考虑施工过程模拟的超长结构温度应力分析

黄长鑫

（青岛隆岳置业有限公司，山东 青岛 266000）

1 引言

混凝土结构温度应力分析涉及的因素较为复杂[1]，针对温度效应，现行的设计规范及标准给出了一定的构造措施，但并不能很好地结合施工过程来揭示温度应力对混凝土结构的影响，尤其在大体量混凝土结构的设计过程中，无法很好地解决实际问题。

目前，常规的温度应力分析采用的方法是：统计全年最高温度与最低温度得到最不利温差，并将其一次性输入结构模型中，有时会考虑后浇带设置，并辅助混凝土收缩徐变效应。但是由于实际工程是逐层建成的，不同楼层施工完成的时间不一样，因而各层结构应输入不同的温差。因此，在温度应力分析过程中，温度应力不应一次性施加在结构或构件中。这种不考虑施工过程的温差效应计算方法与实际存在一定差异，有必要对其进行优化设计。本文结合某工程算例，探究了考虑结构生命全过程最不利温差的温度应力分析方法，以及上述作用对结构温度应力的影响，以期为超长、大体量工程的结构设计提供借鉴。

2 分析案例概况

本文对某实际工程进行了简化处理，建立了一个主楼带裙房的框架剪力墙结构作为分析对象。其中，主楼15 层，裙房5 层，无地下室，有空调采暖，各层层高均为4 m。柱网尺寸8 m×8 m，主梁截面为400 mm×700 mm；柱截面尺寸包括：800 mm×800 mm；1 000 mm×1 000 mm；1 200 mm×1 200 mm；板厚200 mm，剪力墙厚300 mm。梁、板、墙、柱混凝土强度等级均为C30。算例的整体模型如图1 所示。计算软件采用MIDAS GEN V800。

图1 计算模型简图

3 施工过程模拟

实际工程是逐层建成的，不同楼层施工完成的时间并不相同，所以，结构应分层施加不同的温度荷载，即：对混凝土结构进行温度应力分析时，温度应力要随着施工过程分批施加至结构上，不能一次性施加。随着施工过程的推进，结构每层施工时所处的月份不同，结构的温差也会有所差异。因此，结构设计时应充分沟通建设方，按照施工组织计划逐步施加温度荷载。以上是考虑施工过程的温度应力分析要点，下面对具体操作过程进行阐述。

3.1 结构温差计算

造成结构或构件产生温度应力的温度荷载主要分为两种：

1）构件内表面与外表面之间的温差，以下称为局部温差。

2）构件中心在结构寿命周期中所承受的温度差，以下称为整体温差。建筑从施工到使用，结构构件经历的局部温差一般可通过施工覆盖予以降低，考虑到其对结构的影响较小，暂不作为研究对象。但整体温差却对结构性能影响较大，本文将对其进行重点分析。

按照时间顺序，整体温差按照施工阶段和使用阶段分别考虑。低温浇筑混凝土时，混凝土的合龙温度按照施工当月的平均气温考虑。

施工阶段：整体温差=月最高（最低）气温±合龙时温度使用阶段：整体温差=使用时温度-合龙时温度。

温度效应计算参考了项目所在地的气象统计资料。本算例中，由于主楼体量较小，温度应力的影响可忽略，因此，仅考虑裙房结构的温差效应。裙房温差的计算结果如下。

3.1.1 施工阶段

假设算例中施工每层需要1~2 个月，以最不利工况（最高温度月份起算）进行各施工过程的温差取值，设定裙房施工从温度最高的7 月份开始，次年3 月底进行裙房的装修。施工阶段负温差=月最低气温-合龙时温度，则有：

7 月，1F 施工：1F 温度差=-7.0 ℃；

8 月，2F 施工：2F 温度差=-6.8 ℃；1F 温度差=-6.9 ℃；

9 月，3F 施工：3F 温度差=-6.5 ℃；2F 温度差=-11.8 ℃；1F 温度差=-12.9 ℃；

10 月，4F 施工：4F 温度差=-12.8 ℃；3F 温度差=-16.8 ℃；2F 温度差=-22.8 ℃；1F 温度差=-22.9 ℃；

11 月，5F 施工：5F 温度差=-11.8 ℃；4F 温度差=-19.9 ℃；3F 温度差=-23.6 ℃；2F 温度差=-29.6 ℃；1F 温度差=-29.4 ℃。

3.1.2 装修阶段

考虑到主楼的施工时间，裙房的装修时间从次年3 月开始计算。

次年3 月：1F 温差=-3+5.7=2.7 ℃；

次年4 月：2F 温差=3+3=6 ℃；

次年5 月：3F 温差=8.3-3=5.3 ℃；

次年6 月：4F 温差=13.9-8.3=5.6 ℃；

次年7 月：5F 温差=20.1-13.9=6.2 ℃。

3.1.3 使用阶段使用阶段从次年3 月份主体装修完工开始考虑。

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当构件裸露在室外时，使用阶段温差计算时，可取年平均最高、最低气温计算。当室内的构件位于采暖房间时，夏季取26 ℃、冬季取18 ℃；室内构件位于无采暖房间时，夏季取月最高气温-8 ℃、冬季取月最低气温+8 ℃。室内外交界构件，使用温度可选室内外平均温度-合龙时温度。

对于本算例，考虑室内有采暖条件（夏季26 ℃，冬季18 ℃），则：

室内构件的最大负温差=18 ℃-合龙温度

室内外交界构件的最大负温差=平均温度-合龙温度=6 ℃-合龙温度

从而计算得到使用阶段室内构件、室内外交界构件最大负温差。

3.1.4 小结

由以上分析可知，本算例中结构的施工阶段存在最不利温度荷载。使用阶段温差较小，温度荷载减小。

3.2 后浇带设置

根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第

3.4.13 条的要求，本算例后浇带混凝土在两个月后浇筑合龙。换言之，在结构施工模拟计算中，第3 层施工时，第1 层后浇带封闭；第4 层施工时，第2 层后浇带封闭，以此类推。

3.3 施工流程

结合以上分析，给出了本算例具体的施工流程，见表1。

表1 施工流程表

4 计算分析结果

本文利用MIDAS GEN V800 软件对算例建立了有限元分析模型，模型考虑施工过程逐层施加温差。各模型在温度作用下的变形及内力如图2、图3 所示，主要计算结果见表2。

图2 温度作用下变形图

图3 温度作用下构件弯矩图

表2 各模型主要计算结果

注：F、D、M分别为支座反力、最大位移和最大弯矩；下标x、y、z表示方向。

由模型分析结果可知：考虑施工过程逐层施加温差后，结构柱底弯矩减小，柱顶弯矩增大，结构支座反力减小；结构位移变化更加平缓，最大位移发生在裙房框架柱跨中，而非楼顶，与实际情况更为吻合。

5 结语

本文结合某工程算例，较为详细地讨论了施工过程模拟对结构温度应力的影响，结论如下：

1）温度应力计算时，应依据当地多年的气象资料进行，同时结合构件的施工过程，进行最不利温度荷载计算。

2）超长结构温度应力分析时，应充分考虑温度荷载与时间的关系，充分考虑施工过程的模拟，在模型中考虑后浇带的设置，考虑温差的逐步施加。

3）未按结构实际施工情况选取最不利温度场、一次施加全楼温差，将在一定程度上放大结构底部应力，缩小上部结构应力；同时导致上部结构温差内力有所丢失，甚至反向失真。