1、第 32 卷 第 8期建?筑?结?构2002 年 8 月温度应力对超长结构的影响伍朝晖?孙柏林(北京市建筑工程研究院?100045)提要?结合一具体工程介绍了复杂平面、超长跨度的框架结构温度应力的测试工作及计算分析。分析的数据表明,温度变形对无缝超长结构起控制作用,构造上可采取施加预应力和隔热等措施来控制温度变形,保证结构安全。内容可供工程设计参考。关键词?混凝土结构?超长结构?温度应力?传感器?测试The test and calculation analysis of temperature stress of a frame structure with complex plane an
2、d super-length spanare introduced in detail.Some useful data arepresented and can bereferred in design.Theresults show that the tem-perature deformation control the behavior of super-length frame structure,and some measures,such as prestressing,heat insulation,may be taken for the structural securit
3、y.Keywords:concrete structure;super-length structure;temperature stress;dector;test?一、工程简介某工程一号主楼采用超长结构(156m?16m,且两端16m 范围内各加宽成 34m)无缝设计新技术,顶层楼盖采用现浇钢筋混凝土整体式楼板,板中铺部分无粘结预应力钢筋,以便有效地控制温度应力引起的结构裂缝的产生和发展。针对顶层楼板上下表面温差较大,易产生和积聚热(温度)应力的情况,在设计上采取了一系列的加强构造措施。顶层结构平面见图 1。图 1?某工程主楼顶层测点布置示意图二、测试任务为避免热(温度)应力可能对结构产生
4、的不利影响(产生裂缝),在该工程交付使用前约一年时间内(1998年 5 月 1999 年 2 月),在主楼顶层楼板的重点部位设置测点,长期监测不同温度下非预应力钢筋的应力变化。测试的主要目的是检测环境温度对超长结构中钢筋应力的影响,并验证设计上采取的加强构造措施的有效性,如无粘结预应力钢筋对防止温度裂缝的效果及保温构造措施对减少温度应力的作用。三、测试手段测试采用电测法中的钢弦频率法,在主楼顶层楼板中埋设钢筋应力传感器,以测试非预应力钢筋的应力。钢弦式钢筋应力传感器主要由传力应变管、钢弦夹紧部件、电磁激励线圈等组成,从设计和使用上来说,主要是选择一个合适的传力应变管,其他部件按构造要求设计制作
5、即可满足需要。目前国内外采用的传力应变管主要有两种类型:与钢筋等截面的圆筒型受力应变管和与钢筋截面不等的两片弓形受力应变元件。测试采用圆筒型受力应变管,直接固定在钢筋上,要求受力应变管所用材料的强度应等同于所取代的钢筋的强度。为便于加工和定型化及系列化,应变管的内径不变,只改变相应的应变管外径,把应变管的断面面积调整得与钢筋断面面积相同。常用的钢筋应力传感器应变管的内径为 20mm,其内外径同心度允许偏差要求小于?0?05mm,以保证钢筋轴向变形的一致性和测量的准确性。在实践中,由于使用的钢筋直径不同,完全按照等强度、等截面的要求找不到现成的传感器时,允许用略大于或略小于钢筋截面积的传感器。另
6、外,为了保证应变管的变形和钢筋变形的一致性,受力应变管沿长度方向的横断面不应有急剧增大或减小。在实际测试中采用了 JXG-2 型钢筋应力传感器。它为薄壁圆管结构,以钢弦为传感元件,工作方式为脉冲间歇激发式。四、钢筋应力传感器的安装1?顶板所有钢筋绑扎完毕后,在浇筑混凝土之前,在测点处安装钢筋应力传感器。2?钢筋应力传感器两端配有与所测钢筋直径相匹配的拉杆,将被测钢筋在测点处切断,将钢筋应力传感器的拉杆分别焊在切断钢筋的两端,焊接方法是单边焊,搭接长度为被测钢筋直径的 10 倍。3?在钢筋应力传感器拉杆与钢筋焊接过程中,必28须对钢筋应力传感器进行水冷却。4?钢筋应力传感器安装完毕后,在使用过程
7、中必须保护电缆,以免碰伤或碰断,在浇筑混凝土过程中,振捣棒尽量离传感器远一点,不能让振捣棒碰到传感器,避免由于振动过大,使传感器内部电器元件损坏。五、测试情况简介在钢筋应力传感器安装过程中由于各种因素的影响,并非所有按图 1 安装的钢筋应力传感器都能传递有效的应力信息,而且有的钢筋应力传感器在使用过程中失效。在实际安装的 27 个钢筋应力传感器中,沿南北向(短向)分布的有 10 个,沿东西向(长向)分布的有 17个,南北向中有 4 个失效,损失率占 40%,东西向中有5 个失效,损失率占 29%,总安装的成功率为 67%。数据来源的损失,给理论分析工作造成一定的损失。六、测试结果分析测试结果的
8、分析主要依据实测数据,但也部分地引用了根据 SAP84 进行有限元分析的结论,有限元计算按多种工况进行,包括最不利荷载组合。希望能够结合实际测试及理论分析,不仅从定性上而且从定量上掌握温度应力对这类超长无缝结构的影响。1?温度变化的实际情况有限元计算分析表明温度荷载作用下的变形占了很大的部分,在结构变形中起控制作用,这从理论上证明必须重视对温度应力的研究。从 1998 年 5 月到 1999 年 2 月近一年的监测中,我们实际捕捉到的室外的最高气温为 40?,最低气温为-8?,一般在测试的 24h 内,室外的最大温差是8?,室外的平均温 差是 6?3?;室内的最 高气温为31?,最低气温为-2
9、?,一般在测试的 24h 内,室内的最大温差是 5?,室内的平均温差是 2?8?。从以上室内外温度数据的比较可以看出,该工程主楼顶层的保温层的效果是比较好的,明显地降低了室内环境的温度变化,降低了钢筋中应力变化,从构造措施上有效地控制了温度应力,减少了结构裂缝的产生和扩展。2?温度变化对钢筋应力的影响近一年的监测中,各测点应力变化的最大幅度在10 40MPa,这说明实际结构中的温度应力不可以忽视,也不如想象中的那么严重。3?温度对超长结构长向钢筋应力的影响有限元分析表明由于整个建筑结构长度范围内的刚度分布相对集中,由于刚度分布的不均匀性导致结构变形的不连续性和跳跃性,如剪力墙周围的节点与框架相
10、邻节点变形的规律是不一致的。各测点年度月平均钢筋应力(MPa)表 1测点测?量?日?期1998 年1999 年5 月6 月8 月9 月10 月12 月1 月2 月161?679?085?776?091?283?266?485?2261?991?792?584?9101?495?791?594?6618?227?133?932?336?130?030?135?076?210?113?712?510?54?02?65?3916?829?230?327?628?623?322?926?61019?932?236?732?834?829?029?332?8119?117?925?222?821?212
11、?810?114?21243?351?857?151?759?251?952?459?8166?931?124?429?830?429?728?339?61741?157?463?462?872?169?658?669?31924?948?538?141?245?143?746?250?02016?033?321?323?420?319?023?229?92134?149?354?556?864?363?362?468?22248?358?765?160?569?163?766?269?82349?464?472?868?877?870?070?578?72431?843?045?045?04
12、7?943?446?948?32723?136?740?639?735?226?126?931?5?对沿结构东西向(长向)布置的传感器?上获得的数据进行分析,可以得到超长结构长向钢筋应力变化的规律。从东西向各测点年度月平均应力变化(表 1)中可以看出,整个超长结构的中部,特别是不考虑两端加宽的部分,在同一立面上的应力水平是同一量级的,没有特别突出的温度应力集中现象,这说明温度荷载对该超长结构没有特别不利的影响。同样也说明为温度应力设置的预应力钢筋对非预应力钢筋应力变化是有利的。由于应力变化的边端效应,在结构长向的端部,钢筋的应力较小,这符合普通的力学分析常识。4?温度对超长结构短向钢筋应力的影
13、响对沿结构南北向(短向)布置的传感器?上获得的有效数据进行分析,可以得到超长结构短向钢筋应力变化的规律。与长向钢筋应力变化的规律不同,短向钢筋应力在超长结构中部的应力水平较低,但在两端沿南北向非预应力钢筋的应力水平较高,因此实际工程中不能忽略温度变化对短向钢筋应力的影响。5?温度对结构不同立面的应力影响有限元分析表明,由于建筑物的各个立面受日照辐射影响的程度不同,所以应该从建筑物的几个横剖面上去分析其受温度影响的变化规律。不难发现,建筑物中部,从南到北,无论是夏季还是冬季,其变形规律是由大到小,说明了在相同的约束条件下,辐射作用越大,引起的结构构件的变形也越大。从表 1 可以看出,仅观察结构沿
14、东西向布置的传感器获得的信息,从南到北无论是夏季温度荷载作用或冬季温度荷载作用,建筑物的几个横剖面上钢筋中(下转第 19 页)29?为保证节点可靠地传力,对斜柱和直柱、梁相交处节点以及斜柱、梁和筒体相交处节点进行了特别设计。使直柱、斜柱、框架梁三种构件的轴线交于一点,在锐角相连处加腋,轴?与筒体墙相连处增设一扶壁柱,以增强刚度,使水平荷载可靠地传给筒体,不至于引起应力集中。另一方面,还调节节点处相关构件的尺寸,如层 22 柱宽 850,框架梁宽 800,扶壁柱宽 750,层 23 以上柱宽 650。这样能保证每个构件尺寸都相差 50,防止钢筋?打架?,另一方面,在设计节点时,在电脑上作了钢筋放
15、样,以保证每根钢筋的锚固长度和钢筋间的净距大于 50mm(见图 7,8)。四、转换层的施工斜柱节点处混凝土体积大,钢筋密集。为了保证质量,在商品混凝土中掺加一定比例的粉煤灰和 N 型高效泵送剂,水灰比和塌落度在满足泵送的前提下,尽量减少水泥用量,减小大体积混凝土产生的水化热。另一方面,根据深圳的天气情况,加强养护。施工以后的 4h 即派人洒水养护,经常保持混凝土表面湿润不少于 7d。又在混凝土节点等体积大的地方采用分层浇筑混凝土,每层控制在 300 500mm,并在前一层混凝土初凝之前,将后一层混凝土浇筑完毕,这种采用叠合梁原理浇捣混凝土的方法,可缓解大体积混凝土水化热高、温度应力过大对控制裂
16、缝的不利影响。为解决钢筋密集、振捣困难的问题,要求施工单位严格按在电脑上放样的位置来排列钢筋。另外,主筋采用镦粗直螺纹接头来连接,施工单位也采用小的振捣棒来振捣。结构封顶,外装修完毕后,在层 22,23 未发现肉眼可见的裂缝,说明施工效果满足了设计要求。此外,由于上下层框架梁和楼板配筋较多,为避免在自重下钢筋下沉,在梁底模上要多设一些强度高的细石混凝土垫块,以确保梁混凝土的保护层厚度。五、结束语通过本工程的实践,可以得到以下结论:(1)在高层建筑高位转换中,为实现上下层柱网不对齐的转换,采用斜柱和上下层梁板形成的桁架转换是可行的。(2)高层建筑高位转换中,计算模型的选择是关键。应选择能反映结构
17、真实受力状态的壳元模型进行弹性楼板计算,以模拟转换层和楼板的实际受力状态。若采用平面内刚度无限大的刚性楼板的计算假定,不能真实反映结构的实际受力状态。(3)对于斜柱和上下梁板形成的桁架,节点的设计和施工是关键。混凝土一定要振捣密实,才能保证整个结构的可靠性。参加本工程设计的工程师还有张宁、李爱敏、黄葭、金士俊、张军等,在此一并表示感谢。参考文献1?高层建筑结构空间有限元分析与设计软件 SAT WE.中国建筑科学研究院建筑结构研究所 PKPMCAD 工程部,1999.2?多层及高层建筑结构空间分析程序 TBSA4?2.中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部.3?高层建筑转换层结构设计及工程实例.中
18、国建筑科学研究院建筑结构研究所,1993.4?娄宇,魏琏等.高层建筑中转换层结构的应用和发展.建筑结构,1997,(1).(上接第 29 页)的应力水平是不一致的,但数量级都不大,在这一点上应力与变形的分析是一致。在今后的结构设计工作,有必要考虑立面的不同辐射影响,进行配筋或构造设计,协调结构的温度应力或变形。6?季节变化对结构的热胀冷缩效应由表 1 可知,钢筋中的应力一般在 9 月达到较高的水平,而在 1 月或 12 月钢筋中的应力水平较低,这说明夏季温度荷载作用和冬季温度荷载作用引起的建筑物的应力应变规律是不同的,有限元的分析表明,在夏季温度荷载作用下,以建筑物东西向(长向)的中心为参考点
19、,左右两侧节点的计算变形是远离中心向外位移,而冬季温度荷载作用的效应则相反。特别值得注意的是温度最高的月份是 8 月,但应力的峰值一般在 9 月,这说明由于温度变化引起的应力有一定的滞后效应。七、结论1?对于无缝超长结构变形而言,温度引起的结构变形占很大比例,是起控制作用的主要因素,在结构初步设计时不能忽略温度因素。2?结构非预应力钢筋中温度应力的变化,根据本次测试的结果一般年度变化量小于 40MPa,这样的应力变化量对于普通的非预应力钢筋是可以接受的。3?在某工程主楼的建设中,从构造上采取了许多技术措施来减少温度荷载对结构造成的不利影响,如设置控制温度应力的无粘结预应力钢筋,采用较好的保温隔热措施,确实起到了良好的效果,使得钢筋中温度应力的变化量级较小,保证了结构长期使用的安全性和耐久性。4?在今后的结构设计工作中,有必要考虑立面的不同辐射影响,进行配筋或构造设计,协调结构的温度应力和或变形。本文得到了顾渭建同志的帮助,谨表感谢。19
