超长混凝土结构温差变形多因素影响分析

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张　韧１，　郭海浩，　吴腾飞，　鲁　璐

（）合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥　２中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽合肥　２１．３０００９；２．３００１１

摘　要：为了研究各因素对超长混凝土结构变形的影响，提出了以正交试验为基础的多因素敏感性分析方法，得出了温度作用影响超长混凝土结构边柱柱顶位移敏感性大小的先后顺序：温降、跨数、柱截面、板厚、梁截面、剪力墙厚、混凝土强度，其中温降及跨为超长结构的设计施工提供依据，供业内人士参考。数的影响较为显著。通过有限元及正交试验分析温度变形，关键词：超长混凝土结构；温度变形；正交试验；敏感性分析

（）中图分类号：ＴＵ３７５．４　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７３５７８１２０１８０２０２５８０３　－－－０　引　　言

近几年，我国经济快速发展，出现了一大批超长、超限的建筑物。为了满足建筑的使用功能及结构上的完整性，这些建筑通常减少伸缩缝数量甚至不设伸缩缝，以致其因温度变化及混凝土收缩引起的温度效是引起结构温度裂缝及侧向变形的主要应非常显著，

原因，因此在设计中考虑温度作用是必要的。

温度效应的影响因素复杂多变，要准确地进行定量分析，并应用于设计是不现实的。但是研究不同因对超长结构温度作用的影响因素进素在不同条件下，

行敏感性分析，对于超长结构的优化设计不仅是必要而且势在必行。的，

本文以合肥火车站站前地下广场为例，利用有限总结了结构在整体元软件ＳＡＰ２０００进行模拟分析，降温作用下的变形规律。并且利用正交试验方法，建立标准模型对超长结构竖向构件的侧移在温度作用下影响因素的敏感性进行分析，供业内人士深入研究。

主要研究超长结构在整体降温工况下结构整体的变形及竖向结构的内力分布情况。

图１　站前地下广场平面布置图

２　温度效应特征分析

在整体降温作用下，由有限元分析计算，结构的整体变形如图２所示。

１　计算模型

以合肥火车站站前地下广场为计算模型，如图１所示。本工程总长２宽１为全地下结构，共９２ｍ，６８ｍ，两层，局部为地下一层，层高约５．主要柱距为４ｍ，未设置伸缩缝。８．４ｍ。因建筑功能要求，

框架柱、框架梁采用框架单元建立，楼板、剪力墙

１］

。由于该工程是在夏季施工，采用壳单元建立［所以

图２　结构整体变形图

（）在整体降温作用下，复杂超长地下混凝土结１

“变形不动构的温度变形规律为中心区域变形最小，

［２］

点”实际上是一片区域，并且偏向结构抗侧刚度较

强的一侧，随着与“变形不动区域”距离的增加，变形不断增大，在西侧无梁楼盖结构的端部出现最大变形。并且在结构为多层结构的东部，顶层的变形最大

；收稿日期：修改日期：２０１８０３１３２０１８０４０２－－－－，作者简介：张　韧（男，安徽阜阳人，合肥工业大学硕士研究生．１９９３－）２５８　

《工程与建设》０１８年第３２卷第２期　２

建张　韧：超长混凝土结构温差变形多因素影响分析但是底层层间位移比远大于顶层。

）（在整体降温作用下，结构竖向构件的剪力２

随着与及弯矩在结构变形较小的中心区域最小，“变形不动区域”距离的增加，内力值不断增大。在结构层数改变的区域，单层结构中柱的内力要大于多层结构，对于多层结构，底层结构柱的内力大于顶层。

筑材料——２５９ＪＩＡＮＺＨ　ＵＣＡＩＬＡＯ　　　　　　　　　　　对各因素进行敏感性排序或找对结果进行分析计算，

到最优组合。相比全面试验（对全部因素各水平的所大大减少试验次数的同时保证了有组合均进行试验）

３］

。试验的均匀分散性和整齐可比性是其最大优势［

３．１　正交试验设计

在此次正交试验中，超长地下结构边跨中柱在温度作用下的柱顶位移为试验指标，选取柱截面、梁截面、板厚、剪力墙厚、跨数、混凝土强度及温降等７个影响因素。各因素的水平参数取值范围按照合肥火分别向上、下各取两个车站地下广场结构经验确定，

数值概化为高、中、低３个因素水平。正交试验参数表如表１所示。

水平

３　温度效应影响因素正交分析

正交试验是一种高效处理多因素多水平的试验方法，以概率论、数理统计和实践经验，在为基础，利用正交试验表确定实验方案，并采用极差法或方差法

表１　正交试验参数表

因素１　２　３　

柱截面Ａｃ

／ｍｍ７００×７００　８００×８００　９００×９００　

梁截面Ａｂ

／ｍｍ７００×８００　７００×１０００　７００×１２００　

板厚ｈ／ｍｍ３５０　４００　４５０　

剪力墙厚ｂ／ｍｍ４００　４５０　５００　

混凝土强度ｆｃ

２）／（／Ｎｍｍ

跨数温降Ｃ／℃１０１５２０

ｎ１０　１２　１４　

１６．７　１９．１　２１．１　

选取Ｌ　　本次正交试验涉及７个３水平因素，１８

７（）正交表，需要进行１试验用正交表由３８次试验，

［］

ＳＰＳＳ软件生成４。根据正交表确定每个试验号的方案，建立模型，第１组试验有限元模型如图３所示，然后对每个模型进行有限元分析计算，得到其试验指标：边跨中柱的柱顶位移值。

其中，ａ为正交试验的次数ｎ与因素水平数ｑ的比值。

自由度＝因素水平数－１均方差＝

离差平方和

自由度

Ｆ值＝

因素均方差显著性是根据选择的置信度

误差均方差

α的大小及因素自由度ｆ１和误差自由度ｆ０三个变量，将计算所得Ｆ值与查表所得Ｆ值比较大小，若计说明该因素在算所得Ｆ值大于查表所得的Ｆ值时，

所选择的显著性水平上，该因素对试验指标的影响是

图３　第１组试验有限元模型

显著的。

３．２　计算结果与分析

７

），根据７因素３水平正交试验表Ｌ按照表３１８（

正交试验分析方法分为极差法和方差法，极差法可以粗略的将所有考查的因素进行又称直观分析法，

主次排序。方差法在极差法的基础上，将各因素平方和中最小的一个作为误差列，提升了精度的同时可以

５］

。分析各因素对试验的影响是否显著［

通过有限元软件对标准模型进行了有限元１的参数，

计算结果如表２所示，通过Ｓ分析，ＰＳＳ软件对计算结果进行方差分析如表３所示。

敏感性分析结果为温降、跨数、柱截面、板厚、梁截面、剪力墙厚、混凝土强度依次递减。温降、跨数Ｆ值大于９．这些因素对边跨中柱柱顶位移影响显５５，著，其余因素无显著影响。通过上述分析可以得出以下结论：

（敏感性由大到小为：温降、跨数、柱截面、板１）

厚、梁截面、剪力墙厚、混凝土强度。

《工程与建设》０１８年第３２卷第２期　２

２５９　

方差法的计算方法为：首先求得因素在各水平下试验指标结果的平均值Ｋｉ。总离差平方和ＱＴ：１（）ｘ１（ｉ）∑ｎｉ＝１ｉ＝１

其中，ｘｎ为正交试验的次数。ｉ为正交实验结果，

因素离差平方和Ｑ：

ｍｎ２

ＱＴ＝

∑Ｘｑ２ｉ－

２１１２

Ｑ＝∑Ｋｉｘ－（ｉ）∑ａｉ＝１ｎｉ＝１

ｎ（）２

建筑材料张　韧：超长混凝土结构温差变形多因素影响分析避免在当地最高气温月份封闭后浇带可以有情况下，

效降低结构的温度变形。

—２—６０ＪＩＡＮＺＨ　ＵＣＡＩＬＡＯ　　　　　　　　　　　（）温度变化及结构总长度是影响温度变形的最２

重要参数，其参数变化对边柱的柱顶位移影响最大。

（）在超长结构设计施工中，在满足施工要求的３

表２　正交试验计算结果

试验号１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　１１　１２　１３　１４　１５　１６　１７　１８　

／Ａｍｍ　ｃ７００×７００　７００×７００　７００×７００　７００×７００　７００×７００　７００×７００　８００×８００　８００×８００　８００×８００　８００×８００　８００×８００　８００×８００　９００×９００　９００×９００　９００×９００　９００×９００　９００×９００　９００×９００　

／Ａｍｍ　ｂ７００×８００　７００×８００　７００×１０００　７００×１０００　７００×１２００　７００×１２００　７００×８００　７００×８００　７００×１０００　７００×１０００　７００×１２００　７００×１２００　７００×８００　７００×８００　７００×１０００　７００×１０００　７００×１２００　７００×１２００　

／ｈｍｍ　３５０　４００　３５０　４５０　４００　４５０　３５０　４５０　４００　４５０　３５０　４００　４００　４５０　３５０　４００　３５０　４５０　

／ｂｍｍ　４００　５００　４５０　４００　４５０　５００　４５０　４００　５００　４５０　５００　４００　４５０　５００　５００　４００　４００　４５０　

／（／ｆＮｍｍ－２）ｃ

１６．７　２１．１　１９．１　１９．１　２１．１　１６．７　１６．７　２１．１　１６．７　２１．１　１９．１　１９．１　１９．１　１９．１　２１．１　１６．７　２１．１　１６．７　

ｎ　

１０　１４　１４　１２　１２　１０　１２　１４　１２　１０　１４　１０　１０　１２　１０　１４　１２　１４　

／℃Ｃ１０　２０　１５　２０　１０　１５　２０　１５　１５　１０　１０　２０　１５　１０　２０　１０　１５　２０　

／ｍｍΔｘ３．５７６０９．５８９０７．２１０６８．５４２４４．２２１３５．３５９６８．２５８７７．２３２６６．１９１５３．５５９４４．６８３７７．１４１１５．２４２５４．０９１８６．８９２８４．６８８４６．１２２３９．３７６１

表３　柱顶位移方差分析

Ⅲ型平方和

模型柱截面梁截面板厚剪力墙厚混凝土强度

跨数温降误差总计

７５９．５５３ａ．３７９　．１１３　．１８３　．０９４　．０４５　１０．１０２　５１．９９８　０．２５９　７５９．８１２　

自由度１５　２２２２２２　２　３　１８

均方５０．６３７　．１９０　．０５６．０９２　．０４７．０２３５．０５１　２５．９９９　０．０８６

Ｆ　

５８６．２２３　２．１９５．６５４１．０６２．５４３．２６２５８．４７８３００．９９２

Ｐ０．０００．２５９．５８１．４４８．６２９．７８５．００４．０００

４　结　　论

采用模型分析或工程实例调查来研究超长结构温度作用影响因素的敏感性工作量较大不易完成，本文通过有限元分析计算并且通过正交分析法运用概率统计的原理进行分析，工作量小且易于完成，是一种方便可行的分析方法。通过正交分析得出超长结构对温度影响敏感的因素由大到小为：温降、跨数、柱截面、板厚、梁截面、剪力墙厚、混凝土强度。温度变化及结构总长度是影响温度变形的最重要参数，避免在气温最高月份封闭后浇带可以将温度作用引起的不利影响降低至最低。

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