某复杂商业综合体超长结构温度应力分析

张东声

（成都惟尚建筑设计有限公司，四川成都 610000）

0 引言

随着近年来复杂商业综合体的建筑功能要求不断提高，越来越多的项目建筑师提出建筑不设缝的要求，由此引出如何进行超长结构的温度应力分析和设计越来越受到结构工程师的关注。目前对于温度效应的计算和作用形式现行规范中尚未给出明确的规定，本文以某复杂商业综合体项目超长结构为例采用允许应力法进行整体结构的温度应力有限元分析，并根据分析结果提出相应的设计技术措施，为同类型的超长结构项目关于如何进行温度应力分析和设计提供一定的项目经验。

1 工程概况

本项目案例建筑地下1 层，地上6 层，建筑总高度38.95m，采用钢筋混凝土框架结构，结构平面尺寸东西向最长260m，南北向最长110m，平面内有多个不规则中庭开洞，结构整体平面不设置结构缝，平面尺寸远超出了《混凝土结构设计规范》[1]规定的伸缩缝最大间距的要求。标准柱网8.4m×8.4m，一层层高6m，标准层层高5.5m，因中庭、溜冰场、影院等部位建筑功能需要，形成部分不规则大跨柱网（跨度9~25m）。不同阶段的温度作用对该结构变形和内力影响较大，必须通过温度作用下的结构应力分析和计算作为设计指导。

2 温度作用

2.1 温差计算

由于引起温度变化的各种影响因素类型较多，比较复杂，不易对温度作用进行准确定量的模拟。而对于超长混凝土结构出现裂缝的成因绝大部分是混凝土材料自身收缩变形以及外环境温度作用造成的。混凝土收缩变形等效为当量温差作用，结合外环境变化引起季节温差作用，两者对主体结构产生的不利影响是超长结构温度应力分析的重点。

2.1.1 季节温差

季节温差指结构构件整体浇筑完成形成约束期间的温度区间和建筑物后期施工和使用阶段温度区间的变化差值，主要由建筑物所在地气候环境的变化导致。季节温差计算公式如式（1）：

式中：TP，max，TP，min-建筑物使用周期中可能遇到的最高温度和最低温度；T0-主体结构整体浇筑完成形成约束时的温度。

《建筑结构荷载规范》[2]规定“对于热传导速率较慢且体积较大的混凝土及砌体结构，结构温度接近当地月平均气温，可直接采用月平均最高气温和月平均最低气温作为基本气温”，本工程按照《荷载规范》规定取所在地的月平均最低气温Tmin=0℃，月平均最高气温Tmax=38℃。

本工程在施工时期采取设置温度后浇带的方法将结构分成几个部分，在后浇带封闭之前不属于超长结构，因此在后浇带封闭之前不考虑施工阶段的温度作用对结构的影响。后浇带封闭之后至工程投入使用过程中的各个阶段，主体结构形成整体约束的温度一般可取后浇带整体封闭的月平均气温，本工程选取的后浇带封闭时的平均气温为20℃。考虑到建筑后期使用期间主要结构构件均在室内环境下，同时建筑外墙的保温装饰材料可以起到一定的保护作用，并且本项目作为大型商业建筑均安装了中央空调，也能起到一定的温度调节作用。因此选取后期使用阶段的温度变化范围为15~26℃。

综合上述各项因素取最不利季节温差为升温23℃，降温20℃。

2.1.2 混凝土收缩当量温差

混凝土材料的收缩主要是浇筑后混凝土中的水分蒸发引起体积收缩造成的，混凝土的收缩变形在构件约束下使内部产生收缩拉应力，拉应力超过材料标准抗拉强度则会形成收缩裂缝，因此必须考虑混凝土收缩对结构的不利影响。工程设计时一般对混凝土收缩的影响进行等效温度作用考虑，用等效温度作用荷载来模拟混凝土收缩引起的变形，等效温度荷载的变化幅值称为混凝土收缩的当量温差。

根据文献[3]的研究成果，混凝土任意时间收缩计算公式如式（2）：

式中：εy（t）-任意时间的收缩；t-时间，以天为单位；M1M2…Mn-考虑各种非标准条件的修正系数，其与工程平面尺寸和混凝土强度等级及楼板厚度相关，需根据混凝土材料组成成分、初期养护时间、使用环境湿度、混凝土振捣养护方式、不同模量比和配筋率比值等因素综合取值，本工程取值为1.16。

混凝土材料收缩当量温差计算公式如式（3）所示，α 线膨胀系数=1×10-5/℃（混凝土）：

本工程注意考查混凝土构件浇筑到结构后浇带整体封闭完成阶段的温度作用不利影响，将此阶段作为温度作用影响最不利阶段进行分析，此阶段施工时间按90d 考虑，则换算的收缩当量温差为15.1℃。

2.2 徐变对温度作用的影响

混凝土结构在内应力作用下，除瞬时弹性变形外，其变形值随时间的延长而增加的现象称为徐变变形。由于徐变变形的存在，混凝土结构构件的约束内力会随着时间的增长而逐步减少，这种现象称为应力松弛。在进行超长结构温度作用分析时，必须考虑建筑物施工和使用周期中混凝土徐变引起的应力松弛。为便于计算，程序中仍按各项同性弹性体假定考虑材料，同时根据徐变的缓慢程度通过引入松弛系数对温度作用分析应力结果进行修正。松弛系数[3]可取为0.3~0.5，本工程取0.3。

3 温度影响分析

本文采用有限元软件对该工程结构进行温度应力分析，分析程序中采用各向同性的线弹性材料假定。分析结果显示，温度作用下整体结构变形明显，结构水平变形量二层最大，往上逐层减小，四层以上水平变形几乎为零。主要原因是随着楼层高度增加，结构抗侧刚度减小，构件受到的约束也越小，温度作用的影响明显降低。从应力分析结果可以看出，水平构件拉应力数值呈现出平面中间大，往两端逐渐减少的规律，同时在约束条件较好的柱顶出现了明显的应力集中现象。楼板应力在二、三层较大（二层楼板应力图如图1 所示），随着约束作用减小，四层及以上楼层楼板应力逐渐降低。下部应力较大楼层部分区域应力值达到了2.8MPa，超过了混凝土抗拉强度标准，如不采取有效措施，将影响结构的正常使用。

图1 二层楼面温度应力分布

4 应对措施

（1）每隔30~50m 设置温度后浇带，全部后浇带封闭时间应控制在主体结构混凝土浇筑完成90d 以后进行；采用微膨胀混凝土进行后浇带封闭，其强度等级比两侧提高一级；严格控制后浇带封闭时的气温不得超过20℃，同时严格按设计要求控制主体结构混凝土的入模温度；后浇带范围内的梁构件纵向钢筋贯通，板构件纵筋断开采用搭接连接。

（2）根据温度应力分析结果对构件相应位置增设温度钢筋，应力结果不满足要求的楼层楼板顶部钢筋50%拉通布置，通长钢筋的间距在200mm 以内；加强框架梁两侧构造配筋，要求其腰筋面积不小于腹板截面积的0.2%，钢筋锚固措施按受拉钢筋采用。

（3）尽量选用低水化热的水泥品种，采用低坍落度的干硬混凝土，控制骨料含泥量；使用粉煤灰掺合料与外加剂，严格控制水灰比在0.55 以内；控制级配骨料中的中、粗砂的细度模数在2.7~2.9；控制混凝土含砂率在38%以内。

（4）严格要求混凝土浇筑和养护施工措施，采取有效措施控制混凝土构件内外温度差和混凝土浇筑的入模温度；加强混凝土的各项养护措施，如要求淋水养护不少于10d，及时覆盖物进行保温保湿等。

5 结论

本文通过总结在实际项目案例中进行的超长复杂结构温度应力数值分析结果和采取的有效措施，在满足超长结构建筑功能要求不设缝的同时，保证了结构的安全，为同类型项目的设计提供了实践经验。