專利名稱：混凝土結構溫差收縮效應的分析方法
技術領域：
本發明涉及結構工程技術領域，尤其涉及一種混凝土結構溫差收縮效應的分析方法。
背景技術：
隨著當前國內外建筑功能需求和結構體系設計的日益復雜化，在建筑結構體系，特別是在擴大地下室和混凝土樓蓋體系中，經常出現體型超長且平面布置復雜的混凝土結構，這種混凝土結構對環境溫差、混凝土收縮、徐變等因素十分敏感，如果分析、設計或施工構造時措施不當，極易引起混凝土結構(如混凝土樓蓋或其它結構構件)受拉開裂，產生較大裂縫，且不易修復，影響建筑的使用功能，使整體結構存在安全隱患。針對考慮環境溫差，混凝土收縮、徐變等因素的溫差收縮效應，現有計算模型及分析方法存在算法粗略、約束條件有誤、不能反映結構實際生成過程以及計算結果準確性低等問題，難以準確地揭示混凝土結構溫差收縮效應的發展規律，也難以預測及解決施工中存在的問題，無法適應混凝土結構的設計施工需要。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種混凝土結構溫差收縮效應的分析方法，可獲得混凝土結構施工全過程任一時間點的溫差作用內力和變形量，從而在根本上解決混凝土結構溫差收縮效應的求解問題，準確揭示了混凝土結構溫差收縮效應的發展規律，為結構設計以及施工時采取針對性控制措施提供依據。為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案一種混凝土結構溫差收縮效應的分析方法，包括建立欲分析混凝土結構的結構模型，在所述結構模型上劃分后澆帶，進行子結構設置；制定施工工期計劃，確定施工過程中每一所述子結構的施工工期，后澆帶合攏階段的施工工期和后期裝飾階段的施工工期；按所述施工工期計劃進行全過程的施工模擬，隨模擬的施工進度，基于所述結構模型逐步模擬所述混凝土結構的生成過程，同時結合所述混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量。進行子結構施工階段的施工模擬時，所述隨模擬的施工進度，基于所述結構模型逐步模擬所述混凝土結構的生成過程，同時結合所述混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量，具體包括步驟A、按照所述施工模擬的進度，在所述結、構模型上模擬生成第一子結構，所述第一子結構為按照模擬的施工進度正處于施工工期的子結構；步驟B、對模擬生成的第一子結構施加初始溫差，對所述結構模型中已生成的除所述第一子結構之外的子結構施加溫差增量，采用非線性有限元法計算每一所述子結構因環境溫差產生的結構內力及結構變形量，所述初始溫差為所述施工模擬進行到的當前施工工期內的最低溫度減去混凝土澆筑時溫度所得差值，所述溫差增量為當前施工工期內的最低溫度減去已完成的前一施工工期內的最低溫度所得差值；步驟C、考慮混凝土徐變、收縮效應，對計算出的所述結構內力和結構變形量進行修正，獲得考慮時間效應的溫差收縮作用結構內力及結構變形量；按照所述施工工期計劃，重復執行步驟A、B和C，直到完成所有所述子結構的施工模擬。進行后澆帶合攏階段的施工模擬時，所述隨模擬的施工進度，基于所述結構模型逐步模擬所述混凝土結構的生成過程，同時結合所述混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量，具體包括
在所述結構模型上進行后澆帶合攏的施工模擬，在所述結構模型上模擬生成后澆帶;對所述后澆帶施加初始溫差，對所述結構模型中已生成的子結構施加所述后澆帶合攏階段的溫差增量，采用非線性有限元法計算所述結構模型因環境溫差產生的結構內力及結構變形量；考慮混凝土徐變、收縮效應，對計算出的所述結構內力和結構變形量進行修正，獲得考慮時間效應的溫差收縮作用結構內力及結構變形量。進行所述后期裝飾階段的施工模擬時，所述隨模擬的施工進度，基于所述結構模型逐步模擬所述混凝土結構的生成過程，同時結合所述混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量，具體包括對所述結構模型的整體結構施加所述后期裝飾階段的溫差增量，采用非線性有限元法計算所述結構模型因環境溫差產生的結構內力及結構變形量；考慮混凝土徐變、收縮效應，對計算出的所述結構內力和結構變形量進行修正，獲得考慮時間效應的溫差收縮作用結構內力及結構變形量。計算因環境溫差產生的所述結構內力及結構變形量或者對計算出的所述結構內力和結構變形量進行修正時，采用有限剛度模擬地基或樁基對所述混凝土結構的基礎的約束作用，考慮所述基礎在地基土中的實際的平動和轉動，以及地基土對所述基礎的有限約束作用。進一步地，所述混凝土結構溫差收縮效應的方法，還包括根據計算出的所述溫差收縮效應累積引起的結構內力及結構變形量，找出在溫差收縮效應作用下所述結構模型中應力或變形相對較大的構件及所在區域。進一步地，所述混凝土結構溫差收縮效應的方法，還包括根據計算出的所述溫差收縮效應累積引起的結構內力及結構變形量，對所述施工模擬中引入的參數進行優化或者對所述施工工期計劃進行修改后，重新分析所述混凝土結構的溫差收縮效應。本發明中的混凝土結構溫差收縮效應的分析方法，按預先制定的施工工期計劃進行全過程的施工模擬，隨模擬的施工進度，逐步模擬混凝土結構的生成過程，同時結合結構生成過程采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量，可獲得混凝土結構施工過程任一時間點的結構內力和結構變形量，在根本上解決溫差收縮效應的求解問題，為混凝土結構的結構設計以及施工時采取針對性控制提供依據。本發明所述方法尤其對復雜超長的混凝土結構的工程設計和施工控制具有重要的實用價值和指導意義。
圖I為本發明實施例中混凝土結構溫差收縮效應的分析方法流程圖一；圖2本發明的實際工程應用案例-2層地下室后澆帶劃分的示意圖；
圖3為本發明實施例中子結構施工階段溫差收縮效應的分析方法流程圖；圖4為本發明實施例中混凝土結構溫差收縮效應的分析方法流程圖二。
具體實施例方式本發明實施例提供一種混凝土結構溫差收縮效應的分析方法，可獲得混凝土結構施工全過程任一時間點的溫差作用內力和變形量，為結構設計以及施工時采取針對性控制措施提供依據。下面結合附圖對本發明實施例進行詳細描述。此處所描述的具體實施方式
僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。實施例本發明實施例提供一種混凝土結構溫差收縮效應的分析方法，如圖I所示，該方法包括111、建立欲分析混凝土結構的結構模型，在結構模型上劃分后澆帶，進行子結構設置；在混凝土結構的施工過程中，由于缺少空調以及覆土、裝飾等有利條件，常會經歷最不利的溫差變化過程，因此在混凝土結構(尤其是超長復雜的混凝土結構)的設計施工中，后澆帶的設置及后澆、后合攏等措施十分必要。實際施工時后澆帶寬度一般取SOO^lOOOmm左右，后澆帶的設置位置及間距主要取決于兩方面一是工程所在地的溫差變化幅度，溫差變化幅度較大時可適當減小后澆帶的間距；二是工程的實際結構體型，后澆帶的設計及劃分要結合工程的實際結構體型，要注意考慮是否方便施工。完成后澆帶的設置后，根據各階段施工進度計劃，將混凝土結構劃分為相對獨立的多個子結構(或稱施工結構組)。子結構只是相對整體結構的一個表述，子結構的具體設置可結合具體分析對象的結構構成和施工過程進行，一般取分析對象中與施工階段相對應的自然構成部分，包括若干單元如梁、板、柱等，例如一層樓蓋結構即可認為是一個子結構。分析混凝土結構的溫差收縮效應時，將一個大型的復雜結構劃分為若干子結構，利用子結構對整體結構進行分析計算，可有效提高計算效率。具體實施時，結合各階段的施工進度建立該階段新生成的子結構及既有子結構(已生成的子結構)各自的剛度矩陣，將一個大型的復雜結構劃分為若干子結構，先分別確定各子結構的剛度矩陣，再將各子結構裝配成整體結構，最后確定整體結構的剛度矩陣。可選地，在混凝土樓蓋體系中，一層樓蓋結構即可認為是一個子結構。在后澆帶合攏前，各子結構在水平方向互不影響，獨立工作，而只在上下層間存在子結構的相互作用。本步驟中對需要進行溫差收縮效應分析的混凝土結構，建立結構模型，在結構模型上設置后澆帶，并將結構模型劃分為若干個子結構。如圖2所示，為本發明的一個具體實施例-2層地下室后澆帶劃分的示意圖。112、制定施工工期計劃，確定施工過程中每一子結構的施工工期、后澆帶合攏階段的施工工期和后期裝飾階段的施工工期；按施工順序，施工過程一般被依次劃分為子結構施工階段、后澆帶合攏階段和后期裝飾階段。子結構施工階段逐層形成建筑的主體結構，后澆帶合攏階段澆筑后澆帶形成整體結構，后期裝飾階段進行填土覆蓋、建筑外裝 飾和室內裝飾裝修等。所以，施工工期計劃一般包括子結構施工階段每一子結構的施工工期、后澆帶合攏階段的施工工期和后期裝飾階段的施工工期，施工工期計劃可根據工程項目的實際情況制定，施工工期一般以月為單位，亦可以天為單位，本實施例對此不加限定。例如，本發明的一個具體實施例共有2層地下室5層塔樓，假設從3月份開始施工，每兩個月完成一層地下室結構，一個月完成一層塔樓(共5層)，裝飾階段為半年，施工工期的大致計劃如下3、4月施工-2層地下室；5、6月施工-I層地下室，-2層地下室后澆帶合攏；7月施工I層塔樓，-I層地下室后澆帶合攏；8月 11月施工2 5層塔樓；12月 次年5月后期裝飾。113、按施工工期計劃進行全過程的施工模擬，隨模擬的施工進度，基于結構模型逐步模擬混凝土結構的生成過程，同時結合混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量。本步驟中，按112中確定的施工工期計劃進行全過程的施工模擬，隨施工進度，在結構模型上逐步生成子結構和后澆帶，導入子結構或后澆帶的結構信息、施工信息等，具體包括子結構中單元的屬性、荷載信息、材料屬性、約束條件及時隨參數等，結構模型逐步細化為接近實體的實體模型；在進行結構生成過程模擬的同時，并行計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量。本實施例所述混凝土結構溫差收縮效應的分析方法，按預先制定的施工工期計劃進行全過程的施工模擬，隨模擬的施工進度，逐步模擬混凝土結構的生成過程，同時結合結構生成過程采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量，可獲得混凝土結構施工過程任一時間點的結構內力和結構變形量，在根本上解決溫差收縮效應的求解問題，為混凝土結構的結構設計以及施工時采取針對性控制提供依據。本發明所述方法尤其對復雜超長的混凝土結構的工程設計和施工控制具有重要的實用價值和指導意義。具體地，步驟113所示的施工模擬以及溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量的具體計算過程如下所述。如圖3所示，進行子結構施工階段的施工模擬時，步驟113具體包括A、按照施工模擬的進度，在結構模型上模擬生成第一子結構，所述第一子結構為按照模擬的施工進度正處于施工工期的子結構；B、對模擬生成的第一子結構施加初始溫差，對結構模型中已生成的除第一子結構之外的子結構施加溫差增量，采用非線性有限元法計算每一子結構因環境溫差產生的結構內力及結構變形量，初始溫差為施工模擬進行到的當前施工工期內的最低溫度減去混凝土澆筑時溫度所得差值，溫差增量為當前施工工期內的最低溫度減去已完成施工模擬的前一施工工期內的最低溫度所得差值；與建筑的長期使用階段相比，混凝土結構從開始施工至裝飾期內溫差變化幅度更大，整體結構溫差收縮效應通常最為不利。從施工開始算起，混凝土結構的溫差取值主要分為升溫溫差(正溫差)及降溫溫差(負溫差)兩種。正溫差作用下混凝土結構的膨脹變形與混凝土材料的收縮變形可部分相抵，而負溫差作用下混凝土結構的收縮變形趨勢則與混凝土材料的收縮變形一致，二者疊加對混凝土縮裂變形及受拉應力水平的控制更加不利。因此，混凝土結構溫差效應分析時主要考慮施工全過程所經歷的最不利負溫差工況。 所以，步驟B中的初始溫差和溫差增量也考慮各子結構所經歷的最不利負溫差，具體實施中先根據混凝土結構所在地氣溫的統計材料確定各施工工期內的最低溫度，再計算初始溫差和溫差增量。第一子結構施工工期內的最低溫度減去第一子結構澆筑時溫度所得差值即為對第一子結構施加的初始溫差，此處所述澆筑時溫度指在第一子結構的施工模擬時導入的混凝土澆筑時的環境溫度。第一子結構施工工期內的最低溫度減去已完成施工模擬的，前一子結構施工工期內的最低溫度所得差值，即為對除第一子結構之外的其余子結構施加的溫差增量。C、考慮混凝土徐變、收縮效應，對計算出的結構內力和結構變形量進行修正，獲得考慮時間效應的溫差收縮作用結構內力及結構變形量；按照施工工期計劃，重復執行步驟A、B和C，直到完成所有子結構的施工模擬。下面對步驟B和C中采用非線性有限元法計算溫差收縮效應下的結構內力及結構變形量的具體計算過程進行詳細敘述。一個具體的實施例中，結構模型被劃分為i個子結構，按施工順序這些子結構依次命名為子結構1，子結構2，子結構3，...子結構i，施工模擬包括i+Ι個結構施工階段和I個后期裝飾階段，溫差收縮效應分析方法的具體流程如圖4所示。為便于理解，先對施工模擬中第一個生成的子結構(子結構I)進行計算，從時刻h開始到時刻h結束在初始溫差AT11作用下，子結構I中的單元(可為桿單元或平面單元)
節點初始應變為。子結構中包括若干構件如梁、板、柱等，這些構件通稱單元。以空間
桿單元為例，忽略桿件截面橫向溫度變形及剪切變形，桿單元有沿軸向的初應變εο =α,ΔΤ; _____ ( I )式中ATu為子結構i在時段j內的溫差，α。為混凝土線膨脹系數。AT11為子結構I在時段I內(時刻h到時刻ti)的溫差，可選地，AT11可代入子結構I的初始溫差值。設單元應力-應變關系矩陣[D]，則單元考慮初應變時的實際應變-應力關系的有限元格式為
{σζ=[ φ…(2)上式中G為單元初始應力向量，{ε 為單元初始應變向量，。為單元初應
變向量。引入單位虛功向量，則單元內力虛功的積分表達式為I §r {o)dV = I §Γ [D]{e}l dV-j {ε}Γ [D] {￡ }；； dv ----- (3)(3)式的實際積分形式可根據單元的外形(桿、殼、實體)有所變化。設單元應變矩陣為為單元虛位移向量，{5}；o為t(l時刻單元位移向量，則 有砰=[叫可{< }:-…⑷代入(3)式可得J 釬{σ}:，, = !}# [坪網_印。狀—J1 同—— (5)={df ([Kj {5}[-[Lj {ε0})上式中，[K]e=/ [[B]T[D] [B]dV, [L]e= f [[B]T[D]dV。集合整體坐標下整體結構(該階段已生成的所有結構)的總的內力虛功表達式為Wll； ={可([人 11 ,-[/-]{￡(,},)----- ( 6 )只考慮溫差效應而無外荷載作用時，外荷載所做總的虛功為零，所以可建立子結構I內、外力總虛功的平衡方程『％ =0，且計及@1*0，則有[K]{5}to =[L]{e0}tg…--(7)由上式可求解整體結構整體坐標下的位移向量{5} η，進而得到因環境溫差產生的
結構內力及結構變形量，即各單元節點初始溫差變形，及初始溫差內力丨FVs。
1 ,h ( h0然后考慮混凝土徐變、收縮效應(長期效應)，對計算出的結構內力和結構變形量進行修正，以獲得考慮時間效應的溫差收縮作用結構內力及結構變形量。為簡化表達，計算混凝土徐變效應的初始加載齡期及混凝土收縮應變初始計算齡期均取為由初始溫差作用下初始應變ε (tj、初始應力σ Uci),考慮時刻h到時刻h階段內混凝土徐變、收縮效應產生的應變增量Λ應力增量Λ ocs(tl)建立關系表達式如下
權利要求
1.一種混凝土結構溫差收縮效應的分析方法，其特征在于，包括 建立欲分析混凝土結構的結構模型，在所述結構模型上劃分后澆帶，進行子結構設置； 制定施工工期計劃，確定施工過程中每一所述子結構的施工工期，后澆帶合攏階段的施工工期和后期裝飾階段的施工工期； 按所述施工工期計劃進行全過程的施工模擬，隨模擬的施工進度，基于所述結構模型逐步模擬所述混凝土結構的生成過程，同時結合所述混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，進行子結構施工階段的施工模擬時，所述隨模擬的施工進度，基于所述結構模型逐步模擬所述混凝土結構的生成過程，同時結合所述混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量，具體包括 步驟A、按照所述施工模擬的進度，在所述結構模型上模擬生成第一子結構，所述第一子結構為按照模擬的施工進度正處于施工工期的子結構； 步驟B、對模擬生成的第一子結構施加初始溫差，對所述結構模型中已生成的除所述第一子結構之外的子結構施加溫差增量，采用非線性有限元法計算每一所述子結構因環境溫差產生的結構內力及結構變形量，所述初始溫差為所述施工模擬進行到的當前施工工期內的最低溫度減去混凝土澆筑時溫度所得差值，所述溫差增量為當前施工工期內的最低溫度減去已完成的前一施工工期內的最低溫度所得差值； 步驟C、考慮混凝土徐變、收縮效應，對計算出的所述結構內力和結構變形量進行修正，獲得考慮時間效應的溫差收縮作用結構內力及結構變形量； 按照所述施工工期計劃，重復執行步驟A、B和C，直到完成所有所述子結構的施工模擬。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，進行后澆帶合攏階段的施工模擬時，所述隨模擬的施工進度，基于所述結構模型逐步模擬所述混凝土結構的生成過程，同時結合所述混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量，具體包括 在所述結構模型上進行后澆帶合攏的施工模擬，在所述結構模型上模擬生成后澆帶； 對所述后澆帶施加初始溫差，對所述結構模型中已生成的子結構施加所述后澆帶合攏階段的溫差增量，采用非線性有限元法計算所述結構模型因環境溫差產生的結構內力及結構變形量； 考慮混凝土徐變、收縮效應，對計算出的所述結構內力和結構變形量進行修正，獲得考慮時間效應的溫差收縮作用結構內力及結構變形量。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，進行所述后期裝飾階段的施工模擬時，所述隨模擬的施工進度，基于所述結構模型逐步模擬所述混凝土結構的生成過程，同時結合所述混凝土結構的生成過程，采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量，具體包括 對所述結構模型的整體結構施加所述后期裝飾階段的溫差增量，采用非線性有限元法計算所述結構模型因環境溫差產生的結構內力及結構變形量；考慮混凝土徐變、收縮效應，對計算出的所述結構內力和結構變形量進行修正，獲得考慮時間效應的溫差收縮作用結構內力及結構變形量。
5.根據權利要求2-4任一項所述的方法，其特征在于，所述計算因環境溫差產生的結構內力及結構變形量或者對計算出的所述結構內力和結構變形量進行修正時，采用有限剛度模擬地基或樁基對所述混凝土結構的基礎的約束作用，考慮所述基礎在地基土中的實際的平動和轉動，以及地基土對所述基礎的有限約束作用。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，還包括 根據計算出的所述溫差收縮效應累積引起的結構內力及結構變形量，找出在溫差收縮效應作用下所述結構模型中應力或變形相對較大的構件及所在區域。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括 根據計算出的所述溫差收縮效應累積引起的結構內力及結構變形量，對所述施工模擬中引入的參數進行優化或者對所述施工工期計劃進行修改后，重新分析所述混凝土結構的溫差收縮效應。
全文摘要
本發明公開了一種混凝土結構溫差收縮效應的分析方法，涉及結構工程技術領域，可獲得混凝土結構在施工過程以及竣工驗收后使用過程中任一時間點的溫差作用內力和變形量，為結構設計以及施工時采取針對性控制措施提供依據。本發明所述方法，包括建立混凝土結構的結構模型，在結構模型上劃分后澆帶，進行子結構設置；制定施工工期計劃；按施工工期計劃進行全過程的施工模擬，隨模擬的施工進度，基于結構模型逐步模擬混凝土結構的生成過程，同時結合混凝土結構的生成過程采用考慮時間效應的非線性有限元法計算溫差收縮效應累積引起的結構內力和結構變形量。
文檔編號G06F17/50GK102663213SQ201210140238
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月8日 優先權日2012年5月8日
發明者傅學怡, 吳兵, 孫璨 申請人:中建國際(深圳)設計顧問有限公司