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1、第 43 卷 增刊2013 年 5 月建筑结构Building StructureVol 43MayS12013作者简介:景辉，硕士，一级注册结构工程师，Email:lojhve 126 com。平面为开口环形结构的温度应力分析研究景辉，金来建，谢军，王德刚(中国航空工业规划建设发展有限公司，北京 100120)摘要 国内对于超长结构的温度应力已做了很多研究，但对于超长开口环形平面结构确很少有实例参考。本文则以实际工程为例，分析开口环形超长结构的温度效应，从变形规律、内力、徐变、温度缝设置等多个角度进行阐述，并找出规律。同时对不同结构进行经济性比较，得出相应结论。对类似工程有较高的参考价值。关
2、键词 开口环形结构;楼板温度变形;温度应力;经济性中图分类号:TU119 22文献标识码:A文章编号:1002-848X(2013)S1-0672-05The analysis of temperature effect of opening annular plane structureJing Hui，Jin Laijian，Xie Jun，Wang Degang(China Aviation Planning and Construction Development Co，Ltd，Beijing 100120，China)Abstract:A lot of research about
3、the temperature effect of long structure have been done up to now However，theresearches about extra-long opening annular structure are not enough Thus，the temperature effect of the opening-annular-long structure was analyzed in this article，and corresponding conclusions were drawn At the same time，a
4、n economicalcomparison of different structures based on temperature effect was also explained and analyzed The conclusion we got havea high reference value for similar projectsKeywords:opening annular structure;temperature deformation of slab;temperature stress;economical efficiency0引言大型的超长建筑结构在一般情况
5、下，工程师会通过设置温度缝，混凝土浇筑采用后浇带分段施工以及专门的预应力措施等来消除温度应力。然而实际工程中，考虑建筑功能和美观性，以及设缝对管道设备的安装和防水，放风、保温等方面产生影响，建筑设计人员会采取取消温度伸缩缝的设置。所以有必要对超长结构在未设缝状态下的温度效应进行分析研究。国内对于超长结构的温度应力已做了很多研究，如有关超长结构混凝土楼板的文献1，2，矩形超长结构的文献3-5，以及闭合环形超长结构的文献6-8。这些文献多从实际工程出发，探讨温度应力对超长结构的影响。较早的文章还包含对设缝位置，温度缝施工方法的探讨，以及温度应力的手算方法，如文献 9。但对于超长开口环形平面结构确很
6、少有实例参考。本文则以实际工程为例，分析开口环形超长结构的温度效应，从变形规律、内力等多个角度进行阐述，并对框架结构和框架剪力墙结构的温度效应进行对比，以此为类似工程提供设计参考。1分析模型模型一:分析模型为工程实例，位于河南省洛阳市，为办公楼，建筑平面是不完整的圆环状，圆环角度243，宽 31 4m，中环长 237m，主楼地上八层，总高度4045m。结构形式为框架剪力墙结构，柱采用圆钢管和方钢管，梁采用焊接 H 型钢，在有楼电梯间的六个区域比较对称的布置了剪力墙，一层墙厚 300mm，其他层厚 250mm。楼板采用钢承板组合楼板，楼板厚度 120mm。模型二:考虑结构为钢框架结构，不设置剪力
7、墙，在第一个和第六个区域的剪力墙处增设钢支撑，其余条件相同。模型三:平面为超长矩形结构，采用钢框架结构，宽 314m，长 237m，地上八层，其余信息同模型一，用以对比与超长开口环形结构在温度作用下的变形差异。计算分析采用通用有限元软件 ANSYS 进行建模计算分析，柱、主梁采用 BEAM188 单元，次梁采用BEAM44 单元，楼板和剪力墙采用 SHELL63 单元。钢材弹性模量 2 06 1011，泊松比 0 3，线膨胀系数 1 2105。混凝土弹性模量 3 0 1010，泊松比 0 2，线膨胀系数 10 105。不考虑自重和外荷载。模型一的三维模型如图 1。2温度荷载取值2 1一至六层层
8、温度荷载取值按照 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范第 43 卷 增刊景辉，等 平面为开口环形结构的温度应力分析研究673图 1钢框架剪力墙模型(模型一)洛阳地区气象温度记载/表 1温度极端温度 通风室外计算温度 空调室外计算温度 空调室内计算温度夏季41731335426冬季15085118(GB 507362012)附录 A 中有关洛阳气象温度记载如表 1。偏于安全，取空调室外温度来计算，合拢温度取10 20。结构最大升温工况为:T=Ts，max T0，min=254。结构最大降温工况为:T=Ts，min T0，max=251。按照 建筑结构荷载规范(GB 500092012)中有关温度作
9、用的规定第 9 3 条，对于有围护的室内结构，结构平均温度应考虑室内外温差的影响;结构的最高初始平均温度 T0，max和最低初始平均温度 T0，min应根据结构的合拢或形成约束的时间确定，或根据施工时结构可能出现的温度按不利情况确定。按照 荷载规范 附录 E 表 E 5 中，洛阳 50 年重现期的月平均最高温为 36，月平均最低温为 6，结构的合拢温度仍取 10 20。结构最大升温工况为:T=Ts，max T0，min=26;结构最大降温工况为:T=Ts，min T0，max=26。最终按照荷载规范 的取值，取 26 进行分析。这里假定结构在温度作用下线性变化。2 2七至八层温度荷载取值7 层
10、，8 层为屋面层，考虑阳光直射对温度的不利影响。温度取 40进行分析。本文结果均为升温 26(屋顶升温 40)，降温的情况与此相反。3超长矩形结构在温度作用下变形分布为了探寻环形结构温度的分布规律特点，首先对模型三的超长矩形结构的变形规律进行分析。温度作用下结构的总变形如图2;分析结果为，主要变形为沿着长度方向的变形，沿宽度方向变形很小。沿长度方向变形与沿宽度方向的变形比值约为 5 7。同理，Mz(绕短轴方向柱弯矩)是 My(绕长轴方向柱弯矩)的 3 6 倍，首层柱弯矩值列于表 2。超长矩形结构首层柱弯矩表 2首层(kNm)超长矩形结构最大值多数值区间柱 My23921284 1933柱 Mz
11、11288195 6408图 2整体变形4超长开口环形钢框架结构在温度作用下变形分布4 1整体变形分布规律(图 3)图 3钢框架结构变形图674建筑结构2013 年变形最大值为313mm，整体变形从内环到外环呈辐射状，从上到下逐渐增大，最大值区域出现在外环的中部。首层和顶层变形较为明显，中间层趋于稳定。4 2各层板的环向和径向分别规律与超长矩形结构完全相反，超长开口环形钢框架结构的楼板变形以径向变形为主要变形，径向变形值远大于环向，约为 3 5 倍。楼板径向变形随楼层的高度增加而逐渐增大，顶层最大。径向变形内环小外环大，以首层为例，内环为4mm，外环为 18 7mm。楼板的环向变形均为从中间向
12、两端逐渐增大，最大值出现在外环的端部，如图 4。图 4钢框架结构首层径向、环向变形5超长开口环形钢框架剪力墙结构在温度作用下变形规律主要的变形分布规律(图 5)与钢框架结构类似，结构最大变形出现在结构顶层外环中段，为 18mm，较钢框架结构有所减少。6两种结构形式变形、内力比较6 1楼板变形(表 3)框架结构的刚度均匀，变形较框架剪力墙结构更规律，基本以一定圆心的径向变形为主，内环的变形较小，向外依次变大。框架剪力墙结构的最大值集中在外环中部，而最小值在内环端部，且都集中在剪力墙筒体附近，体现了剪力墙对水平变形的限制作用。变形整体上呈现环形，但规律性不如框架结构明显。图 5钢框架剪力墙结构整体
13、及首层变形两种模型变形值比较表 3板变形(mm)钢框架结构最大值多值区间钢框架剪力墙结构最大值多值区间一层1882 1881171 106二层2247 2241373 125三层25794 1661444 132四层273110 18215054 138五层27812 19315867 148六层279139 20117278 161七层29315 29317989 169框架结构的变形值约为框剪结构的 17 倍。6 2楼板应力(表 4)框架结构的楼板应力较框剪结构小很多，各层的多值区间在 1MPa 左右。以 1MPa 值粗估温度影响下的附加配筋(认为其他荷载正好满足)，仅需要额外配置 625
14、0(113mm2)，HB335 钢筋。而钢框架剪力墙一层内环板配筋按双向配筋，一个方向温度钢筋为 12150(754mm2)，HB335 钢筋。第 43 卷 增刊景辉，等 平面为开口环形结构的温度应力分析研究675两种模型楼板应力比较表 4楼板应力(MPa)钢框架结构最大平均值钢框架剪力墙结构最大平均值一层17086934二层1203940322三层1703624912四层1503614907五层15030161075六层2410017108七层1804021116 3梁柱内力温度作用外环端部框架柱产生较大的影响，以首层柱为例，仅温度单工况作用下，柱首层柱两个方向的弯矩值如表 5。两种模型首层
15、柱内力比较表 5柱弯矩(kNm)钢框架结构最大平均区间钢框架剪力墙结构最大平均区间柱 My6538383 5244756206 413柱 Mz14993 1199249 70开口超长环形结构中，温度作用会产生较大的梁轴力和柱底弯矩，设计时不容忽视。钢框架剪力墙结构由于剪力墙的作用，柱弯矩和梁轴力较钢框架结构有所减小，约为 60 70%。7考虑混凝土楼板徐变对温度作用的影响混凝楼板通过栓钉与钢梁连接，这里假定栓钉和钢梁变形协调，且假定结构抗拉和抗压的徐变规律相同。标准状态下，单位应力引起的最终徐变变形称为徐变度 C0，具体数值见表 6。标准极限徐变度10 表 6混凝土强度等级(MPa)C0 10
16、6混凝土强度等级(MPa)C0 106混凝土强度等级(MPa)C0 106C10884C30740C50603C15828C40740C100603C20804C50644当结构的使用应力为 时，最终徐变变形为:0n()=C0。如果无法预先得知使用应力，则最终徐变变形可假定使用应力为混凝土抗拉或抗压强度的一半10。楼板混凝土等级为 C30，采用抗压强度的一半来计算，最终变形为 5 21 105，混凝土徐变产生的温度折减为 5。经过计算分析，考虑徐变后，楼板应力和梁轴力变化不大，但是首层柱底弯矩减少约 20%，说明考虑徐变仅对首层有一定影响。8温度缝对超长开口环形结构的影响为了减少温度对结构的影
17、响，考虑在结构中设置温度缝。8 1设缝对钢框架剪力墙结构的影响11 对钢框架剪力墙考虑 3 种设缝方式:1)一层楼板设缝，钢梁不设缝;2)一层楼板和钢梁都设缝;3)沿结构全高设缝。图 6设缝位置图第一种缝方法中，二层的楼板应力稍有增大。对剪力墙应力基本没有影响。作用不明显。第二种设缝方法中，一层楼板和剪力墙应力有都一定减小，二层应力稍有增大，但作用并不明显。第三种设缝方法时，结构的总变形比不设缝时减小，被温度缝分割成的三部分各自独立的变形，各部分变形均为中间小四周大，而应力则为中间大四周小。与不设缝时相比，楼板应力和剪力墙应力都减小较多。8 2设缝对钢框架结构的影响钢框架结构考虑两种种设缝方式
18、，设缝的位置同前述:1)为仅断开板，梁不断开;2)沿结构全高设缝。第一种设缝方法中，板的变形相比未设缝时变化不大，梁轴力下降约5%，说明其对温度应力的释放作用并不明显;第二种设缝方法中，楼板变形值减小明显，约减小 30%。楼板应力下降约 20%，梁轴力降低约 30%，柱弯矩减小 40%。比较两种结构形式，沿结构全高设缝方式对释放温度应力效果均比较明显，但对施工带了很大不便，应综合考虑。洛阳市温度变化在 0 4 到 31 2 之间，如采用这种设缝方式，温度缝建议在温度为 15左右时闭合。9设缝与不设缝的经济比较本项目中活荷载较大，一般为 6 0 8 0kN/m2，主要布置情况为:二、三、四、六层
19、圆弧外圈荷载60kN/m2;五层圆弧外圈荷载 80kN/m2;二至六层内圈荷载 4 0kN/m2;上人屋面 2 0kN/m2;不上人屋面07kN/m2。676建筑结构2013 年一至六层楼板厚度为 120mm，屋面层和出屋面层(即七层和八层)楼板厚度为 140mm。楼面附加恒载值为 26kN/m2(不包括楼板自重)。温度应力取值考同前，考虑和其他活荷载的组合，组合值系数，分项系数等按照建筑结构荷载规范(GB 500092012)中规定项进行。但温度不与地震工况进行组合。设计主要的荷载组合工况如下:12D 14 X、Y 风12D 14 温度12D+14L+14(06)风12D+14L 14(06
20、)温度12D+14L 14(06)风 14(06)温度12D+14(07)L 14 风 14(06)温度12D+14(07)L 14(07)风 14 温度地震荷载组合(注:水平地震作用考虑双向地震作用)12(D+05L)13 水平地震作用10(D+05L)13 水平地震作用9 1钢框架剪力墙结构设缝与不设缝的用钢量统计对比钢框架剪力墙结构设缝与不设缝两种情况，梁、柱用钢量相差不多，剪力墙和楼板中的钢筋相差较大，墙体的钢筋用量减小了 24%，楼板钢筋用量减小了 40%。说明剪力墙是抵抗温度作用的第一道防线，设计时应当予以加强。具体用钢量统计见表 7。用钢量对比表(钢框架剪力墙)表 7超长不设缝结
21、构设缝结构梁(t)27422347柱(t)11231014剪力墙(t)229173板(t)1187709总用钢量(t)52814243单位用钢量(kg/m2)115939 2钢框架结构设缝与不设缝的用钢量统计由于温度对钢框架结构的影响较大，设缝和不设缝情况下，钢框架结构的用钢量统计如表 8。用钢量对比(钢框架)表 8超长不设缝结构设缝结构梁(t)40802830柱(t)14801100支撑(t)176无板(t)855675总用钢量(t)72354595单位用钢量(kg/m2)139100钢框架设缝时，梁的用钢量减小了 30 6%，柱的用钢量减小了 26%，单位平米的用钢量减少了 28%。保守估
22、计钢材的价格为5000 元/t，将可以减少投资约900 万。10主要结论(1)超长结构中，温度作用下的结构变形值，超长矩形钢框架结构变形最大，开口环形钢框架结构其次，开口环形钢框架剪力墙结构最小。(2)开口环形结构在温度作用下的变形值主要表现为径向变形(短向)，其值大约为环向变形(长向)的 2 5 倍。这与超长矩形结构完全相反。由此，造成柱弯矩在两个方向上有较大的不同，环形结构以MY(绕环形切线方向)为主，矩形超长结构以 MZ(绕短向轴)为主。(3)开口环形钢框架结构与钢框架剪力墙结构在温度作用下反应有较大的不同，框架剪力墙楼板应力较大，约为钢框架结构的2 倍以上，需要配置较多的温度应力钢筋;
23、钢框架结构的梁板的内力分布较均匀，仅柱内力增大较多，尤其是外环边柱，设计不容忽视。(4)考虑楼板混凝土徐变对温度的影响，楼板变形、应力、梁的轴力变化不大，但是对柱底弯矩有一定影响。(5)超长环形结构温度缝的设置宜沿结构高度通长设置，对温度应力有较好的释放作用，钢框架结构中，设缝释放温度作用的效果更加明显，有较好的经济性。参考文献1 欧研君 超长混凝土楼板温度效应的有限元分析与设计 J 建筑结构，2007，37(9):89-912 贺宇龙，刘航 超长混凝土楼盖温度应力测试与有限元分析 J 建筑技术，2012，43(1):41-443 李志磊 超长框架结构在降温下开裂的数值模拟 J 4 李志磊 某
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