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(guò)有限元分析，繪制出氣候變化過(guò)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(cháng)度和底板厚度變化的規律。
關(guān)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(guò)用有限元程序對墻板的環(huán)境溫度效應進(jìn)行線(xiàn)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(shí)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(shí)墻板產(chǎn)生的溫度應力。并通過(guò)有限元分析得出了墻板環(huán)境溫度應力的變化規律。
2基本假定
由于混凝土變形問(wèn)題的復雜性，完全模擬真實(shí)的情況是不可能的，因此在誤差允許的范圍內對真實(shí)的情況進(jìn)行適當的簡(jiǎn)化和設置合理的假設條件，并在其基礎上求解，得到在簡(jiǎn)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(shí)間而變化，同時(shí)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(shí)認為結構地基已穩定，不出現不均勻的沉降；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(wú)粉刷、無(wú)保溫層；墻外為自然通風(fēng)狀態(tài)，墻內無(wú)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
混凝土配合比不同，其熱力學(xué)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�；炷翢崤蛎浵禂禐�1×10-5/℃，比熱0.97kJ/kg℃，導熱系數192kJ/(m.d.℃)，導溫系數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(shí)體模型的建立。計算模型可按對稱(chēng)約束條件選取，將基礎底板和側墻沿對稱(chēng)線(xiàn)截斷，選取1/2基礎底板和側墻進(jìn)行應力分析。規定沿墻體長(cháng)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范》要求土體厚度至少是上部結構的3倍以上，故土質(zhì)地基厚度取10m，力的擴散范圍呈45°，故土質(zhì)地基沿墻體長(cháng)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(huì )產(chǎn)生內力。而實(shí)際上，當產(chǎn)生變形時(shí)，不同結構之間、結構各質(zhì)點(diǎn)間，都可能產(chǎn)生相互影響及牽制，這種現象稱(chēng)為“約束”，結構不可能完全自由，也不會(huì )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。當底板發(fā)生溫度變形時(shí)，底板和地基之間將產(chǎn)相對運動(dòng)，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(dòng)，在地基與底板接觸面上必然會(huì )產(chǎn)生剪應力，這個(gè)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(zhì)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(gè)溫度，先用熱分析來(lái)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(shí)選用的是ANSYS單元庫中的SOLID65和SOLID45單元。SOLID65單元為三維8節點(diǎn)的實(shí)體單元，在每個(gè)節點(diǎn)上只有一個(gè)自由度-溫度，它可用于熱分析，并在熱一結構耦合分析時(shí)可以自動(dòng)轉化為SOLID45單元。
為了簡(jiǎn)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(yáng)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(shí)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(cháng)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(cháng)均呈對稱(chēng)分布，越接近中央截面值越大，但變化趨勢也越趨緩慢，事實(shí)上計算發(fā)現截面內存在的主要是沿墻長(cháng)方向的拉應力，σmax在3.82MPa左右。
5.2應力σx等值線(xiàn)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(zhù)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(cháng)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(diǎn)應力變化主要集中在整體長(cháng)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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