超长混凝土结构温度效应分析及控制措施研究

摘要：超长混凝土结构在现代建筑工程中应用广泛，然而温度变化引发的温度效应常导致结构出现裂缝等问题，影响结构的安全性与耐久性。本文深入分析超长混凝土结构的温度效应产生机理，探讨其计算方法，并结合实际案例阐述温度效应带来的影响，提出有效的控制措施，旨在为超长混凝土结构的设计与施工提供理论支持和实践指导，保障结构的安全稳定。

关键词：超长混凝土结构；温度效应；温度应力；控制措施

一、引言

随着建筑技术的不断发展，超长混凝土结构在大型公共建筑、工业厂房、地下工程等领域得到了广泛应用。这类结构由于长度较大，在温度变化时，混凝土材料的热胀冷缩特性会引发显著的温度效应，产生温度应力。若温度应力超过混凝土的抗拉强度，结构就可能出现裂缝，不仅影响建筑的外观和使用功能，还会降低结构的耐久性，威胁结构的安全。因此，深入研究超长混凝土结构的温度效应，并采取有效的控制措施，对于保证结构的质量和安全具有重要意义。

二、超长混凝土结构温度效应产生机理

2.1 混凝土的热物理性能

混凝土是一种由水泥、骨料、水和外加剂等组成的复合材料，其热物理性能对温度效应起着关键作用。混凝土的热膨胀系数是衡量其温度变形特性的重要指标，一般在（6 - 12）×10⁻⁶/℃之间，这意味着温度每变化1℃，混凝土就会产生一定的线性变形。当结构受到温度变化影响时，混凝土会因热胀冷缩而发生体积变化。在约束条件下，这种体积变化受到限制，从而产生温度应力。

2.2 温度变化类型

1. 季节温差：季节更替会导致环境温度发生较大幅度的变化。在夏季，气温较高，混凝土结构受热膨胀；冬季气温较低，结构则收缩。这种季节性的温度变化对超长混凝土结构的影响较为显著，会在结构内部产生较大的温度应力。对于长度较大的桥梁结构，夏季高温时桥梁伸长，冬季低温时收缩，若伸缩缝设置不合理或约束较强，就容易在结构中产生裂缝。

2. 水化热温升：在混凝土浇筑初期，水泥的水化反应会释放大量的热量，使混凝土内部温度迅速升高。一般情况下，大体积混凝土内部温度可在浇筑后的1 - 3天内升高到峰值，比环境温度高出30 - 50℃。随后，混凝土内部的热量逐渐散发，温度开始下降。这种水化热引起的温度升降过程，会在混凝土内部和表面之间形成温度梯度，从而产生温度应力。若混凝土表面散热过快，内部温度较高，就会在表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，表面就会出现裂缝。

3. 日照温差：建筑物在白天受到太阳辐射，向阳面温度升高，背阳面温度相对较低，从而在结构内部形成温度梯度。这种日照温差对超长混凝土结构的影响也不容忽视，尤其是对于高耸结构和大面积的屋盖结构。在日照作用下，高层建筑的外墙向阳面和背阳面的温差可达10 - 20℃，会在墙体中产生较大的温度应力，可能导致墙体出现裂缝。

2.3 约束条件对温度效应的影响

1. 内约束：混凝土在硬化过程中，由于内部各部分的温度不均匀，会产生内约束。在大体积混凝土中，内部水泥水化热产生的高温区会对周围低温区产生约束，使低温区混凝土受到拉应力。这种内约束会加剧混凝土内部的温度应力，增加裂缝产生的可能性。

2. 外约束：超长混凝土结构通常与基础、相邻结构等相连，这些连接部位会对结构的温度变形产生约束作用，称为外约束。当结构因温度变化而发生膨胀或收缩时，外约束会限制其自由变形，从而在结构中产生较大的温度应力。如果基础对超长混凝土结构的约束较强，在温度变化时，结构底部就会承受较大的拉应力，容易出现裂缝。

三、超长混凝土结构温度效应的计算方法

3.1 有限元方法

有限元方法是目前分析超长混凝土结构温度效应的常用方法之一。它将连续的混凝土结构离散为有限个单元，通过求解单元的刚度方程，得到整个结构的刚度矩阵和荷载向量，进而计算结构在温度作用下的内力和变形。在有限元模型中，需要准确模拟混凝土的热物理性能、温度变化历程以及约束条件。利用有限元软件，如ANSYS、ABAQUS等，可以方便地建立超长混凝土结构的模型，考虑各种复杂因素对温度效应的影响。在模拟大体积混凝土的水化热温升过程时，可以通过定义材料的热传导系数、比热容等参数，结合水泥水化热的放热模型，模拟混凝土内部温度场的变化。通过有限元分析，可以得到结构在不同时刻的温度分布、温度应力分布以及变形情况，为结构的设计和施工提供详细的参考依据。

3.2 解析法

解析法是基于结构力学和热传导理论，通过建立数学模型来求解超长混凝土结构温度效应的方法。对于一些简单的结构形式，如梁、板等，解析法可以给出温度应力和变形的解析解。以两端固定的梁为例，在均匀温度变化作用下，可以根据结构力学中的位移法或力法，结合热膨胀的基本原理，推导出梁的温度应力计算公式。解析法的优点是计算过程清晰，物理意义明确，但对于复杂的超长混凝土结构，由于边界条件和温度分布的复杂性，解析法的应用受到一定限制。

四、温度效应在实际工程中的影响案例分析

4.1 案例背景

某大型商业综合体，其地下室为超长混凝土结构，长度达到300m，宽度为80m。该地下室采用筏板基础，混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P8。在施工完成后的一段时间内，地下室底板和侧墙陆续出现了多条裂缝，对结构的防水性能和耐久性造成了严重影响。

4.2 温度效应分析

1. 水化热影响：通过对施工记录的分析，发现混凝土浇筑时正值夏季，环境温度较高，且水泥用量较大。在混凝土浇筑后的3天内，内部温度迅速升高，最高温度达到了70℃，而当时的环境温度约为30℃。这种较大的温差导致混凝土内部产生了较大的温度应力。由于底板和侧墙的厚度较大，内部热量不易散发，温度下降缓慢，使得混凝土表面与内部之间的温度梯度进一步加大，在表面产生了较大的拉应力，超过了混凝土的抗拉强度，从而引发裂缝。

2. 季节温差影响：从施工完成到裂缝出现的时间段内，经历了季节更替，环境温度下降了约20℃。由于地下室结构长度较长，在温度下降过程中，结构收缩受到基础的约束，产生了较大的温度应力。基础的约束作用使得结构底部的拉应力集中，加剧了裂缝的发展。

4.3 裂缝对结构的影响

地下室底板和侧墙出现的裂缝严重影响了结构的防水性能，导致地下室出现渗漏现象，影响了地下室的正常使用。裂缝还会使空气中的水分和有害物质更容易侵入混凝土内部，加速钢筋的锈蚀，降低结构的耐久性，缩短结构的使用寿命。

五、超长混凝土结构温度效应的控制措施

5.1 设计措施

1. 设置伸缩缝：在超长混凝土结构设计中，伸缩缝作为控制温度效应的传统手段，具有不可忽视的作用。混凝土结构会因温度变化而产生热胀冷缩，当结构长度过长时，这种伸缩变形积累会引发较大的温度应力，严重时可能导致结构开裂。伸缩缝的设置，就像是给结构划分了一个个相对独立的“小单元”，将超长结构分割成若干较短的区段，大幅缩短了结构的伸缩长度。如此一来，每个区段在温度变化时所产生的伸缩变形量减小，相应的温度应力也随之降低，从而有效保障结构的安全稳定。

结论

超长混凝土结构的温度效应是影响结构安全和耐久性的重要因素。温度效应的产生源于混凝土的热物理性能、温度变化类型以及约束条件等多方面因素。通过有限元方法和解析法等计算手段，可以对温度效应进行准确的分析。实际工程案例表明，温度效应可能导致超长混凝土结构出现裂缝等问题，影响结构的正常使用和耐久性。为了有效控制超长混凝土结构的温度效应，应从设计、施工和监测等多方面采取措施。在设计阶段，合理设置伸缩缝、后浇带，优化结构布置；在施工阶段，严格控制混凝土原材料及配合比，加强混凝土的浇筑与养护；在施工和使用过程中，建立温度监测系统，及时进行预警和处理。通过综合运用这些控制措施，可以有效降低温度效应对超长混凝土结构的影响，确保结构的安全稳定。随着建筑技术的不断发展，超长混凝土结构的应用将更加广泛，对温度效应的研究也需要不断深入，以适应日益复杂的工程需求。未来，应进一步探索更加有效的温度效应控制技术，提高超长混凝土结构的设计和施工水平，推动建筑行业的可持续发展。

参考文献：

[1] 赵鹏， 孙晓辉， 等. 超长混凝土结构温度应力计算与控制措施研究[J]. 建筑结构学报， 2023（06）： 110-120.

[2] 王慧， 刘阳， 等. 基于有限元分析的超长混凝土结构温度效应分析及优化设计[J]. 土木工程学报， 2022（08）： 35-45.