淺論地下室墻板環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生的收縮應力的影響，只考慮氣溫驟降情況下產生的室內外最不利溫差時墻板產生的溫度應力。并通過有限元分析得出了墻板環境溫度應力的變化規律。
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的簡化和設置合理的假設條件，并在其基礎上求解，得到在簡化狀態下的近似解答。
2.1 在研究中認為墻體混凝土已經“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定，不出現不均勻的沉降；墻體上除有“溫度荷載”（環境溫度變化）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，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
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。在完全自由的狀態下，收縮只引起體積的減小，不會產生內力。而實際上，當產生變形時，不同結構之間、結構各質點間，都可能產生相互影響及牽制，這種現象稱為“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。當底板發生溫度變形時，底板和地基之間將產相對運動，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節點的實體單元，在每個節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，事實上計算發現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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