張懿韜, 魯兆紅

(1.西華大學(xué), 四川成都 610039; 2.四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川成都610081)

現(xiàn)在大城市對(duì)人口密集區(qū)域的綠化面積要求越來(lái)越高，中大型城市也都開(kāi)始在建設(shè)城市綠色宜居新區(qū)，新建綠色環(huán)保大型綜合體隨之增多。同時(shí)，城市的地上發(fā)展空間逐漸減少，地下空間利用成為主流，會(huì)出現(xiàn)更多的地下超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)。不設(shè)縫超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)能夠大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，也更利于后期使用。對(duì)于這類(lèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)該注意混凝土溫度效應(yīng)和收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[1]。溫度作用產(chǎn)生的變形荷載往往導(dǎo)致超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂甚至失效，所以有必要對(duì)超長(zhǎng)地下混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)進(jìn)行分析。本文采用Midas/Gen模擬超長(zhǎng)雙層地下室結(jié)構(gòu)的頂板、中板的溫度應(yīng)力分布，然后對(duì)比實(shí)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1 工程概況

某地下停車(chē)場(chǎng)南側(cè)，結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高為-14.2m，中板頂標(biāo)高為-10.1m，頂板頂標(biāo)高為-5.7m，東西向?qū)?0～70m(X向)，南北向長(zhǎng)293.4m(Y向)，見(jiàn)圖1。南北向遠(yuǎn)大于GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的不設(shè)縫間距[2]。因此本文對(duì)該超長(zhǎng)混凝土溫度效應(yīng)影響進(jìn)行分析。

圖1 綜合換乘服務(wù)中心地上部分

2 實(shí)測(cè)與對(duì)比

本工程分為8個(gè)流水段施工，設(shè)有8條后澆帶，埋設(shè)30個(gè)應(yīng)變計(jì)，并設(shè)有不同編號(hào)(圖2)。

圖2 施工分段及應(yīng)變計(jì)布置

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)

考慮整個(gè)停車(chē)場(chǎng)Y向超長(zhǎng)(293.4m)，且不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，僅留后澆帶施工縫。該項(xiàng)目建成后，溫度作用對(duì)Y向結(jié)構(gòu)受力影響較大，故大部分埋設(shè)的應(yīng)變計(jì)布設(shè)方向?yàn)閅向。

現(xiàn)階段施工到第5流水段中板，施工現(xiàn)場(chǎng)在第5流水段中板2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)位置埋設(shè)了應(yīng)變計(jì)(圖3)，并實(shí)測(cè)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(表1、表2)。

表1 第5段Y向應(yīng)力分布(升溫)

圖3 第5流水段應(yīng)變計(jì)位置

現(xiàn)場(chǎng)采用間隔30min測(cè)一次的頻率，表中：f為頻率(Hz)；T為溫度(℃)；△T為溫差；△ε為微應(yīng)變，△ε=k(f12-f02)/1000?，F(xiàn)場(chǎng)樓板采用C30混凝土，故Ec=3.00×104N/mm2，△σ=△εEc。

2.2 MIDAS/Gen有限元模擬

2.2.1MIDAS/Gen設(shè)計(jì)參數(shù)

本文通過(guò)Midas/Gen對(duì)該結(jié)構(gòu)在最不利溫度荷載工況下進(jìn)行了溫度應(yīng)力分析[3]。在分析過(guò)程中，對(duì)有限元模型進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化：

(1)不考慮隔墻對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響，分析停車(chē)場(chǎng)梁、柱、板及外墻。

(2)計(jì)算僅考慮結(jié)構(gòu)的溫度荷載、恒載、活載及部分施工荷載。

(3)墻、板單元為板單元，梁、柱單元為桿單元。

(4)梁、板、墻用C30混凝土(彈性模量：3.00×104N/mm2,線膨脹系數(shù)：1.0×10-5/℃)，柱用C45混凝土(彈性模量：3.35×104N/mm2,線膨脹系數(shù)：1.0×10-5/℃)。

(5)溫度荷載取值：升溫5 ℃、10 ℃、14 ℃、14.97 ℃，最大降溫7℃。

2.2.2第5流水段中板模擬結(jié)果

在施工過(guò)程中，第5流水段Y方向長(zhǎng)40.5m，X方向45.1m。雖然X向更長(zhǎng)，但考慮溫度應(yīng)力在整體結(jié)構(gòu)Y方向影響更大，故采用Midas/Gen模擬溫度荷載：升溫5 ℃、10 ℃、14.97 ℃作用下X、Y向溫度應(yīng)力。

(1)升溫5 ℃時(shí)，結(jié)構(gòu)Y向溫度應(yīng)力見(jiàn)圖4，X向溫度應(yīng)力見(jiàn)圖5。

(2)升溫10 ℃時(shí)，結(jié)構(gòu)Y向溫度應(yīng)力見(jiàn)圖6，X向溫度應(yīng)力見(jiàn)圖7。

(3)升溫14.97 ℃時(shí)，結(jié)構(gòu)X向溫度應(yīng)力見(jiàn)圖8，Y向溫度應(yīng)力見(jiàn)圖9。

讀取計(jì)算結(jié)果：2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)應(yīng)變片埋設(shè)處溫度應(yīng)力值(表3)。

表2 第5段X向應(yīng)力分布圖(升溫)

圖5 X向溫度應(yīng)力(5℃)

圖6 Y向溫度應(yīng)力(10℃)

圖7 X向溫度應(yīng)力(10℃)

圖8 Y向溫度應(yīng)力(14.97℃)

圖9 X向溫度應(yīng)力(14.97℃)

表3 Midas/Gen計(jì)算結(jié)果

2.3 實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比分析

該地下停車(chē)場(chǎng)南側(cè)總長(zhǎng)293.4m，現(xiàn)階段施工到第5流水段中板，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與Midas/Gen模擬計(jì)算值變化趨勢(shì)基本符合。如圖10～圖15所示，為各點(diǎn)位置模擬值與實(shí)測(cè)值的溫度-應(yīng)力變化。樓板在升溫14.97 ℃時(shí)，最大溫度壓應(yīng)力出現(xiàn)在Y向中間部分，但小于C30混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，不會(huì)導(dǎo)致Y向混凝土拉裂。

圖10 2號(hào)位置

圖11 3號(hào)位置

圖12 4號(hào)位置

圖13 13號(hào)位置

圖14 14號(hào)位置

圖15 3號(hào)位置

3 監(jiān)測(cè)原始設(shè)備及過(guò)程

本次采用振弦式應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)板、墻的應(yīng)力及溫度(圖16)。

圖16 振弦式應(yīng)變計(jì)

振弦式應(yīng)變計(jì)是一定長(zhǎng)度的鋼弦張拉在應(yīng)變計(jì)兩端塊之間，端塊牢固置于被測(cè)構(gòu)件內(nèi)，結(jié)構(gòu)在溫度作用下變形使得兩端塊相對(duì)移動(dòng)并導(dǎo)致鋼弦張力變化，這種張力的變化使鋼弦諧振頻率改變，從而來(lái)測(cè)量構(gòu)件的變形。應(yīng)變計(jì)的信號(hào)激勵(lì)與讀數(shù)通過(guò)位于靠近鋼弦的電磁線圈完成。同時(shí)，振弦式傳感器本身集成有溫度傳感器，能夠測(cè)量該位處結(jié)構(gòu)溫度。具體安裝過(guò)程見(jiàn)圖17，現(xiàn)場(chǎng)安裝見(jiàn)圖18。

圖17 安裝步驟

圖18 現(xiàn)場(chǎng)安裝

4 Midas/Gen模型預(yù)測(cè)計(jì)算

現(xiàn)實(shí)測(cè)到第3流水段頂板，故只能采用有限元在現(xiàn)階段實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上模擬對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)結(jié)構(gòu)在完工后不同階段下的溫度應(yīng)力。

用Midas/Gen模擬在恒載、活載、溫度和混凝土收縮徐變，地下停車(chē)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力的變化，并分四個(gè)階段模型進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖19～圖26所示，可以看到4個(gè)模型的溫度應(yīng)力分布，整體上有一個(gè)遞減的趨勢(shì)。

(1)模型1:停車(chē)場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)澆筑完成后60d，升溫14 ℃，降溫7 ℃(圖19、圖20)。

圖19 模型1Y向應(yīng)力分布(升溫)

圖20 模型1Y向應(yīng)力分布(降溫)

(2)模型2：停車(chē)場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)澆筑完成后90d，升溫14 ℃，降溫7 ℃(圖21、圖22)。

圖21 模型2Y向應(yīng)力分布(升溫)

圖22 模型2Y向應(yīng)力分布(降溫)

(3)模型3：停車(chē)場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)澆筑完成后180d，升溫14 ℃，降溫7 ℃(圖23、圖24)。

圖23 模型3Y向應(yīng)力分布(升溫)

圖24 模型3Y向應(yīng)力分布(降溫)

(4)模型4：停車(chē)場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)澆筑完成后360d，升溫14 ℃，降溫7 ℃(圖25、圖26)。

圖25 模型4Y向應(yīng)力分布(升溫)

圖26 模型4Y向應(yīng)力分布(降溫)

5 結(jié)論

本文以某超長(zhǎng)地下停車(chē)場(chǎng)結(jié)構(gòu)施工為背景，首先對(duì)該工程的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方案進(jìn)行了介紹。對(duì)現(xiàn)階段實(shí)測(cè)值及Midas/Gen有限元模擬值進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析，分析發(fā)現(xiàn)模擬值比實(shí)測(cè)值偏大，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中間板和結(jié)構(gòu)剛度改變較大處。采用Midas/Gen對(duì)整個(gè)地下停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算最大應(yīng)力與實(shí)測(cè)值差異較小，表明預(yù)測(cè)模型能夠較好的模擬施工完成后整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。數(shù)值分析表明，在保證現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量的情況下，溫度應(yīng)力對(duì)停車(chē)場(chǎng)結(jié)構(gòu)整體性影響較小。