筋混凝土及大 体积混凝土的裂缝研究，要求设计者对这类结构进行温度应力计算和配筋，在伸 缩缝方面尚无明确规定，也没有给出具体计算方法，由设计者自己确定合理的伸 缩缝间距。 6 日本研究概况 日本土木学会混凝土规范的混凝土标准示方书中，对大体积混凝土作了 原则规定，要求采取措施控制温度裂缝，根据混凝土次浇筑量和裂缝控制的要 求设置施工缝。日本 土木设计资料要求对露天连续现浇混凝土的配筋，每米 厚的钢筋断面不小于5 0 0 m m z ，横向间距不大于3 0 0 r a m ；同时要求混凝土的伸缩 缝间距不大于3 0 m ，施工缝间距为9 m 。 但日本的设计人员往往不能严格地按规范作设计，各公司都有一套自己的经 验，有其内部设计规定。同时，即便是同一公司的设计人员也可能作法各不相同， 各人按自己的经验作设计。 按日本经验，伸缩缝处钢筋断开，以橡胶止水带阻水；施工缝处钢筋连续， 仍然要设置橡胶止水带防止渗漏。 综观上述，目前大多数国家靠设置永久式伸缩缝来控制裂缝，一般结构工程 7 中南大学硬士学位论文 第一章绪论 的伸缩缝间距为3 0 4 0 m ，个别的为1 0 - 2 0 m 1 4 6 。有一些工程采取不留伸缩缝的作 法，其主要依据是经验性的。这类工程一般也要设置临时性的伸缩缝，即后浇带， 其间距为l o - 3 0 m 。其实在混凝土超长结构中的裂缝是难以避免的，所以在工程 中都留有排水沟，实行“裂了就堵，堵不住就排”的设计方法。关于是否设置伸 缩缝，在机理方面以及裂缝与物的长度究竟是怎样的关系问题，到目前为止，尚 无明确的定论1 4 j 。 1 4 课题提出及本文研究内容 钢筋混凝土超长结构如果不设置伸缩缝，不仅降低了施工设计的难度，而且 可以消除伸缩缝对防水及保温的不利影响，但同时受温度收缩变形影响较大，在 结构内部产生了较大的温度应力，容易引起局部开裂，影响使用及美观。在实际 工程中由于温度变形引起的裂缝非常普遍，是一种常见之工程质量通病，甚至危 及结构的安全。所以，温度应力引起混凝土的开裂是钢筋混凝土超长结构应该引 起重视的一个问题之一。 在前文中详细地介绍了国内外温度应力研究现状，为了更好地估测超长结构 中存在的温度裂缝问题，确保建筑物在各种荷载下的安全和正常使用，在进行结 构设计时，温度作用的大小应由定性的构造措施转向定量的计算分析，由单一的 结构设计转向结构整体温度场的内力计算全过程控制。 由于钢筋混凝土超长结构中存在的温度裂缝问题，使建筑工程中存在许多安 全隐患，例如影响建筑的美观，使结构丧失承载能力，影响建筑物的正常使用， 以及结构的渗漏水等。本课题的研究，力求对渐变温度场作用下结构变形进行较 为深入的理论探讨和研究，进一步完善钢筋混凝土超长结构设计理论和施工技 术。 本文研究内容总体上分为五个部分： l 通过对钢筋混凝土温度特性的研究，综合考虑影响温度应力的各种因素， 考虑到混凝土结构在施工和使用两个不同的阶段温度应力的不同情况，从而得出 这两种情况下钢筋混凝土超长结构温度应力产生的原因。通过对钢筋混凝土超长 结构裂缝的分析研究，结合温度应力、混凝土收缩及徐变等裂缝影响因素，以探 讨混凝土的温度裂缝，及定性描述钢筋混凝土结构温度变形和温度应力的规律， 最后得出为达到超长结构裂缝控制为目的的裂缝控制原则。 2 根据上文第一部分得出的温度应力裂缝控制原则，通过对钢筋混凝土超长 结构无缝设计的研究，结合膨胀混凝土技术的作用机理及在钢筋混凝土超长结构 中的应用，探讨钢筋混凝土超长结构在施工阶段的裂缝控制方法。 3 介绍有限元分析理论及钢筋混凝土本构关系，采用线弹性本构关系对钢筋 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 混凝土超长结构进行分析。介绍钢筋混凝土温度应力的计算方法。最后探讨温差 荷载的合理取值，以长沙地区的气候特征为例，得出基于a n s y s 分析的计算温 差( 降温差) 。 4 采用a n s y s 有限元软件对一个实际工程的钢筋混凝土超长结构在建筑投 入阶段承受骤降温差荷载( 降温) 作用进行模拟分析。即结合通用有限元软件 a n s y s 对结构在温度场作用下的空间变形特性和构件的内力进行线弹性分析 采用三维实体有限元模型对结构进行有限元分析。并对结构在没有温度荷载( 结 构恒活载作用) 作用和施加降温荷载作用下的两种荷载工况下内力组合结果进行 比较，得出的结论对工程设计有一定的指导意义，并对温度应力的计算提出设想 和看法； 5 结合钢筋混凝土超长结构的工程实践，按照上述所提出的方法进行温度应 力分析，得出结果，证明该理论分析数据行之有效，并提出一些工程技术措施。 同时得出一些规律性的结论以为其它的钢筋混凝土超长结构设计提供参考。 9 中南大学硕士学位论文第二章钢筋混凝结构的温度应力和裂缝控制 第二章钢筋混凝土结构的温度应力和裂缝控制 2 1 引言 国内外对钢筋混凝土结构的温度效应问题已经开展了一系列研究，但有一定 的局限性，特别是研究的都主要是大体积混凝土结构，即大体积混凝土结构在施 工阶段因混凝土水化热而引起的温度应力问题，而对钢筋混凝土结构在整体结构 的温度效应方面研究较少。因此，研究钢筋混凝土结构的整体结构温度效应，特 别是钢筋混凝土超长结构的温度应力，为工程技术人员在设计和施工阶段考虑温 度作用提供依据，具有十分重要的现实意义。 本章将对钢筋混凝土结构的温度效应及混凝土的收缩和徐变进行必要的介 绍，然后通过分析得出混凝土超长结构产生温度应力的主要原因。 2 2 温度作用对钢筋混凝土结构的影响 混凝土是一种抗拉能力很低的脆性材料，它的极限拉应交很小，混凝土的轴 心抗拉强度约为1 1 7 1 8 立方体抗压强度【3 】。如果混凝土中产生的拉应力大于混 凝土的极限抗拉强度时，混凝土便产生裂缝达到开裂。一般来说，当混凝土结构 受热升温时，体积将受热膨胀；当受降温作用时，结构将会收缩。在降温荷载作 用下，因为热胀冷缩的性质，混凝土收缩，在混凝土中则更容易产生拉应力，这 对混凝土结构是不利的。根据多年的框架结构的使用经验，框架结构的裂缝多数 是由降温及收缩引起的1 4 】。所以考虑到钢筋混凝土结构在降温荷载作用情况下处 于更不利的收缩状态，故应选取在降温荷载作用下的混凝土结构作为研究对象。 为了确保建筑物的正常安全使用，就必须限制混凝土有害裂缝的产生。但是 混凝土结构裂缝的产生往往不只和温度应力相关，它还和混凝土的收缩、徐变等 有关。混凝土的开裂也往往是这几个因素共同作用的结果。所以分析研究混凝土 结构温度应力产生的原因，就得同时考虑混凝土的收缩和徐变对结构的影响。 同时，混凝土结构在混凝土浇筑施工和投入使用两个不同的阶段，其承受的 温度收缩变形是不同的，相应温度应力也是变化的，所以分析和研究也应根据这 两个不同的阶段分别考虑。 2 2 1 钢筋混凝土施工浇筑及硬化阶段 在混凝土的施工浇筑及硬化阶段，混凝土因为水化作用，会散发出的大量热 量，很难在短期内散发，这时如果外界气温变化，能在混凝土内部形成非线形温 l o 中南大学硕士学位论文第二章钢筋混凝土结构，涅度应力和裂缝控制 度场，混凝土因为水化热而产生变形，这个非线性温度场会限制混凝土的自由变 形，从而产生拉应力。如果在混凝土的硬化阶段，遇到气温骤降的情况，这时在 结构的表面会产生表面裂缝，在结构的突变部位会产生应力集中的现象，表面裂 缝则极容易进一步发展成深层裂缝或贯穿性裂缝，导致混凝土开裂。 2 2 2 钢筋混凝土结构投入使用阶段 在混凝土结构投入使用阶段，一般来说，这时混凝土的收缩也己大部分完成。 对目前的大部分建筑而言，由于在使用时期室内大多保持相对恒温，仅屋顶和四 周外表面等与阳光、空气接触的部分承受外界温度变化的影响，所以这时的温度 应力也主要是因为屋面、向阳面和其他外表面的温差荷载作用而形成的。特别是 当结构受到寒流作用急速降温，或者是如屋面板突然淋水急冷降温的情况，这时 在结构中会出现非常大的非线性温度梯度，在混凝土内部和外部的约束下，极容 易出现很大的温度应力，对结构很不利。 l 框架结构在使用阶段的温度应力 现在很多的混凝土采用框架结构形式，且框架结构的裂缝现象相当普遍。这 类结构裂缝出现在板上表现为贯穿裂缝；出现在梁上常为表面裂缝【4 1 这种裂缝 主要是由与结构受到降温作用和收缩而引起的，当结构周围的气温及湿度变化 时，梁板产生两种变形温度变形和收缩变形。而板的厚度远远小于梁，所以 整个截面随气温变化而变化，水分也蒸发较快，收缩变形也较大。但是梁较厚， 其温度变形滞后于板，特别是在骤间温差作用时更加明显。故在梁和板之间很容 易形成非线性的温度梯度，从而产生温度应力。 同时，当框架结构受到降温荷载时，整个框架在降温作用下都将产生变位， 框架水平构件的横向变位受到柱子的约束，在全框架内引起内应力。 2 3 热传导方程及其定解条件 2 3 1 热传导方程 设有一个均匀、各向同性的固体，其内部或表面的某一点，这一点为一无限 小的六面体d r d y & ，如图2 1 所示 8 9 j o l 。 在六面体如咖出中，单位时间内从左面巧沈流入的热量为q , 勿d z ，经右面流 出的热量为g 抖。砂出，流入的净热量为( 吼一q 。) 巧沈，在固体的热传导中，热流 量q ( 单位时间内通过单位面积的热量) 与温度梯度成正比，但热流方向与温度梯 度方向相反，即 吼：一五娶 饿 ( 2 1 ) 中南大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土结构的温度应力和裂缝控制 式中五为导热系数( w ( r r 盯c ) 。 图2 - 1 微分体示意图 q x + 。是x 的函数，将q ；础展开成泰勒级数并取二项可以得 * 吼+ 誓凼= 以娶一a 著d x ( 2 - 2 0 x ) o xc w 一 于是沿x 方向流入的净热量为 z , , 7 0 2 t = - a ，x c o ，：a ，z以，= - 狞 。 同理，沿y 方向和z 方向流入的净热量分别为 a 窘蚴及譬一 假设由水泥水化热在单位时间内单位体积中发出的热量为q ，则在六面体体 积凼咖出内发出的热量为 q 西c 匆d z 在咖的时间内，此六面体因为温度升高而吸收的热量为 c p 娶骶缸劫彘 式中c 一比热( 脚( 唧c ) ； p 一容重( 堙m 3 ) ； f 一时间( h ) 。 根据外面流人的净热量与内部水化热之和必须等于温度升高所吸的热量这 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土结构的温度应力和裂缝控制 一热量的平衡原理，得 印要删妣= a ( 窘+ 矿0 2 t + 塑a 2 ) 1 + q 蚴砬疵 t ：埘 通过化简可以得到均匀各向同性的固体的导热方程为 塑：口f 窑+ 窑+ 窑1 + 旦( 2 - 4 ) 瓦钳【萨+ 矿+ 可j + 毒 式中口= 三为导温系数( 菥h ) 。 c p 由于混凝土的水化热作用，在绝热条件下其温度上升速度为 丝；旦；w q( 2 5 ) a t c pc p 式中q 一混凝土的绝热温升( 。c ) ； 矿一水泥用量； q 一单位重量水泥在单位时间内放出的水化热( u ，置g 晴) 根据式( 2 5 ) 方程可改写为 丝；口f 窑+ 窑+ 窑1 + 翌( 2 - 6 ) 瓦硝【丽+ 矿+ 可j + 瓦 若沿：方向上，温度为常数，则温度场是两向的，导热方程可简化为 丝：口f 窑+ 窑1 + 丝( 2 - 7 ) 瓦钳i 丽+ 矿j + 瓦 若沿z 方向和j ，方向上，温度都为常数，则得到一唯的导热方程为 卯：口堡+塑(2-s)i= 口r 十 如果温度不随时间变化， 1 _ t 3 t ；0 ，由式( 2 - 6 ) 可以得到 窑+ 窭+ 百0 2 t ：o ( 2 - 9 ) 万+ 萨+ 萨。0 这种不随时间变化的温度场称为稳定温度场，也即著名的三维l a p l a c e 方程。 2 3 2 定解条件 热传导方程建立了物体的温度与时间、空间的关系，但是能满足热传导方程 的解有无限多，为了确定需要的温度场，还必须知道初始条件和边界条件。初始 中南大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土结构的温度应力和裂缝控制 条件和边界条件合称为定解条件。初始条件为在物体内部初始瞬时温度场的分布 规律。边界条件包括周围介质与混凝土表面相互作用的规律及物体的几何形状。 l 初始条件8 9 1 哪 在初始瞬时，即当f = 0 时，般认为这个时候的温度分布为均匀的，初始 瞬时的温度分布可以认为是常数，即t ( x , y ，z ，o ) = t o ( x ，y ，力= 常数，所以在混凝 土浇注块温度计算过程中，浇注温度即为初始温度。 一 2 边界条件【s ，9 1 0 】 边界条件可以分为以下的四种： o ) 第一类边界条件 混凝土表面温度t 是时间的已知函数，即 r ，y ，z ，f ) = 瓦( f ) ( 2 1 0 ) 当混凝土与水接触时，就属于这种情况。即混凝土的表面温度为外界接触界 质的温度( 水温) 。 ( 2 ) 第二类边界条件 混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即 彳= r p ) ( 2 - 1 1 ) 式中n 为表面外法线方向。 若表面是绝热的，则有 _ c o t ：o ( 2 1 2 ) o r ( 3 ) 第三类边界条件 第三类边界条件即混凝土和空气接触时，假定经过混凝土表面的热流量与混 凝土表面温度t 和气温瓦之差成正比，即 以= p ( t - 瓦) ( 2 - 1 3 ) 式中为表面放热系数( k j ( m 2 厅? c ) ) 。 当表面放热系数趋于无限，t = 瓦，即转化为第一类边界条件。 当表面放热系数= o ，芸= o ，又转化为绝热边界条件。 ( 4 ) 第四类边界条件 第四类边界条件为当两种不同的固体接触时，假如接触情况良好，则在两个 固体的接触面上的温度和热流量都是连续的，即 1 4 中南大学硕士学位论文第二章钢筋混凝土结构的温度应力和裂缝控制 ( 2 1 4 ) 丑黔去? i 旧 ( 鼍) = 五( 刳j 当结构或构件承受不均匀温差或收缩作用，无外约束，但可能产生内约束， 结构内部便会产生内约束应力。但是，如果结构满足以下条件则不会产生应力( 即 既没有外约束又没有内约束应力) ： l 结构是自由体，为静定结构，无外约束； 2 结构内部没有热源； 3 结构内部的温度场是稳定的，即定常的，并沿截面呈线性分布。 2 4 1 温度应力的基本概念 结构物可能承受由温度变化引起的变形。如图2 1 所示的悬臂梁，承受一均 匀温差r ( 升温为正，降温为负) ，梁将伸长a 工，这时梁内不会产生应力【4 】。 梁端自由伸长值( 自由位移) ： 址= 础咒( 2 - 1 6 ) 占：丝：a a t ( 2 - 1 7 ) 三 式中口一线膨胀系数( 杆件每升高l 的相对变形) ( 1 ) ： r 一温差( ) ； 工一悬臂梁的跨度( m ) ； f 一相对自由变形。 、lrj 、 蜴瓦 ，i 如 = 、，锃陪 五 中南大学硕士学位论文第二章钢筋混凝士结构的温度应力和裂缝控制 i1 i i i i 图2 - 1 梁自由变形示意图 如图2 - 2 所示的梁，由于右端嵌固，则梁的自由变形受到限制和约束，此时 它完全不能发生位移，这时梁内便会产生约束应力，其应力数值由以下两个过程 叠加而得： l 假定梁呈自由变形，梁端变形a l = d ，死。 2 施加一个外力p ，将自由变形梁压缩回到原位，产生的应力即为变形约束 应力。 因为外