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目前特种工业厂房由于工艺要求必须采用超长钢筋混凝土框架结构,而现有规范对超长结构究竟如何设计没有明确说明,导致了工程师在设计和施工时随意性较大,为了解决结构超长带来的温度裂缝影响这一普遍难题,特此进行本课题的研究。
本文首先从施工早期及结构运行期间两个方面阐释了引起超长混凝土结构温度裂缝的影响因素,对早期的材料及施工养护等方面进行了重点论述,对后期的温度荷载进行了分析;接着,利用传热学知识推导出混凝土的温度场及粘弹性应力场的三维有限元计算方程,并用FORTRAN语言编制出针对钢筋混凝土框架结构的数值计算程序MASSIVE,以课题实际工程为模型基础,对超长框架结构的温度场、应力场进行模拟计算;其次,利用ANSYS对框架模型进行温度敏感性分析,并比较了空间模型与平面模型计算的差异;提出了温度二阶效应的概念并进行了原理公式推导,分析了影响框架柱温度二阶内力的主要因素。最后针对实际工程施工及设计进行考虑,提出了结构优化办法。
通过对本课题超长框架的水化热分析得出,水化热应力严重滞后于水化热温度,且一般对构件交汇处影响远大于其他地方,梁顶部大于底部,水化热在框架梁内早期产生较大的压力,渐变为拉力,并伴有弯矩产生。在升温阶段和降温阶段,无论是水化热温度还是水化热应力,混凝土构件表面的数值变化梯度都比内部陡,因此要特别注意结构表面裂缝的控制;随着水灰比的减小,混凝土的抗裂性能渐渐下降;入模温度、养护温度及构造钢筋要控制在适当的范围内。通过对本课题超长框架的后期环境温度分析得出,考虑季节温差来分析超长结构的受力是适合的。结构的三维尺度效应明显,柱刚度的改变大于梁刚度变化所产生的温度效应,板的影响最弱。对于超长多高层建筑,框架柱的温度二阶效应作用明显,且二阶弯矩随着柱长细比、梁跨高比的增加而减小,随着楼层竖向荷载、温差、混凝土强度的增加而增大。
本论文对超长结构前期的水化热温度及水化热应力分别进行了有限元模拟计算,对环境温度影响下的超长结构构件三维尺度效应进行了分析,并对超长多高层框架结构的温度二阶效应影响因素进行计算总结,以实际工程为例综合进行结构优化,为超长混凝土结构的设计施工提供了理论依据,并据此提出了控制超长结构裂缝的具体措施。