某大型地下室结构的温度应力及混凝土收缩应力分析

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某大型地下室结构的温度应力及混凝土收缩应力分析
商王林
 

工程概况
本工程为汽车客运站，地下一层,局部有夹层，地上三层；地下室面积较大，长度达292m，单层面积达3万多平米。
荷载组合
由于本工程地下室结构板面积较大，且不允许设缝，为防止温度下降和混凝土收缩引起大面积混凝土开裂，故采用后张法无粘结预应力混凝土技术以抵抗温度应力及混凝土收缩应力。
混凝土的收缩变形只能产生混凝土的拉应力。与收缩应力不同，温度应力是随温度的变化循环往复的，既有拉应力，也有压应力。由于对于混凝土这种材料来说，其抗压强度大大超过其抗拉强度，因此在工程中我们通常只考虑当温度下降时引起的混凝土拉应力。故最不利工况为降温与混凝土收缩共同参与组合的工况。
在结构计算中共考虑了3种荷载工况，即降温T1、升温T2、预应力Y(手工复核)。考虑的荷载组合为：0.3T1+1.0Y、0.3T2+1.0Y。其中系数0.3是考虑了混凝土徐变、设置后浇带、膨胀剂以及混凝土养护等对减小混凝土中拉应力的有利作用后而取的折减系数。
计算中将混凝土收缩值换算成等效温度作用，与实际温度荷载叠加来一并考虑。因此，混凝土收缩值计算的准确性取决于等效温度的计算，本工程参考王铁梦的《工程结构裂缝控制》和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）中关于收缩徐变的计算，将收缩徐变折算成温度与温度荷载一并考虑为：升温10℃，降温-20℃，室外部分考虑到温度变化较大，采用升温20℃，降温-30℃。
对于本工程这个超长超大面积结构来说，结构平面比较复杂，各部位板块的受约束情况均不相同，因此各部位的温度应力也不相同，即使同一块板上，由于各个部位的混凝土变形相互制约，温度应力也不相同。要详细计算某个部位的温度应力，必须借助于有限元分析软件。
本工程利用中国建筑科学研究院开发的有限元计算软件PMSAP（2008版）对无锡F2地块的地下室的温度应力及混凝土收缩应力进行分析。

三．计算模型及支座约束情况
由PM建立整体模型，生成PMSAP数据，并完善模型和补充修改计算参数，施加温度应力，形成完整的PMSAP计算模型。
采用PMSAP有限元软件进行整体计算分析，考虑各种荷载工况下的荷载效应，然后按上述荷载效应组合进行内力计算和应力分析。

图1 PMSAP中整体模型三维轴侧视图

四．计算结果
PMSAP中地下室的温度应力及混凝土收缩应力结果如下（不考虑普通钢筋作用）：
从图4、图7、图8中可以看出当温度上升时往往以引起的混凝土压应力为主，而从图2、图5、图6的结果，我们不难发现当温度下降时引起的混凝土拉应力较大，且面积越大、长度越长拉应力值越大，本工程的降温工况下的除局部区域，最大拉应力接近8MPa。
 

图2 地下室在降温工况（T1）下的楼板主应力等值线图（单位：KPa）

图3 地下室在降温工况（T1）下的楼板主应力等值线局部放大图（单位：KPa）

图4 地下室在升温工况（T2）下的楼板主应力 图5 地下室在降温工况（T1）下的楼板X向
等值线图（单位：KPa） 正应力等值线图（单位：KPa）
 

图6 地下室在降温工况（T1）下的楼板Y向正应力等值线图（单位：KPa）

图7 地下室在升温工况（T2）下的楼板X向正应力等值线图（单位：KPa）

图8 地下室在升温工况（T2）下的楼板Y向正应力等值线图（单位：KPa）

鉴于温度下降对于该工程产生较大的拉应力，故对其采用后张法无粘结预应力混凝土技术，梁、墙中的张拉预应力取0.75fptk，板中的的张拉预应力取0.70fptk，施加的预压应力控制值为1.8MPa左右，其中预应力损失考虑20％，具体的无粘结预应力筋的布置详见施工图。
按计算得施加了预应力以后，楼板的拉应力(8x0.3-1.80x0.8=0.96)已经小于规范规定的C35的1.57N/mm2的设计值。

六．结论
综上所述，对该工程采用无粘结预应力技术可以较好地达到控制温度应力和混凝土收缩应力产生的裂缝。


参考文献:
（1）《混凝土结构工程设计规范》(GB 50010-2002)
（2）《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)(2008年版)
（3）《预应力混凝土结构抗震设计规程》(JGJ40-2004)
（4）《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ92-2004)
（5）《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-2002)
（6）《建筑工程预应力施工规程》(CECS180:2005)
（7）《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T 5224-2003)
（8）《无粘结预应力钢绞线》(JG 161-2004)
（9）《无粘结预应力筋专用防腐润滑脂》(JG 3007-1993)
（10）《预应力筋用锚具，夹具和连接器应用技术规程》(JGJ85-2002)
（11）其它有关国家及行业标准