淺論地下室墻板環(huán)境溫度應力有限元分析論文
摘要：建立地下室墻板有限元模型，并且地下室外墻四周和底板底部受到土壤的彈性約束，研究了在氣候變化下地下室外墻和底板引起的溫度應力。通過有限元分析，繪制出氣候變化過程中溫度應力的分布情況，以及定性的總結出溫度應力隨墻體長度和底板厚度變化的規(guī)律。
關鍵詞：地下室；有限元分析；彈性約束；溫度應力
1 概述
本文通過用有限元程序對墻板的環(huán)境溫度效應進行線彈性分析，計算在最不利溫差下的墻板溫度效應。施加溫度時暫不考慮混凝土的干縮對地下室墻板產(chǎn)生的收縮應力的影響，只考慮氣溫驟降情況下產(chǎn)生的室內外最不利溫差時墻板產(chǎn)生的溫度應力。并通過有限元分析得出了墻板環(huán)境溫度應力的變化規(guī)律。
2 基本假定
由于混凝土變形問題的復雜性，完全模擬真實的情況是不可能的，因此在誤差允許的范圍內對真實的情況進行適當?shù)暮喕驮O置合理的假設條件，并在其基礎上求解，得到在簡化狀態(tài)下的近似解答。
2.1 在研究中認為墻體混凝土已經(jīng)“成熟”，彈性模量不再隨時間而變化，同時混凝土強度也已達到設計強度，材料的特性不隨溫度而改變；同時認為結構地基已穩(wěn)定，不出現(xiàn)不均勻的沉降；墻體上除有“溫度荷載”（環(huán)境溫度變化）作用外不存在混凝土收縮當量溫差。
2.2 本文所研究墻體所處的具體工況為：內、外墻面無粉刷、無保溫層；墻外為自然通風狀態(tài)，墻內無任何調溫設備。
2.3 疊加原理仍然有效，材料遵循虎克定律。認為溫度變形很小，結構構件仍處于彈性階段，可應用疊加原理。
3 基本參數(shù)
混凝土配合比不同，其熱力學性能也不同。本文中采用C40混凝土，混凝土抗拉強度標準值為ftk=2.39N/mm2�；炷翢崤蛎浵禂�(shù)為1×10-5/℃，比熱0.97kJ/kg℃，導熱系數(shù)192kJ/(m.d.℃)，導溫系數(shù)0.0034m2/d，密度2400kg/m3，泊松比0.2，彈性模量3.25×104N/mm2；土壤的比熱1.01kJ/kg℃，導熱系數(shù)80.35kJ/（m.d.℃），密度1800kg/m3，泊松比0.35，彈性模量30N/mm2。
4 溫度應力仿真分析
4.1 實體模型的建立。計算模型可按對稱約束條件選取，將基礎底板和側墻沿對稱線截斷，選取1/2基礎底板和側墻進行應力分析。規(guī)定沿墻體長度方向為x軸，沿墻體高度方向為Y軸，沿墻體寬度方向為z軸，基礎底板尺寸取30m×1m×6m，橫墻尺寸為30m×3.2m×0.4m，頂板尺寸為30m×0.2m×6m，縱墻尺寸為0.4m×3.2m×5.6m。
土體部分的尺寸按照《建筑地基基礎設計規(guī)范》要求土體厚度至少是上部結構的3倍以上，故土質地基厚度取10m，力的擴散范圍呈45°，故土質地基沿墻體長度上延展20m。
4.2 邊界約束和溫度作用。在完全自由的狀態(tài)下，收縮只引起體積的減小，不會產(chǎn)生內力。而實際上，當產(chǎn)生變形時，不同結構之間、結構各質點間，都可能產(chǎn)生相互影響及牽制，這種現(xiàn)象稱為“約束”，結構不可能完全自由，也不會受到完全約束，多處在兩者之間，即為“彈性約束”。地下室底板澆注在地基上，地基和底板之間有粘結、摩擦作用。當?shù)装灏l(fā)生溫度變形時，底板和地基之間將產(chǎn)相對運動，但由于粘結作用和摩擦作用的存在，地基將阻止底板的相對運動，在地基與底板接觸面上必然會產(chǎn)生剪應力，這個剪應力就是地基對底板的彈性約束作用。
墻板采用C40混凝土，在地下室外墻四周和底板底部與土質地基彈性接觸。土壤的密度為1800kg/m3，彈性模量為30Mp，泊松比為0.35 ，土壤與墻板間的摩擦系數(shù)取0.4。
計算將采用熱一結構間接耦合的方式，即給墻體內外表面各一個溫度，先用熱分析來求得墻身內的溫度分布，然后改為結構分析，并將熱分析得到的溫度分布作為加載，最終得到應力計算結果。
計算時選用的是ANSYS單元庫中的SOLID65和SOLID45單元。SOLID65單元為三維8節(jié)點的實體單元，在每個節(jié)點上只有一個自由度-溫度，它可用于熱分析，并在熱一結構耦合分析時可以自動轉化為SOLID45單元。
為了簡化計算忽略地下室內部柱子的影響，用豎向均布荷載代替柱子傳給底板的豎向壓力，本文取沈陽某20層高的住宅樓為研究背景，按每層12kN/m2計算，底板所受的均布荷載取2.4×105Pa。假設室外氣溫驟降至-30℃，室內氣溫5℃。由于覆土的存在將改變墻體內的溫度分布，因此在熱分析時需將土體和墻體一起建模分析。加載后土體上表面為室外溫度-30℃，而地下墻體、頂板內表面5℃，地下底板上下表面的溫度均為5℃，去地基土恒溫5℃。
4.3 計算結果分析。分析60米長地下室，模型截取板和墻體整體的1/2。在彈性約束下應力的計算結果。
5 結論
5.1 應力σx沿墻長均呈對稱分布，越接近中央截面值越大，但變化趨勢也越趨緩慢，事實上計算發(fā)現(xiàn)截面內存在的主要是沿墻長方向的拉應力，σmax在3.82MPa左右。
5.2 應力σx等值線呈圈狀分布，由于側墻受到基礎底板的約束作用，最大應力出現(xiàn)在墻體中央截面并在側墻與基礎底板的交接處。
5.3 沿側墻高度方向，隨著墻體高度增加，應力逐漸減小，墻體與基礎底板截面中心交接處應力變化明顯，墻體頂部應力變化不大。沿墻體高度方向從底部到頂部應力梯度逐漸減小。
5.4 沿側墻長度方向，從墻體中段到墻體兩端，應力的變化梯度逐漸減小。若以中央截面為圓點應力變化主要集中在整體長度的2/5之前。
5.5 底板中心向四周應力梯度逐漸減小。
參考文獻：
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沈陽市建設標準 SYJG 2007-1 超長地下室混凝土結構防裂技術規(guī)定[S].沈陽：沈陽市城鄉(xiāng)建設委員會, 2007.
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