譚 燕，韓 宇，高俊濤

U型槽用于超長地下室結(jié)構(gòu)溫度應力優(yōu)化

譚 燕1，韓 宇1，高俊濤2

（1湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，湖北武漢430068；2中國葛洲壩集團房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，湖北武漢430033）

針對超長超寬的地下室結(jié)構(gòu)中樓板的溫度應力以及溫度應力對邊柱影響，采用降板（即U型槽式）做法，利用MIDAS／GEN軟件分析超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力。與不設縫模型相比，設縫模型由降溫產(chǎn)生的柱水平力減小了70%左右，降板模型由溫度應力產(chǎn)生的柱水平力減少了50%左右；同時得到頂板在降板模型下溫度應力比不設縫模型降低了50%左右，結(jié)構(gòu)無縫設計得以改進，優(yōu)化了溫度應力。U型槽在工程實例中得到應用，取得了很好的效果。

超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)；溫度應力；有限元；伸縮縫

超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)指結(jié)構(gòu)單元長度超過了規(guī)范所規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距的結(jié)構(gòu)［1］。在實際工程中，雖然伸縮縫的設置可以有效降低溫度應力，但會對建筑的外觀效果、防水和保溫等方面產(chǎn)生影響［2，3］。本文采用降板模型（即U型槽式），既能滿足建筑要求，又能考慮溫度應力對結(jié)構(gòu)的影響。

利用有限元軟件MIDAS／GEN，對地下室邊柱所受水平力進行分析，邊柱水平力雖不等同于樓板的溫度應力，但與樓板溫度應力是成比例的，降低了邊柱的水平力，相當于降低了樓板的溫度應力。因此利用U型槽式的降板做法，降低樓板的溫度應力，地下室邊柱的截面和配筋也相應減少。既節(jié)省了材料，地下車庫的布置更合理，同時又能滿足溫度應力的要求，有效降低樓板產(chǎn)生裂縫的概率。

1 溫差及溫度應力對混凝土影響

1.1 氣溫變化分類

混凝土結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部各點的溫度與太陽輻射、氣溫的改變以及結(jié)構(gòu)所處的地理位置、地貌條件、結(jié)構(gòu)方位和朝向等有關，同時在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和外表面直接存在著以輻射、對流和傳導等方式與周圍環(huán)境進行熱交換，產(chǎn)生的應力場較為復雜［4－5］。在工程中，可將溫度荷載分為以下幾種情況：1）日溫差作用，即一天之內(nèi)氣溫最高值與最低值之差；2）驟然降溫溫度變化，主要是工程結(jié)構(gòu)遇冷空氣侵襲，導致外表面迅速降溫，結(jié)構(gòu)形成較大內(nèi)外差；3）年溫差變化，它是長期的緩慢作用，使得結(jié)構(gòu)整體發(fā)生均勻的溫度變化，產(chǎn)生較大的整體位移，計算時以平均溫度為零的參考溫度，以最高與最低月平均溫度的變化值作年溫度變化；4）人為溫度變化，建筑結(jié)構(gòu)因工藝要求迅速降溫或升溫［6－7］。

從工程應用的角度考慮，結(jié)構(gòu)降溫所產(chǎn)生的溫度應力影響更大，不論在南方北方，降溫是引起混凝土表面裂縫的重要因素。因此，本文主要研究的是結(jié)構(gòu)在降溫情況下溫度應力的變化。

1.2 溫度應力對混凝土影響

溫度應力對建筑物主要影響在兩個方面：長度方向和高度方向。長度方向上，建筑長度越長，樓板等縱向連續(xù)構(gòu)件由收縮和溫度變化引起的改變越大。通常這些構(gòu)件會受到拉應力或者壓應力，同樣豎向也會相應受到拉應力和壓應力作用。在超長混凝土地下室中，溫度應力的危害更加明顯［8－10］。本文選取地下室部分進行研究，分析數(shù)據(jù)與工程實例吻合，對超長地下室結(jié)構(gòu)的設計有很大的應用意義。

2 模型建立

2.1 工程實例

該模型依托湖北省潛江市某綜合辦公大樓，模型平面尺寸為420.0m×180.6m。地下室高5.4m，地上13層。截取超長混凝土結(jié)構(gòu)的地下室為研究對象（圖1）。由圖1可見，該工程地下室結(jié)構(gòu)復雜，頂板長度明顯超出設縫長度標準。

圖1 地下室結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 計算模型

根據(jù)溫度應力的作用及裂縫產(chǎn)生情況，本文設置了三種模型驗算溫度應力對結(jié)構(gòu)的影響。模型1，不設伸縮縫；模型2，利用結(jié)構(gòu)雙柱設置伸縮縫；模型3，降板（即做成U型槽式）。三種模型雙柱部分見圖2。

圖2 三種模型雙柱圖

2.3 溫度場的確定

使用階段的混凝土結(jié)構(gòu)，在不同情況下，結(jié)構(gòu)所承受的溫度應力均不相同，對于計算參考溫度，如果在整體結(jié)構(gòu)中收縮和膨脹區(qū)域都存在，由于膨脹和收縮作用相互抵消，將降低由溫差引起的整體結(jié)構(gòu)的溫度應力和應變［7］。所以在計算時考慮的是結(jié)構(gòu)的不利情況，使整體結(jié)構(gòu)溫度均勻變化。本文三種模型的溫度變化均為±15℃。

3 計算分析

將處理后的模型導入MIDAS／GEN中，如圖1所示的地下室頂板，重新添加厚度為200mm頂板，導入恒荷載6.5kN／m2，活荷載3.5kN／m2［1］。為了實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)均勻降溫，本文在溫度荷載的布置中選擇節(jié)點降溫，在地下室頂板的每個節(jié)點布置溫度差，得到了三種模型的地下室邊柱的水平溫度應力，截取中間具有代表性邊柱，具體比較見圖3、圖4和圖5。表1為三種模型相同邊柱由溫度變化產(chǎn)生的水平力的對比。

圖3 初始模型降溫邊柱應力圖

圖4 設縫模型降溫邊柱應力圖

圖5 降板模型降溫邊柱應力圖

3.1 數(shù)據(jù)分析

從表1中可得到，與初始模型相比，設縫模型由降溫產(chǎn)生的柱水平力減小了70%左右；降板模型由溫度應力產(chǎn)生的柱水平力減少了50%左右。在超長地下室結(jié)構(gòu)中，如果設置很多伸縮縫會對建筑自身產(chǎn)生較大影響，而采用U型槽式的降板構(gòu)造，則既能滿足建筑需求，例如防水、保溫、外觀設計的完好，又能有效減少由溫差產(chǎn)生的溫度應力，不致于出現(xiàn)急降溫情況下產(chǎn)生的溫度裂縫，是超常地下室結(jié)構(gòu)溫度應力的兩全解決模式。

表1 溫度應力對邊柱產(chǎn)生的水平力對比

3.2 溫度應力云圖

前文提到，在研究樓板溫度應力時，主要研究的是邊柱所產(chǎn)生的水平力，因為邊柱水平力雖然不等于樓板溫度應力，但與樓板溫度應力是成比例的，有效降低邊柱溫度應力產(chǎn)生的水平力即可降低樓板的溫度應力，為了驗證這一點，利用MIDAS導出頂板在X方向的溫度應力云圖。圖6和圖7分別表示初始狀態(tài)和降板狀態(tài)頂板X方向溫度應力云圖及數(shù)值大小。

圖6 初始狀態(tài)頂板X方向溫度應力云圖及數(shù)值

圖7 降板狀態(tài)頂板X方向溫度應力云圖及數(shù)值

從圖7中可清楚看出頂板在初始模型狀態(tài)下的溫度應力最大值為1.51908×104kN／m2，降板狀態(tài)即使用凹形槽模型下溫度應力最大值為7.35890×103kN／m2，在降板模型下頂板溫度應力比初始模型降低了50%左右，通過數(shù)據(jù)得出邊柱水平應力和樓板溫度應力雖不等同，但以點代面研究頂板溫度應力是完全可行的。

4 結(jié)論

隨著國內(nèi)外建筑水平的不斷提高，超長地下室結(jié)構(gòu)普遍存在，全地下室設縫不滿足規(guī)范要求。利用MIDAS／GEN軟件，通過對邊柱水平力及頂板溫度應力云圖的分析，得出U型槽的設計可以大大降低溫度變化產(chǎn)生的頂板應力，在很大程度上降低了樓板產(chǎn)生裂縫的概率，又能解決建筑設計時處理設縫的麻煩，使邊柱的截面和配筋有效地減少，節(jié)省了材料，地下室布置更合理，是伸縮縫的完美替代方案。U型槽的方案必將在地下室或其它超長結(jié)構(gòu)設計中得到廣泛應用。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部組織.混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范：GB 50010－2010［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［2］ 王強，尹潤杰，劉桂玲，等.超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力分析［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2009（5）：37－41.

［3］ 潘福婷，王艷華，蔣亞瓊.超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力及裂縫控制研究［J］.河北北方學院學報（自然科學版），2016（1）：34－36.

［4］ 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］ 關天松.基于溫度效應分析的超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制［D］.廣州：廣州大學，2014.

［6］ 龐培培，黃瀟，沈小璞，劉艷.超大面積和超長結(jié)構(gòu)溫度應力的有限元分析［J］.合肥：安徽建筑工業(yè)學院學報（自然科學版），2010（10）：51－53.

［7］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［8］ 崔志俊.超長鋼筋混凝土半地下室外墻環(huán)境溫度效應非線性分析［D］.上海：同濟大學，2007.

［9］ 吳建.超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)措施研究［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2011.

［10］劉思明.超長地下室結(jié)構(gòu)底板及外墻凹槽板式伸縮縫設計實例［J］.廣東土木與建筑，2006（11）：26－27.

The Temperature Stress Optimization of the U－shaped Groove Used in Super－long Basement Structure

TAN Yan1，HAN Yu1，GAO Juntao2
（1 School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 China Gezhouba Group Real Estate Corportation.Ltd.，Wuhan 430033，China）

According to temperature stresses of the floor and the detrimental effect on which it has side columns，the method of the lower plate（the U－shaped groove）is taken，MIDAS／GEN software is used to analyze super－long concrete basement temperature stress.Compared with the model without joints，horizontal forces of the columns in the model with joints reduce about 70%，those in the lower plate reduce about 50%；temperature stresses of the floor in the lower plate reduce about 50%relative to the model without joints，the seamless design is more advanced，temperature stress is optimized.The U－shaped groove has also been applied in practical project and good effect has been obtained.

super－long basement concrete structure；temperature stress；the finite element；expansion joints

TU3

A

［責任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0094－03

2016－05－20

國家自然科學基金青年項目（51408203）；湖北工業(yè)大學博士科研啟動基金（BSQD12060）

譚 燕（1981－），女，湖南婁底人，工學博士，湖北工業(yè)大學講師，研究方向為軌道交通振動及減振隔振措施