武汉国际会展中心的温度作用设计

第32卷第1期建 筑 结 构

*

2002年1月

武汉国际会展中心的温度作用设计

樊小卿 吴 为

(中南建筑设计院 武汉430071)

[提要] 以工程为例, 介绍了根据作者所提出的方法和建议进行武汉国际会展中心混凝土结构部分温度作用设计的过程。从概念设计、使用和施工阶段温度内力变化两方面阐明了工程实际问题处理的设计概念, 从内力、配筋等方面分析了温度作用的影响。

[关键词] 混凝土结构 超长结构 无缝 温度作用 结构设计

Design on the c onc rete part of Wuhan Internat ional Exhibition Center a ccording to the method and sugge stion pre -sented by the authors is introduc ed. T he design conc ept of dealing w ith practice problems is interpreted concerned w ith the change of temperature inner force during the serve proc ess and construction process. T he effect of tempera -ture action on inner force and reinforcement is analyze d.

K eyword s:concrete structure ; super -length structure; temperature action; structure design; no -seam structure

一、工程概况

武汉国际会展中心整个工程占地面积8 772万m , 建筑面积12 7万m , 由主楼和地下展厅两部分组成。主楼平面如图1所示, 纵向最长处为237 5m, 横向宽64m 。地下展厅为161 5m 153m 的矩形平面。主楼和地下展厅均采用框架结构, 为满足使用要求, 除两者间设有变形缝外, 其余内部均不设置变形缝, 平面内的温度变形分区范围明显超过现行规范要求。主楼剖面如图2所示, 地上6层, 高43m, 地下1层, 深9 4m 。结构布置除地面4层以上的个别部位外, 其余基本对称。

工程采用文献[1]的分析方法进行温度作用计算和结构设计。由于地下展厅与主楼设计方法相同, 限于篇幅, 这里仅介绍主楼温度作用的结构设计。

二、设计概念1 结构约束的相对性

温度作用对结构产生的直接影响是变形。由于地面温度变化引起地下温度的波动随深度增加而减弱, 因此地下温度变化小于地面。与此相对应, 建筑物地下部分例如基础、地下室等温度变形的变化量也应小于地上部分。在结构整体工作时, 这地上、地下的变形差通过竖向构件墙、柱来协调, 这一协调过程的实质就是变形变化量小的地下部分约束了地上部分的温度变形。因此, 这种约束是相对的。

对单位长度构件讲, 变形差在材料相同时可用温度差来计量。在温度作用下进行结构分析时, 若与荷载作用一样把结构底端计算简图取为无侧移, 则上部各层的计算工作温度应是该层实际工作温度与底端实

2

2

际工作温度之差。这是由于在荷载作用下被视为无侧移的支座, 在温度作用下有侧移。上部结构分析只有在扣除支座温度位移后, 才能用荷载作用下支座无侧移的计算简图来进行温度内力分析。

2 温度作用影响的可控性

结构在温度作用下的线变形量 l 可用下式表示:

l = tl

(1)

式中:l 为结构线向长度(m) ; t 为温度变化量( ) ; 为材料的线膨胀系数(1/ ) , 混凝土为1 0 10-5。

由式(1) 可见, 控制温度作用的影响, 着眼点应是控制结构长度l 或结构工作温度变化量 t 。对于平面尺寸超长的结构, 可以利用施工过程中通常为减小混凝土收缩变形影响而设置的后浇带来实现。

若把被后浇带分割形成的结构块称为子结构, 由于施工过程的不确定性, 会使其工作温度具有一定的不确定性。若从最不利状态考虑, 则温度变化量 t 相

对会偏大。但从控制温度作用影响讲, 总可以通过调整子结构平面尺寸l 大小来控制它的温度变形量 l , 使温度内力或子结构构造配筋控制在设定的范围内。

若把后浇带封闭后形成的整体结构称为母结构, 虽它的平面尺寸l 是个定数不可调, 但可以控制后浇带封闭温度(即母结构成型温度) 来调整母结构的温度变化量 t , 从而尽量减小变形量 l , 使温度作用下的结构设计得到优化。

用上述方法进行控制的结构最终温度内力, 应该是同一工况下, 子结构与母结构不同阶段工作的温度

*工程结构负责人为陈妍桂, 陈兴、王旺贤同志曾参加过温度作用计算。

土中温度波衰减

x (m) x (m)

170 060

280 040

390 027

4100 018

5110 012

表1

6120 0081

题作如下简化约定:1) 由于地下室平面的长、宽尺寸均远大于地下室层高, 因此在地下室底板、顶板及室内空气温度等热传导问题计算时, 把地下室视为由多层介质组成的一维热传导问题, 忽略四周土体在热传导过

图1 主楼平面

程中的影响; 2) 由于地下土中的温度场相对稳定, 因此地下室自身的温度变形变化量较小, 与此同时, 地下室四周土的回填一般难以密实, 土体对结构变形的约束力难以保证, 因此在地下室温度作用计算时, 忽略四周土体的约束作用; 3) 地下室板底位于地下9 4m, 忽略地表温度对该处土中温度的影响, 板底土体温度取武汉地区年平均气温, 即16 3 。

2 设计工况及环境温度

图2 主楼剖面

(1) 使用阶段 夏季:室外空气温度取30年一遇最高日平均温度为36 9 ; 屋面日照温度由日照时段太阳辐射照度平均值计算为23 ; 室内空气温度取空调设计温度为26 。冬季:室外空气温度取30年一遇最低日平均温度为-11 ; 室内空气温度取采暖设计温度为18 ; 地下室板底土体常年温度取16 3 。

(2) 施工阶段 子结构成型温度视施工情况酌定, 母结构成型温度按15~20 考虑。另外, 施工阶段相对使用阶段讲是短暂和临时的, 为与这种工作状态相协调, 避免不必要的浪费, 设计中对施工阶段环境温度取值标准作了适当调整。夏季:空气温度取历年最高日平均温度的平均值为32 4 ; 屋面日照温度由太阳辐射照度日平均值计算为11 5 。冬季:空气温度取历年最低日平均温度的平均值为-6 ; 地下室板底土体温度取16 3 。施工中若遇环境温度超出上述范围的不利情况, 应通过采取临时措施加以解决。

3 计算简图

工程中最长的一榀框架温度作用的结构计算简图如图3所示, 与荷载作用时相同, 取框架下端嵌固于地下室底板内。

内力之和。

3 土中温度变化的衰减性

对于半无限大的土体, 若用地下深度为x 处的温度波波幅与土体表面的波幅之比 来描述温度波在土中传播过程中的变化, 则温度波波幅的衰减系数 为:

=e

-x 2

(2)

式中:T 为波动周期(h) ; 为材料导温系数(m /h) , 对土壤可取0 617 10-6m 2/s; x 为离地面距离(m) 。

由式(2) 可见, 温度波波动周期越长, 波幅衰减越慢, 地表温度变化对地下的影响越深。当以年为周期, 土中深度为x 处的波幅衰减系数如表1所示。

由表1可见, 在土中达一定深度后, 地表温度变化对地下的影响可以忽略不计, 这时土中的温度就是地面上的年平均气温(武汉为16 3 ) 。若取 =0 05, 这个深度为7 455m; 取 =0 01, 深度为11 46m 。

三、结构设计1 简化约定

为方便设计, 对地下室温度作用时的一些技术问

图3 计算简图

4 温度内力

结构各部分温度内力大小与环境温度变化有直接关系, 一般处于室内和室外、地下和地上环境温度变化较大部位的顶层、底层, 它的温度内力也大。仅以底层(即地下室) 为例, 列出母结构各工况的温度内力。结构底层对称布置, 底层框架柱为矩形截面, 其尺寸列于

底层框架柱截面

柱 号柱 号

17

28

39

40 7 0 7

10

511

b h (m) 1 0 1 01 2 1 21 2 1 2

表2。底层框架梁为T 形截面, 其腹板宽b 和腹板高h 列于表3。翼缘厚20c m, 翼缘宽度在轴向变形计算

时, 按全截面考虑取相邻板跨中-中距离为8m; 弯曲变形计算时, 按有效截面考虑取腹板宽加12倍翼缘厚为2 9m 。依据武汉地区的实际情况, 进行了4种工况的温度内力计算, 其结果详见图4~7及表4~11。

底层框架梁截面

梁

号梁 号

17

28

39

410

511

表2

6

0 7 0 70 7 0 7

表3

6

b h (m) 0 5 1 00 5 1 00 5 1 00 5 1 00 5 1 00 5 1 4b h (m) 0 5 1 90 5 1 90 5 1 90 5 1 40 5 1 0

b h (m) 0 7 0 71 4 1 41 4 1 41 75 1 750 7 0 7

图4 工况1(使用阶段、夏季) 弯矩图(kN m)

工况1 T 形梁轴力

梁 号N (kN) 梁 号N (kN)

1-3107-1710

2-10338-2222

3-14139-2559

4-151510

-2814

5-158511-2818

表4

6-1649

柱 号Q (kN) 柱 号Q (kN)

17-60 9

工况1 柱剪力

28-515 1

3-535 79

4-84 310

5-69 511-4 0

-312 4-616 6

表5

6-64 3

-355 6-256 9

图5 工况2(使用阶段、冬季) 弯矩图(kN m)

工况2 T 形梁轴力

梁 号梁 号N (kN)

171137

281850

392490

4103015

5

113017

表6

6柱 号柱 号Q (kN)

1732 2

工况2 柱剪力

28410 8

39346 1

410305 4

5112 6

表7

6图6 工况3(施工阶段、夏季) 弯矩图(kN m)

工况3 T 形梁轴力

梁 号N (kN) 梁 号N (kN)

1-4857-2654

2-16178-3336

3-22249-3723

4-235510-3997

5-246211-4002

表8

6-2561

柱 号Q (kN) 柱 号Q (kN)

1-4897-92 6

工况3 柱剪力

2-962 1

8-747 6

39

410

5-107 011-5 7

-831 4-130 5-483 8-335 7

表9

6-98 4

图7 工况4(施工阶段、冬季) 弯矩图(kN m)

工况4 T 形梁轴力

梁 号梁 号N (kN)

173657

284601

395129

4105508

5115516

表10

6柱 号柱 号Q (kN)

17127 8

工况4 柱剪力

281031 8

39667 7

410463 6

5117 9

表11

6 由式(1) 可见, 板(即框架梁) 的轴向变形从中间向

两端随距离增加而增大。由上述轴力表可见, 板的轴力则与之相反, 它从两端向中间随距离缩短而增大。这是由于板的轴力来源于柱抗侧移产生的剪力, 从两端向中间随柱数量的增加, 剪力不断累加, 板的轴力也相应增大, 这就是上、下楼层温度变形不同时, 层间约束的作用过程。

由上述弯矩图和剪力表可见, 柱温度内力在柱断面相同时与板轴向变形规律相同, 从中间向两端随距离增加而增大; 在柱断面变化处, 则柱的温度内力值出现了跳跃, 这是由于柱温度内力除与两端侧移差成正比外, 还与柱刚度成正比。

从温度内力计算结果还可以看到, 结构不同部位的构件在温度作用时工作状况是不同的。楼板主要是轴向变形, 由于混凝土是一种脆性材料, 抗拉性能远弱于抗压性能, 因此它的不利工况很明显是冬季, 需要加强的部位在结构中部。对于柱, 它主要是弯曲变形, 冬季、夏季工况只是侧移大小和方向不同, 并没有受力性能上的区别, 很难从定性上确定哪个工况不利, 需要加强的一般在结构四周或柱刚度变化的部位。

5 配筋状况

截面设计时, 荷载组合的各项系数以及考虑温度作用过程中混凝土徐变变形影响的应力松弛系数等按文献[1]采用。

现以结构底层(即地下室) 施工阶段、冬季工况为例。经计算, 考虑温度作用影响, 顶板一侧轴向配筋增加量如表12所示, 框架梁支座抗弯钢筋增加量如表13所示。底层框架柱为小偏心受压构件, 按构造配置纵向钢筋和抗剪箍筋能满足温度作用的设计要求。

应该指出:上述结果仅是施工阶段、冬季工况的情况, 并不是最终结果, 通常使用阶段活载比施工阶段要大很多, 因此框架梁使用阶段支座抗弯钢筋比施工阶段要多, 这样, 最终钢筋增加量将小于上述数值。

四、结束语

梁 号配 筋梁 号配 筋

16 257 253

跨 号配筋率(%) 跨 号配筋率(%)

10 0470 21

顶板配筋增加量

20 1380 27

30 1890 30

40 19100 32

50 20110 32

表12

60 20

框架梁钢筋增加量

27 258 254

35 259 252

41 2210 251

52 18110

表13

61 20

文献[1]对结构温度作用设计所涉及的一些问题提出了分析方法和设计建议, 就这些方法和建议的应用提供了工程实例。应该讲随着超长无缝设计的增多

及工程实践经验的不断丰富, 结构温度作用设计将会日趋完善。

参

考

文

献

1 樊小卿. 温度作用与结构设计. 建筑结构学报, 1999, (2) . 2 混凝土结构设计规范(GBJ10 89) . 3 建筑结构荷载规范(GBJ9 87) .

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