钢筋混凝土超长梁温度作用下应力分析

李栋谋

【摘要】在超长钢筋混凝土梁的结构设计中，有时必须考虑温度效应，这取决于结构本身的特点。温度和应力影响结构裂缝和构件的产生和发展。本文应用有限元理论，研究了温度作用下超长梁的水热温度对施工过程和应力状态的影响，为超长结构梁的设计和温度控制提供了理论依据。

【关键词】钢筋混凝土框架结构;超长梁;有限元理论

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.02.175

随着温度的升高，越受到重视混凝土结构。结构内外温度的变化导致结构内部温度和压力的升高，导致混凝土表面出现局部裂缝，影响混凝土的耐久性和安全性。结构温度变化引起混凝土抗裂性和导热性较差，结构温度变化的原因主要有两个：一是环境温度的变化天然混凝土材料随着外界温度的升高而膨胀，随着外界温度的降低而收缩。第二，水泥固化过程中产生的水化热使构件内部温度升高，导致构件内外温差较大，产生温度应力。

1、温度应力对超长混凝土结构的影响

1.1温度裂缝特征

混凝土在水化过程中干燥和收缩，混凝土自身在加热和冷却时膨胀和收缩。混凝土入模后，由于受模具和钢筋的约束，混凝土会出现收缩裂缝或温度裂缝。在普通超长建筑中，混凝土可能有收缩或温度裂缝收缩应力和温度应力共同作用引起的温度裂缝在建筑中很常见。它的特点是快速收缩，高达总收缩的90%。六個月后可完成，一年后稳定变形最小，主要收缩区域为下底、顶层、结构梁、楼板、明挑檐等。

1.2地层温度的影响分析

建筑工程中的温差包括垂直和水平温差。然而，在低高度超长平面建造中，只能考虑水平温度的差异。季节性温差和太阳暴晒引起的温差可分为两类：一方面，土壤温差是——也就是说，当地气温的差异;另一方面，场地温度的差异，也就是施工现场的温度的差异，局部温度变化对整体结构的影响是有限的，不应理解为考虑现场温度的水平温差，温度差是考虑到当前结构荷载标准规定的月平均最高温度和最低月平均，可作为设计依据的是（过去30年）。设计地下室温度相对较低，相对稳定温差。而一楼的建筑暴露在外，特别是在施工阶段，没有保温措施。因此，底层受拉的是地下室外墙和混凝土墙柱、梁、板。

1.3分析计算温度

（1）梁：在温差的作用下，建筑底部梁产生的轴力最大。纵梁两端轴向力较大。随着不断升高的楼层，构件中的梁受建筑物底部的约束越来越小，其变形越来越大，迅速减小的是梁的轴力。当它到达顶部建筑物时，底部的粘结力会小一些。当日照温差为局部温差时，梁的轴力较小。根据有关资料，

梁端的曲率扭矩主要取决于梁水平结构和梁间节点的刚度。在规则柱网结构中，框架梁端弯矩较大，框架端部的弯曲力矩较大。然而，在数据库和工程实践中，端部曲率力矩较小且分布均匀，可以确定温度应力对梁单元的影响集中在建筑物底部。（2）楼板：温度应力分布与发展规律于梁相似。底层与基础（或地下室顶部）接近，底层受框架梁和剪力墙的约束，导致最大应力。区别在于楼层顶部，尽管建筑物顶部的底部约束非常小。但是，由于屋面板之间较大的温差，变形约束会产生额外的温度应力，从而导致屋盖产生较高的温度应力。《高层建筑规范》要求顶层厚度为120mm，且应为双向钢筋。为了抵抗温度应力的不利影响，对建筑物的屋面进行了加固。与此同时，在建筑布置中根据经验，突变点与剪力墙交点处的应力出现突变。（3）剪力墙和柱：墙和剪力柱是垂直受力构件。建筑建筑不受纵向限制，可以自由回收。立柱内力的变化主要发生在扭矩较低时。剪力墙的布置限制了梁、板的水平变形，增大了剪力墙周围梁的温度应力。

1.4降低温度应力的措施

在《钢筋混凝土设计与施工规范》中，目前设计人员最常用的方法是后浇带所述措施。早期收缩是混凝土的特点，采用设计思想是“浇筑为主”。通过初始收缩应力释放，收缩应力引减小温度变形。在很多材料的介绍中都强调，如果设计和施工处理不好，不仅会减少裂缝，还会给结构设计留下隐患。因此，传统方法可参考以下几点：间距：规范要求30～40m，气候和环境是实际距离应考虑的，约30m为宜。位置：宜在小跨度梁或受力较小的部位布置，一般布置在梁跨的1/3处;布置平面时，梁与后浇带的布置应平行。800-1000mm是宽度，规格。预留搭接宽度钢筋应满足搭接要求。加固：后浇带梁纵向加固目前有两种方法。第一种方法是梁、板钢筋全部断开后搭接（按规定要求）。但由于梁体的粘接焊接，截面小，操作困难，不易保证质量，无法正常进行施工。第二种：断开板钢筋，连续连接梁钢筋。目前，它已广泛应用于施工中，但当梁的主筋连续且配筋数量较多时，混凝土的收缩会受到抑制，不能达到预期的效果。

2、案例分析

2.1分析确定了有限元模型

工程结构设计规范如图1所示。建立了有限元集分析模型。考虑到基础应力对上部结构的影响，在柱后施加相同的约束。同时，根据结构在施工过程中的环境条件，对整个结构施加温度效应。

在ANSYS中，分析单元是solid70。考虑到木模板的存在及其对混凝土浇筑过程中影响水化热积累，在模型的侧、底部设计了木模板2cm厚。混凝土线膨胀系数取，混凝土导热系数为8.6kj/（M.H.℃），木模板系数为0.84kj/（M.H.℃），它们的比热容为0.96kj/（kg.℃）、1.8kj/0（kg.℃）。它们流换热的表面系数为53kj/（m2.K）、49.4kj/（m2.K）。温度初始为25℃。

2.温度下的应力分析。（1）测定了水化热。本文采用改进的指数函数公式来提高水泥的水化热值。根据《水工混凝土设计规范》（sll91），公式计算如下：

式中，QT为水化累积热（kJ/kg），Q0为最终水化热（kJ/kg）、t期第一阶段tn、n是常数。（2）材料的模量弹性。混凝土硬化后的弹性模量随时间变化。根据《水工混凝土设计规范》（sll91），确定了以下公式：

式中，E是28天时混凝土的弹性模量（n/mm2）。（3）分析计算。水泥水化热和环境温度引起的温度效应作为体积荷载作用于构件。进行计算分析采用ANSYS结构分析模块。实际工程情况是梁构件的约束条件模拟，类似于多跨连续梁。初始温度设定为当地平均温度的25%，持续13天。泊松比为0.2，密度p=2500 kg/m3。

2.3结果分析

从应力应变分布特征来看，支撑区附近的应力应变值较大，然而，构件中部的应力分布较低。由于混凝土的水热效应，试验的内部温度升高，

内部变形受外部变形的限制。因此，在约束应力作用下，内应力减小，外应力增大。因此，在较大的受力约束下，构件表面容易产生裂纹。

通过对水化热和温度分析应力分布，得出以下结论：混凝土硬化过程中释放的水化热使构件内部温度升高，从而导致构件内外温差。由于温差的存在外表面产生拉应力，内外温度升高，混凝土的拉应力逐渐增大，局部拉应力大于抗拉强度。因此在混凝土硬化过程中应采取保护混凝土表面的措施，防止混凝土表面温度迅速膨胀，造成内部构件温差过大。外部温度和压力的影响下，应力集中发生在钢筋混凝土梁支撑节点附近的约束条件很重要，并且可能存在竖横向裂纹，影响梁纵截面钢筋温度。

参考文献：

[1]张照毅.混凝土结构设计中考虑温度作用组合的研究.工业建筑，2018，37（1）：42-46.

[2]李旭.钢筋混凝土原理和分析.北京：清华大学出版社，2018：57—58.