某工程温度应力与楼板应力分析

某工程温度应力与楼板应力分析

刘佳琦

（中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063）

摘要：本工程高度为45.25m，存在多项不规则。本文主要针对其平面凸凹偏大、楼板局部不连续，采用YJK软件进行了温度应力分析和楼板应力分析。根据以上分析结果，以包络设计的理念，对关键构件进行设计，以确保项目安全度。

关键词： 超限结构；温度应力分析；楼板应力分析

中图分类号：TU318+.2         文献标志码：A文章编号：

第一作者：刘佳琦，本科，工程师，主要从事结构设计与研究工作，Email：ljq6jia7@126.com。

1 工程概况

本工程位于上海市，为综合性养老社区，建筑物功能为“社区医院”。社区医院为高层建筑，地下一层，地上11层（局部5层）。建筑物总高度45.25m。地下室层高5.7m，一~二层层高5.0m，三层以上层高均为3.9m。

地下室平面呈矩形，外围尺寸为72.9×83.7m；六层以下平面呈槽形，外围尺寸为59.7×83.7m；六层以上平面呈L形，外围尺寸为59.7×59.9m；标准柱网3.2m~8.0m×8.1m。

2 结构体系

本工程主体结构采用钢框架结构，抗震等级一般为三级（重点设防类），嵌固端为地下室顶板。

钢柱一般采用矩形截面，钢梁一般采用工字型截面，截面板件宽厚比等级S3，钢材材质Q355B。楼板一般采用压型钢板组合楼板，厚度不小于130mm。

平面凹进或凸出部位、楼板大开洞部位和体型收进部位及其上、下层的相应位置采用钢筋桁架楼层板，厚度不小于150mm。

4~6层连廊位置，两边设钢梁，楼板采用钢筋桁架楼层板，厚度不小于130mm，两端采用可动铰支座与钢柱连接，抗震缝宽度取200mm，支座允许滑移量取150mm。

3 超限判别

社区医院一般不规则和特别不规则情况的判别，社区医院存在平面凸凹偏大（七~屋面层平面图中凸出长度与相应总尺寸之比为67%）、有效楼板宽度偏窄（四~六层楼面F~G轴结构采用连廊做法，形成楼板大开洞）2项特别不规则，为超限高层建筑。

4 YJK 温度应力分析

采用YJK软件对于社区医院全楼，进行温度荷载计算。并对重点部位，3F层（平面收进）及其相邻层（2F、4F层），6F层（平面收进）及其相邻层（5F、7F层），以及屋面层进行了温度作用分析时。

 计算时，将地上所有楼板的属性设置为全楼弹性膜；弹性板荷载计算方式按有限元计算；不采用强制刚性楼板假定；全楼升温、降温度荷载按±25℃考虑；温度应力分析采用整体温差计算，且暂不考虑屋面覆土的有利影响。

4.1混凝土楼板温度应力分析

分析结果表明，在升温25℃单工况作用下，下部楼层的楼板应力大于上部楼层，每层温度拉应力的分布，从楼层中间部位向四周逐渐减小，拉应力较大处主要位于楼层内的折角部位、梁格内楼板角部位置、楼板开洞尤其开洞角部位置。

在降温作用的工况下，楼板拉应力均普遍小于1Mpa，小于混凝土的抗拉强度设计值2.01Mpa。局部应力较大区域可采用设置后浇带、加密钢筋配置、双层双向拉通等技术措施来减少温度应力对楼盖的影响。

4.2温度效应对钢梁、柱内力的影响

分析结果表明，在升（降）温25℃单工况作用下，温度荷载会在钢梁、柱的内部产生相应的内力。经复核，均在允许的合理范围内，能够满足承载力要求。以下表格，为在升（降）温25℃单工况作用下，温度效应对主要构件（截面）内力的最大影响。

表1  温度效应在钢梁、柱内产生的最大内力

    根据以上计算结果分析，发现温度效应对钢梁、柱对低楼层的影响大于高楼层。除二层端头钢柱和转角柱，在单工况温度荷载作用下，产生的弯曲应力比为0.19和0.07外，其余温度荷载对应力比的影响均小于0.05，可见温度荷载对本结构的影响较小。

5 YJK楼板应力分析

采用YJK软件对对于社区医院3F层（平面收进）及其相邻层（2F、4F），6F层（平面收进）及其相邻层（5F、7F），以及屋面层在地震作用下的楼板应力进行分析，楼板按1m x 1m划分，按全楼弹性板6，楼板分析模型中各构件间的自由度耦合的，梁构件重新划分单元后以刚度形式参与分析：

1）在多遇地震作用下，按裂缝控制等级二级，采用混凝土抗拉强度标准值作为控制连接板混凝土核心层开裂的指标，主拉应力标准值要满足：

σ1k≤ftk

ftk为混凝土抗拉强度（C30）标准值，ftk=2.01MPa

2）在设防地震（中震）作用下，采用水平钢筋的屈服强度标准值作为楼板承载能力标准。即满足：

σ1k≤fyk As / ГRE hs

 σ1k为设防抗震作用下楼板主拉应力标准值，按1.0恒载+0.5活载+1.0单方向地震力标准组合计算。fyk为钢筋屈服强度标准值，HRB 400级钢，fyk取为400N/mm2，As表示在间距s范围内的上下层钢筋层截面积；h表示连接板厚；ГRE =0.85为承载力抗震调整系数。

5.1小震下楼板应力分析

表2  多遇地震作用下 楼板主拉应力

95%范围内楼板主拉应力最大值，均小于混凝土轴心抗拉强度标准值。从图中可以看出，楼板主拉应力在绝大多数范围内都较小。

仅在部分单元形状突变处应力集中。5F、6F层局部最大主拉应力S1大于混凝土轴心抗拉强度，但主要集中在钢框架柱截面附近，不会引起混凝土楼板开裂。

因此，可以认为本工程该层楼板在多遇地震作用下保持弹性。

图1多遇地震作用下6F层楼板面内主应力S1

5.2中震下楼板应力分析

为保证中震下，各层楼板钢筋不屈服，应保证此时钢筋应力水平低于钢筋屈服强度标准值，而这可以通过楼板主拉应力和钢筋抗拉强度反算钢筋面积的方式，予以保证。

根据计算，各层楼板在1.0恒载+0.5活载+1.0X向地震，以及1.0恒载+0.5活载+1.0Y向地震标准组合下，各层楼板的面内主应力云图，如下图所示。

图2 设防地震作用下6F层楼板面内主应力

从上述图中，可以看出，在中震作用下，绝大部分的楼板主拉应力，均小于混凝土抗拉强度标准值。仅局部区域，楼板主拉应力较大。

当楼板采用板式模型进行分析，如果此时顶板采用双层双向配筋相同的方式进行配筋时，根据中震下板主拉应力可以利用公式σ1k≤fyk As / ГRE hs，得到楼板上下层水平钢筋的面积As。式中，

σ1k为有地震作用效应组合时板在中震作用下的主拉应力标准值；

fyk为钢筋屈服强度标准值

As为上下层水平钢筋面积

ГRE为承载力抗震调整系数

h为板厚

s为水平钢筋间距

对楼板主拉应力较大区域，可根据上述公式，计算出楼板的配筋面积As。

表3  应力集中区域 95%范围内楼板主拉应力

根据上表中的楼板主拉应力，可计算出楼板的配筋面积As（楼板配筋计算结果），须对这些区域的楼板配筋进行加强处理。

6总结

温度应力分析结果显示，其荷载组合对结构产生的内力较小。可采取设置后浇带，局部增加配筋、加强养护等措施，来消除其不利影响。

楼板应力分析的结果显示，凸凹部位、楼板大开洞部位和六层楼面体型收进部位，为薄弱部位，须对楼板厚度及配筋采取加强措施。

平面凹进或凸出部位采用钢筋桁架楼层板，厚度不小于130mm，配筋双层双向，楼板大开洞部位的上下层及楼面体型收进部位的厚度不小于150mm。在多遇地震作用下，控制楼板主拉应力不大于混凝土抗拉强度标准值；在设防地震作用下，组合竖向荷载，确保楼板钢筋不屈服。

四~六层楼面F~G轴楼板宽度仅3.8m，采取抗震加强措施，连廊楼板加厚至150mm。

采取加强措施后，该结构设计是安全的。

参  考  文  献

[1] 建筑抗震设计标准：DG/TJ 08-9-2023[S].上海：同济大学出版社，2023.

[2] 建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则：沪建管[2014]954号[A].上海：上海市城乡建设和管理委员会，2014.

[4] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点：建质[2015]67号[A].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2015.

[5] 扶长生，刘春明，李永双，等．高层建筑薄弱连接混凝土楼板应力分析及抗震设计[J]．建筑结构，2008，38(3)：106-110，37.

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