基于溫度作用下預應力混凝土空腔樓蓋的結(jié)構(gòu)分析

朱 琳 張明遠 李 亢 傅禮銘

(1.中冶南方武漢建筑設計有限公司，湖北 武漢 430077； 2.武漢理工大設計研究院有限公司，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070； 4.湖北大成空間科技股份有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

隨著人們對溫度的研究逐漸加深，溫度對建筑物的影響也不容忽視。新修訂的《建筑工程設計文件編制深度規(guī)定(2016版)》中，也新增了溫度作用的有關計算。溫度影響是屋蓋設計中需要考慮的一個重要環(huán)節(jié)，屋蓋周圍的環(huán)境溫度作用包括太陽輻射作用、空氣對流作用以及長波輻射作用等，而環(huán)境溫度的變化直接會導致結(jié)構(gòu)溫度場發(fā)生變化，于是，結(jié)構(gòu)在溫度作用下會產(chǎn)生溫度變形和溫度應力[1]。由于混凝土空腔樓蓋具有減輕結(jié)構(gòu)自重、降低結(jié)構(gòu)造價、隔音性能良好等諸多優(yōu)點，受到廣泛關注，但對于其溫度作用研究較少[2-4]。溫度作用會使混凝土產(chǎn)生裂縫，溫度裂縫對混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性危害程度更大[5,6]。

屋蓋作為一個將室內(nèi)和室外隔開的構(gòu)件，承受著室內(nèi)外溫度的差異，在超靜定結(jié)構(gòu)中，溫度作用下會產(chǎn)生變形和位移。目前不同國家、不同地區(qū)對混凝土空腔樓蓋的溫度梯度模式及取值沒有取得共識。因此開展大跨度混凝土空腔樓蓋溫度場分布及溫度效應的研究，確定更加符合該地區(qū)實際情況的混凝土空腔樓蓋溫度梯度分布模式，具有非常積極的意義。本文將結(jié)合工程實例應用ANSYS軟件對溫度作用下的預應力混凝土空腔樓蓋的撓度及變形情況進行分析，以期為空腔樓蓋的溫度作用分析提供思路和參考。

1 工程概況

該工程是湖北省某學校的風雨操場體育館，該體育館占地面積約為190 000 m2；該工程層數(shù)為2層，第1層層高5.4 m，第2層層高6.0 m；取第2層進行溫度對樓蓋的影響分析研究，柱間距為6 m，橫向跨度達到36 m，縱向跨度有42 m，抗震設防分類為丙類抗震；抗震設防烈度為6度；場地土類型為Ⅱ；場地分組為第一組。該工程采用空腔樓蓋結(jié)構(gòu)形式，采用DCKQ構(gòu)件，混凝土等級采用C40，DCKQ空腔構(gòu)件剖面圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示[7-9]。

2 預應力混凝土空腔樓蓋數(shù)值模擬

2.1 ANSYS模型建立

ANSYS提供了對各種物理場量的分析模塊，簡而言之，ANSYS基本涵蓋了土木工程的方方面面，能夠提供較精準的結(jié)構(gòu)溫度應力分析。于是本文采取大型有限元分析軟件ANSYS對在大跨度預應力混凝土結(jié)構(gòu)中的空腔樓蓋進行溫度作用下的撓度和內(nèi)力的分析。采用ANSYS對該預應力混凝土空腔樓蓋進行數(shù)值模擬分析，選用組合式進行建模，運用整體式考慮整個樓蓋的普通預應力筋，采用實體力筋法中的節(jié)點耦合法來處理預應力鋼筋，采用降溫法來施加預應力。該預應力混凝土空腔樓蓋有限元模型如圖3所示，預應力筋單元模型如圖4所示。

2.2 確定溫度梯度方案

對于本文所選的實際工程，是湖北省某學校的風雨操場，作為室內(nèi)場館，我們假定室內(nèi)溫度恒定為20 ℃，室外溫度根據(jù)查閱相關書籍資料可知：湖北地區(qū)夏季人體可以感受到的溫度有40 ℃，但是，橋面、屋面等長時間在室外處于太陽炙烤之下，溫度可以達到50 ℃；雖然隨著全球氣溫的變暖，現(xiàn)在湖北省冬季氣溫最低在-5 ℃左右，但是在20世紀90年代的時候冬季氣溫能達到-10 ℃。所以本章在研究溫度作用時，溫度上限選取50 ℃，溫度下限為-10 ℃。

綜上，為了更準確的研究該預應力混凝土空腔樓蓋在不同溫度梯度作用下的撓度和內(nèi)力變化，現(xiàn)根據(jù)上述實際情況，以5 ℃為溫度梯度，對該預應力混凝土空腔樓蓋取以下13種不同溫度梯度下進行撓度和應力分析，見表1。

表1 溫度梯度設置情況 ℃

3 結(jié)果分析

3.1 撓度分析

預應力混凝土空腔樓蓋進行溫度加載后，該樓蓋的最大撓度值統(tǒng)計如表2所示，樓蓋跨中撓度值統(tǒng)計如表3所示。

表2 不同溫度梯度下該樓蓋最大撓度值

表3 不同溫度梯度下該空腔樓蓋跨中撓度值

由表2可以看出：隨著室外室內(nèi)的溫差由正最大變?yōu)樨撟畲蟮倪^程中，撓度值方向始終向下，且呈現(xiàn)增加趨勢，數(shù)值越來越大。

由表3可以看出：在以上13種工況中，該樓蓋的跨中撓度值隨著室外室內(nèi)的溫差由正最大變?yōu)樨撟畲蟮倪^程中，跨中撓度值由正變?yōu)樨?，且絕對值越來越大。

綜上所述，可以很明顯的看出，溫度作用對該樓蓋撓度有著明顯的影響，變形總是更傾向于溫度高的一側(cè)，在室內(nèi)溫度恒定的情況下，室外溫度越高，上板面起拱值越大，可以抵消的向下的結(jié)構(gòu)位移值就越大，最終，該樓蓋呈現(xiàn)出的撓度值就越小；而室外溫度越低，相對而言下板面溫度較高，下板變形更大，于是，整個結(jié)構(gòu)的撓度值向下增大。

3.2 應力分析

13種不同溫度梯度作用下，預應力混凝土空腔樓蓋X方向應力值統(tǒng)計如表4所示。

表4 不同溫度梯度下該樓蓋X方向跨中應力值

由表4可以很明顯的看出，在該樓蓋的跨中區(qū)域，溫度作用對該樓蓋X方向應力值存在明顯的影響，在室內(nèi)溫度恒定的情況下，跨中X方向應力值為壓應力，隨著室外溫度的降低，壓應力數(shù)值越來越小。

4 結(jié)語

研究溫度作用對大跨度預應力混凝土空腔樓蓋撓度和受力性能的影響，有利于該新型結(jié)構(gòu)形式的推廣與應用，并對實際工程具有指導意義。本文通過對不同溫度梯度作用下樓蓋的撓度值進行分析研究，得出了不同溫度梯度作用下的撓度值的變化特點：

1)隨著室外溫度的降低，該空腔樓蓋撓度值逐漸增大。該樓蓋撓度值的變化由邊緣附近先開始，然后逐漸向跨中過渡，直至布滿整個跨中，在跨中呈現(xiàn)出最大撓度值，溫度作用對跨中撓度值的影響更大。

2)隨著室外溫度的降低，該空腔樓蓋壓應力值降低幅度越來越大。通過對溫度作用下該空腔樓蓋X方向應力值的分析，可以看出，在室內(nèi)溫度恒定的情況下，跨中X方向應力值為壓應力，隨著室外溫度的降低，壓應力數(shù)值越來越??；而壓應力值降低幅度隨著溫度的降低越來越大。