钢筋混凝土结构施工期温度影响的控制（上）.pdf

第 4 0卷第 4期 2 0 1 4年 8 月 四川建 筑科 学研 究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e l 7 钢筋混凝土结构施工期温度影响的控制 ( 上 ) 黄科锋， 刘西拉 ( 上海交通大学土木工程系， 上海2 0 0 2 4 0 ) 摘要： 钢筋混凝土结构在施工阶段实际上是一个部分完成结构和模板支撑系统构成的“ 时变结构” 。经验表明， 随着模板支撑系统的撤换， 这种“ 时变结构” 很可能处于整个“ 生命周期” 中最不安全的受力状态， 从而引发事故。 近些年来， 环境 日夜温差对结构安全的影响逐渐得到重视。本文在国内外相关研究的基础上， 提出了新的考虑 日 夜环境温差影响的钢筋混凝土框架、 板柱和剪力墙结构在施工期的结构模型和分析方法， 并编制了相应的“ 考虑温 度影响的施工过程安全分析” ( S a f e t y A n a l y s i s d u ri n g C o n s t r u c t i o n c o n s i d e r i n g T e m p e r a t u r e ， S A C T) 应用软件。 关键词： 钢筋混凝土结构； 支撑； 施工安全分析； 荷载传递 ； 温差 中图分类号： T U 7 1 4 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4 J 0 4 0 1 7 04 Te mpe r a t u r e e ffe c t c o n t r o l o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t ur e s d u r i n g c o n s t r u c t i o n HUANG Ke f e n g L I U Xi l a ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc t u r e d u ri n g c o n s t ru c t i o n i s a t i me d e p e n d e n t s t ruc t u r e w h i c h c o n s i s t s o f a p a r t l y c o mp l e t e d s t ruc t u r e a n d a f o r mwo r k s h o r e s y s t e m E x p e r i e n c e s h o w s t h a t ， a s t h e f o r mw o r k s h o r e s y s t e m c h a n g e s ， t h e t i me d e p e n d e n t s t ruc t u r e ma y b e u n d e r t h e mo s t c rit i c a l s t a t e d u ri n g i t s l i f e c y e l e a n d a c c i d e n t ma y o c c u r I n r e c e n t y e a r s ， t h e e f f e c t o f a mb i e n t t e mp e r a t u r e v a ria t i o n b e t we e n d a y a n d n i g h t o n t h e a n a l y t i c a l r e s u l t s a t t r a c t s mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n I n t h e p r e s e n t p a p e r ， a n e w s t ruc t u r a l mo d e l a n d a n a l y s i s me t h o d s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s ， s l a b c o l u mn s y s t e ms ， a n d s h e a r wall s t ru c t u r e s i s p r o p o s e d b a s e d o n r e l a t e d r e s e a r c h e s ， a n d a n e w s o f t w a r e n a me d S a f e t y A n aly s i s d u ri n g C o n s t ruc t i o n c o n s i d e ri n g T e m p e r a t u r e( S A C T )i s p r o g r a mm e d Ke y wo r d s ： r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc t u r e ； s h o r e ； c o n s t ruc t i o n s a f e t y a n a l y s i s ； l o a d t r a n s f e r ； t e mp e r a t u r e v a ria t i o n 0 引 言 施工期的钢筋混凝土结构实际上是一个部分完 成的结构 和模板 支撑系统 构成 的“ 时 变结构 ” l l J 。 其 中混凝土楼板强度随时间增长不断增大， 支撑随 着施工过程不断提升 ， 构成一个结构形状 、 材料性质 以及所承受的荷载均随着时间变化 的“ 时变结构” 。 在“ 时变结构” 进行安全分析 时， 施工荷载 、 混凝 土 早期收缩徐 变以及环境温度等影 响因素都不 能忽 略。 大量统计 资料表明 ， 结构在施工过程 中的安全 性远小于使用期的安全性 。以美 国为例 ， 大约 5 7 的工程破坏 事故 出现在施工 过程 ； 在俄 罗斯 ， 这 个 比例 在 7 0 _ 2 ； 然 而 ， 在 我 国， 这个 比例 大 到 9 0 _ 3 j 。因此 ， 针对结构施工过 程 中这种 “ 时变结 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 2 1 3 作者简介： 黄科锋( 1 9 8 2 一) ， 男， 博士研究生， 研究方向为钢筋混凝 土结构施工期内的安全分析。 E m a i l ： d a h u a n g f g ma i l c o m 构” 的安全分析变得十分重要。为 了掌握施工期钢 筋混凝土结构荷载传递规律 ， 国内外学者作 了大量 的研究。 迄今 为止 ， 世界各地 的学者对钢筋混凝 土施工 期荷载传递作了全面而深入的研究。研究涵盖了各 个方面 ， 如在材料方面 ， 对混凝土强度 、 楼板刚度 、 支 撑类型及刚度 、 混凝土徐变和收缩等都进行 了研究。 但是针对温度对施工期钢筋混凝土结构荷载传递的 研究还比较少。美国学者 P G r u n d y和 A K a b a i l 等 人就对高层建筑施工中的荷载传递与支摸层数进行 了探讨与研究 ， 并在 1 9 6 3年提出了简化手算结构分 析方法 J 。此后刘西拉于 1 9 8 6年建立 了施工期结 构分析的三维有限元法精化方法 ( r e f i n e d m e t h o d ) _ 5 。此方法更精确的描述了施工过程， 对板的 边界条件 、 地基刚度 、 柱 的轴 向变形 、 板 的形状 以及 昆 凝土和支撑徐变等非线性因素进行了全面的研 究 。1 9 9 1 年 ， 陈惠发等指 出由于混凝土刚度 的增长 及徐变 、 收缩等因素的作用 ， 养护阶段新浇筑的混凝 土楼板的 自重会在 “ 时变结构” 中按 照各层 楼板 当 l 8 四川建筑科学研究 第4 0卷 时的刚度在楼板问进行重新分配 ， 并分别在精化方 法和简化方法的基础上提出了考虑这一 因素的修正 方法 7 -8 。1 9 9 7年 R o s o w s k y指出了楼板混凝土浇筑 完成后 ， 养护期问支撑承担的荷载呈现出波动并减 少 ， 也提 出 了昼夜 温差 对这 一波 动的影 响 的可能 性 J 。此后 ， 方东平等对 清华大学法学楼框架结构 进行 了现场测试 ， 得到了结构在施工过程 中的基本 特征以及荷载传递的规律 ， 发现 随着新浇楼板强度 和刚度的增长 ， 环境温度的变化 、 混凝土早期徐变等 作用都将导致整个结构各部分承受的荷载不断地进 行新的分配 ， 特别是楼板和支撑会承担更多的结构 自重 m “ l 。之后 ， 清华大学 的方东平等定义楼板刚 度与模板支撑的刚度比为施工时变结构体系的弹性 特征值 ， 建立了以施工 时变结构体系弹性特征值为 参数的现浇钢筋混凝土结构施工受力性能分析的弹 性支撑连续梁模型 1 2 。2 0 0 2年， 上 海交大 的研 究 生李莹利用一维稳态热传导方程将施工环境 中温度 的变化作为一种广义的“ 荷载” 加到支撑系统上 。 由于环境温度的变化导致支撑系统的长度随时间变 化 ， 而这种变化基本上 以 2 4小时为一个周期 ， 使得 结构 内力重分配更加复杂。尽管 文献 1 3 中的模 型首次提 出了钢支撑与混凝土之间的温差同昼夜温 差的关系， 但其一维稳态热传导 的假定导致了较大 的误 差 。 了解温度对施工期荷载分配的作用机理和影响 大小 ， 有助于更 透彻 的理解荷载传递过程 。本文首 次利用二维非稳态热传导方程更准确 的描述出 日夜 温差对“ 时变结构” 的影 响， 并将提出的温度荷载计 算模型集成到整个施 工期结构安全计算 中 ， 编制了 “ 考虑温度影响的施工过程安全分析” ( S a f e t y A n a l y s i s d u r i n g Co n s t r u c t i o n c o n s i d e r i n g Te mp e r a t u r e， S A C T ) 应用软件 ， 可以在工程上应用 。 1 计算模型 1 1 基 本假 定 本文希望给 出一种直接简 明的方法 ， 能够快速 的发现施工过程 中的安全隐患 ， 防止出现危险情况 。 因此作如下假设 1 2 , 1 4 ： 1 )假设施工期临时结构为二维平面结构 ， 结构 和支撑均为线弹性材料 ； 2 )主要荷载为楼板 的 自重荷载和 自重荷载的 转移 ； 3 )相对于楼板刚度 ， 结构底层的刚度无限大 ； 4 )温度场在空间上是均匀的， 只随时间发生变 化 ； 5 )只考虑钢支撑结构。 1 2 结构计算模型 本文根据板柱结构 、 框架结构和墙板结构的破 坏机理分别建立 了结构计算模型 M J 。 1 ) 板柱结构 板柱结构的失效模式 主要是冲切破坏 ， 其破坏 模式如图 1 所示。据此破坏模式 ， 柱 子边缘 区域楼 板是板柱结构楼板 的最危险区域 ， 只要柱子连线附 近板带不被破坏 ， 整个楼 板就可认为是安全的。因 此混凝土楼板 、 柱子和钢 支撑组成的三维结构可 以 简化为柱连线附近板带隔离体 、 柱子和钢 支撑组成 的二维结构 ， 且该二维结构不发生危险状况 即能保 证整个三维结构 的安全。因此 ， 对于板柱结构本文 选取施工中最危险 的楼板带 为研究对象 ， 即如 图 2 所示 ， 取两柱及延其连线方 向 1 m宽的板带 ， 与支撑 系统组成单跨或多跨 的平 面时变结构 ， 柱作为构件 与整个结构共同工作。 L 、 F 图 l Mo h r C o u l o m b准则 Fi g 1 M o h r - Co u l o m b c r i t e r i o n 图 2 板柱结构模型 Fi g 2 Co mput a t i o na l mode l o f s l ab- c o l umn s t r uc t ur e 2 )框架结构 框架结构的失效模式主要是板受弯破坏 。对于 框架结构楼板来说 ， 要保证其不破坏 且挠 度在 允许 范围之 内， 通常楼板 在 中心 区域 附近挠度最 大 ， 因 此 ， 只要控制了包含楼板 中心 的板带隔离体不发生 危险情况 ， 整个楼板就处于安全状 态。故楼板和柱 2 0 1 4 N o 4 黄科锋， 等： 钢筋混凝土结构施工期温度影响的控制( 上) l 9 子及支撑体系组成 的三维结构可以简化板带隔离体 及其两端支座和其下 的支撑体系组成的二维结构 ， 既简化了结构模型 ， 又确保 了施工安全 。如图 3所 示 ， 取沿各梁跨 中连线方 向 1 m宽 的板带及其两 端 支座与支撑系统组成单跨或多跨 的平面时变结构。 图 3 框架结构模型 Fi g 3 Co mp u t a t i o n a l mo d e l o f f r a me s t r u c t u r e 3 )墙板结构 墙板结构的失效模式主要也是板受弯破坏。因 此 ， 与框架结构类似 ， 本文选取施工过程 中楼板挠度 最大的区域作为研究对象 ， 如图 4所示 ， 取沿各墙段 中点连线方 向 1 m宽 的板带和墙带 ， 与支撑系统组 成单跨或多跨的平面时变结构 ， 墙作 为构件与整个 结构共 同工作。 墙 图 4 墙 板结构模 型 Fi g 4 Comput at i o na l mod e l o f wa l l - s l a b s t ru c t ur e 以上三类结构在浇筑楼板时的受力情况十分相 似， 而且都可以用一个平面模型来描述 。选取的楼 板板带隔离体视为一段连续梁 ， 它与支座刚接 ， 与钢 支撑铰接。它们的区别在于 ： 板柱结构模型中支座 为柱子 ， 框架结构模型中支座为次梁 ， 墙板结构模型 中支撑为墙体 。以此选定 的平面结构为研究对象 ， 根据计算结构力学位移法原理可求解各杆件内力和 节点位移。 2 温度对 “ 时变结构 的影响 2 1 引入温度影响的重要性 在结构 的整个施工周期 ， 昼夜温差是客观存在 的， 并且影响楼板荷载的分配和转移 ， 导致 即使在同 一 结构状态下 内力也会不断重新分布 ， “ 时变结构” 可能 出现危险状态 。 2 2 考虑温度 的结构模型 由于钢管支撑体积小传热快 ， 响应气温 的变化 也快 ， 其温度变化可视为与气温变化同步 ， 而混凝土 柱由于导热慢 ， 其变化滞后于气温的变化 。易知 ， 此 时钢管支撑与混凝土柱的温差( a T o 。 ) 小于昼夜温差 ( ) 。 由温度变化引起的支撑的长度变化量 ( L) 可 以表示为式( 1 ) ： L = T o ( 1 ) 其中， O f 为材料热膨胀系数 ； 为支撑 原有 的几何长 度。 因此 ， 温差引起钢支撑 中的轴力( P ) 可用式( 2 ) 计算 ： P ： ： E A To t L ,a T ： E A a ST c ( 2 ) 其中 ， E A为一根钢支撑的轴向刚度 。 如图 5所示 ， 由昼夜温差 引起 的轴力值 P 将通过以下两个步骤添加到结构中： 图 5 温度影响加载方式 Fi g 5 Ap p l y i n g o f e ffe c t s o f t e mp e r a t u r e 1 ) 假设在钢管支撑 的两端作用压力 P( 钢管支 撑温度高于混凝土柱温度 时) ， 则 此时钢支撑的 内 力 即为由引起的内力值 ， 记为情况 A。 2 ) 在温度变 化前结构的钢管支撑连接 节点上 作用反向的 P， 记为情 况 B。此时钢支撑与混凝土 结构连接为一个整体 ， 其内力根据反 向 P和结构其 他荷载共同作用下求得。 对所有 的支撑作情况 A和情况 B的叠加 ， 即可 得到温度作用下的最终结构 。同样道理 ， 当温度变 化使钢支撑缩短时亦可类似处理 。 2 3 钢支撑与混凝土柱温差 ( ) 的计算 根据计算式 ( 2 ) 可知 ， 计算昼 夜温差 的效应必 须先确定钢支撑和混凝土的温差 ( ) 。由于混凝 土内部的导热热阻小于其表面的换热 热阻， 可认 为 整个混凝土柱在同一 瞬间均处 以同一 温度下 ， 并 可 用集 中参数法 l l 简单快 速的计算 出由昼夜温差产 生的钢支撑与混凝土柱 的温差。 由统计气象资料可知， 环境温度的变化以2 4小 时为周期 。在分析时 ， 当气温达到当 日最低温( T L ) 时 ， 可被看作是初始状态 ； 同时钢支撑与混凝土温差 很小， 混凝土柱的温度可认为等于环境最低温。l 2 2 0 四川建筑科 学研究 第 4 0卷 小时 以后 ， 环境温度升至最 高温 ( ) ， 混凝土柱的 温度也达到最高温 ， 但 混凝土柱 的最 高温小于 。 在过去的 1 2小时里 ， 本文理论 中计算的环境温差为 = T 1 ； 当环境温度和混凝土柱的温度都达 到最高温时 ， 两者之 间的温差 也为最大值。由于钢 支撑的温度可看作与环境温度同步， 计算 温度效应 中考虑的钢支撑与混凝土柱温差( ) 就可 以认为 是 1 2小时内环境与混凝土柱温差的最大值。 由集 中参数法 可知 ， 热传 导微 分方程 为式 ( 3 ) ： ：一 A c a hp c V (一7 H ) ( 3 )d t 一 ( rc 一7 H ) ( 3 ) 式中 混 凝 土 随 时 间 t( h )变 化 的 温 度 ( ) ； p 混凝土的密度 ( k g I l l ) ； c 昆 凝土的比热容 k J ( k g ) ； 一 根 昆凝土柱 的体积( IT I ) ； A 混凝土柱的表面积( I T I ) ； 混凝土与空气问的表面传热系数 k J ( o C m h ) 。 根据前文所述 ， 当时间 t = 0时环境温度为最低 温( T ) 。引入混凝土过余温度( T 。 ) ， 用来表示最高 环境气温与7 昆 凝 土柱温度之差 ： T 。 =T 一T ， 所 以初 始过余温差( ) 如式( 4 ) ： T ：T LT H ( 4 ) 引入混 凝 土过余 温 差 后 ， 式 ( 3) 可表 示 为式 ( 5 )： dT p c V 一A c a ( 5 ) 将式 ( 5 ) 从 0到 t 积分 ， 可得到式( 6 ) ： =一 p c V d ( 6 ) J T J 0 式( 6 ) 经化简后可变为式 ( 7 ) 和式 ( 8 ) ： n 一 T o ： = 一p( 一 ) 一 一 p c 由于 被看作是 1 2小时 内环境 与混凝土柱 温差 的最大值 ， 则计算如式 ( 9 ) ： A T A T 唧( ) ( 9 ) 在对每一施工步骤进行安全分析时 ， 将环境实 测昼夜温差 代人式( 9 ) ， 利用式 ( 9 ) 中求得 的钢 支撑与混凝土柱的温差 Ar c 便可计算出温度效应 。 3 结 论 本文在 国内外相关研究 的基础上 ， 提出了新 的 考虑 日夜环境温差影响的钢筋混凝土框架 、 板柱和 剪力墙结构在施工期 的结构模 型和分析方法 ， 并编 制了相应的“ 考虑温度影 响的施工过程安全分析 ” ( S a f e t y A n a l y s i s d u r i n g C o n s t r u c t i o n c o n s i d e r i n g T e r n p e r a t u r e ， S A C T ) 应用 软件 ， 可使施 工现场 人员作 出 快速准确的工程决策。 参 考 文 献 ： 1 刘西拉 结构工程学 科的现 状与展 望 M 北京 ： 人民交 通 出 版社 ， 1 9 9 7 2 谢征勋 建筑工程事 故分析 及方案论 证 M 北 京： 地震 出版 社 1 9 9 6 3 叶耀先 中国建筑结 构倒塌 事故分 析 J 建 筑结 构 ， 1 9 9 0， 2 0 ( 0 5 ) ： 5 4 - 5 6， 5 9 4 G r u n d y P， K a b a i l a A C o n s t ruc t i o n L o a d s o n S l a b s w i t h S h o r e d F o r mw o r k i n Mu h i s t o r y B u i l d i n g s J A C J J o u rna l P r o c e e d i n g s ， 1 9 6 3， 6 0 ( 1 2) ： 1 7 2 9 1 7 3 8 5 L i u X， C h e n W F ， B o w ma n M D C O N S T R U C T I ON L O A D A N A1 一 Y S I S F O R C O N C R E T E S T R U C T UR E S J J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 8 5， 1 l 1 ( 5 ) ： 1 0 1 9 1 0 3 6 6 L i u X L ， Wa i F a h C， B o w ma n M D S HO R E S L A B I N T E R A C T I O N I N C O N C R E T E B U I L D I N G S J _ J o u r n a l o f C o n s t ruc t i o n E n g i n e e ri n g a n d Ma n a g e me n t ， 1 9 8 6， 1 1 2 ( 2 ) ： 2 2 7 _ 2 4 4 7 C h e n W F ， Mo s a l l a m K H C o n c r e t e b u il d i n g s： a n a l y s i s f o r s a f e c o n s t ru c t i o n M B o c a R a t o n C R C P r e s s ， 1 9 9 1 8 j L e e H M， L i u X L ， C h e n W F C r e e p A n a l y s i s o f C o n c r e t e B u i l d i n g s D u ri n g C o n s t ruc t i o n【 J J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 1 ， 1 1 7 ( 1 0) ： 3 1 3 5 3 1 4 8 9 R o s o w s k y D V， P h i l b ri c k J r T W， H u s t o n D R O b s e r v a t i o n s f r o m s h o r e l o a d me a s u r e m e n t s d u ri n g c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n J J o u r n a l o f P e rf o r m a n c e o f C o n s t ruc t e d F a c i l it i e s ， 1 9 9 7 ， 1 1 ( 1 ) ： 1 8 - 2 3 1 0 F a n g D P， Z h u i q Y， G e n g C D， e t a 1 O n s i t e me a s u r e me n t o f l o a d d i s t rib u t i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b u i l d i n g s d u rin g c o n s t ruc t i o n J A C I S t ruc t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 2 ) ： 1 5 7 一 l 6 3 1 1 方东平 ， 祝宏毅 ， 耿川东 ， 等 施工期钢筋 混凝土结 构特性 的实 测研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 4( 0 2 ) ： 7 - 1 0， 4 2 1 2 方东平 ， 耿川东 ， 蓝荣香 ， 等 钢筋混凝 土结构施工 期安全分 析 与控制软件 ( S A C) 及 其应 用 J 建 筑技 术 ， 2 0 0 1 ， 3 2( 0 5) ： 3 0 2 3 0 3 1 3 李莹 施工 期钢筋 混凝 结构 荷载 传递 分 析的 改进 D 上 海 ： 上海交通大学 ， 2 0 0 2 1 4 方东平， 耿川东， 祝宏毅， 等 施工期钢筋混凝土结构特性的汁 算研 究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 0 6 )： 5 7 - 6 2 1 5 杨世铭 ， 陶文铨 传热学 M 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 6 ( 待续 )