超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算探討

1、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算探討一、 溫度作用的特點(diǎn)：溫度作用是在規(guī)定時(shí)期內(nèi)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于溫度場(chǎng)變化所引起的作用，具有以下特點(diǎn)：1）溫度作用是由結(jié)構(gòu)材料“熱脹冷縮”效應(yīng)被結(jié)構(gòu)內(nèi)、外約束阻礙而在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力作用，屬于間接作用；2）溫度作用隨外界環(huán)境的變化而變化，有明顯的時(shí)間性，屬于可變作用；3）建筑結(jié)構(gòu)從開始建造到拆除都會(huì)受到所處溫度場(chǎng)影響，因而溫度作用伴隨著結(jié)構(gòu)的生命全周期過(guò)程；4）引起結(jié)構(gòu)溫度變化因素很多，有氣候季節(jié)變化、太陽(yáng)暴曬輻射和其它人為因素（如火災(zāi)）等，誘因多樣性使溫度作用有別于其它（荷載）作用。二、溫度作用的規(guī)范規(guī)定：2.1什么時(shí)候需要進(jìn)行溫度作用計(jì)算 根據(jù)溫度作用的特點(diǎn)可知，結(jié)構(gòu)

2、中產(chǎn)生的溫度作用大小主要與結(jié)構(gòu)材料線膨脹系數(shù)和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度有關(guān)。表1為常用材料線膨脹系數(shù)T，可見結(jié)構(gòu)鋼和混凝土的線膨脹系數(shù)非常接近。正因?yàn)槿绱?，在?jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度作用時(shí)才可以只按混凝土一種材料近似考慮。材料確定的情況下，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，溫度作用越大。 在完全沒(méi)有約束的情況下，總長(zhǎng)為100m、截面為600x600的普通混凝土梁溫度每升高或降低20，梁長(zhǎng)度將增加或減少20mm；如果端部的變形完全受到約束，將在梁內(nèi)部產(chǎn)生約2160KN（按強(qiáng)度等級(jí)為C30計(jì)算）的軸向壓力或拉力，該力約為混凝土軸向抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的3倍。表1: 常用材料的線膨脹系數(shù)T材料線膨脹系數(shù)T（×10-6/）輕骨料混凝土7

3、普通混凝土10砌體610鋼，鍛鐵，鑄鐵12不銹鋼16鋁，鋁合金24 實(shí)際結(jié)構(gòu)不可能沒(méi)有約束，總會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較小時(shí)，可忽略溫度應(yīng)力和溫度變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。現(xiàn)行規(guī)范根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式給出該長(zhǎng)度（溫度區(qū)段長(zhǎng)度）經(jīng)驗(yàn)值，詳見表2，當(dāng)結(jié)構(gòu)超出該長(zhǎng)度時(shí)才有必要進(jìn)行溫度作用計(jì)算。表2: 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距(m)結(jié) 構(gòu) 類 型室內(nèi)或土中露 天排架結(jié)構(gòu)裝配式10070框架結(jié)構(gòu)裝配式7550現(xiàn)澆式5535剪力墻結(jié)構(gòu)裝配式6540現(xiàn)澆式4530擋土墻、地下室墻壁等類結(jié)構(gòu)裝配式4030現(xiàn)澆式3020建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先采取有效構(gòu)造措施來(lái)減少或消除溫度作用效應(yīng)，如設(shè)置結(jié)構(gòu)的活動(dòng)支座或節(jié)

4、點(diǎn)、設(shè)置溫度縫、采用隔熱保溫措施等。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在溫度作用和其他可能組合的荷載共同作用下產(chǎn)生的效應(yīng)（應(yīng)力或變形）可能超過(guò)承載能力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)時(shí)，比如結(jié)構(gòu)某一方向平面尺寸超過(guò)伸縮縫最大間距或溫度區(qū)段長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)約束較大、房屋高度較高等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般應(yīng)考慮溫度作用。臺(tái)州市住宅工程質(zhì)量通病防治導(dǎo)則(臺(tái)建規(guī)2011202號(hào))5.1.3 房屋伸縮縫設(shè)置間距應(yīng)控制在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)房屋長(zhǎng)度為40m55m中部未設(shè)伸縮縫及后澆帶時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)縱向配筋構(gòu)造措施；當(dāng)房屋長(zhǎng)度55m80m中部未設(shè)縫時(shí)應(yīng)設(shè)置后澆帶并加強(qiáng)縱向配筋構(gòu)造措施；房屋長(zhǎng)度80m以上時(shí)應(yīng)設(shè)縫，未設(shè)縫時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，并按

5、計(jì)算結(jié)果采取可靠的防裂措施。 2.2溫度作用計(jì)算的依據(jù) 以前規(guī)范對(duì)溫度作用的計(jì)算方法沒(méi)有明確的規(guī)定，可在實(shí)際工程尤其是超長(zhǎng)的大跨空間結(jié)構(gòu)商業(yè)綜合體、超長(zhǎng)地下室等的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，溫度工況和分項(xiàng)系數(shù)等的取值也是仁者見仁、智者見智。為適應(yīng)這一發(fā)展需要，現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2012)增加了溫度作用計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容，為溫度作用的計(jì)算提供依據(jù)，其要點(diǎn)總結(jié)如下： 由于統(tǒng)計(jì)上的不確定性和時(shí)間變化，溫度作用一般都有一個(gè)區(qū)間概念，如結(jié)構(gòu)合攏溫度是一個(gè)區(qū)間，結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中溫度也是一個(gè)區(qū)間。結(jié)構(gòu)溫度作用計(jì)算需要考慮兩種工況：最大升溫工況和最大降溫工況，最大升溫工況是最高平均溫度與最低初始溫度

6、的差值，最大降溫工況是最低平均溫度與最低初始溫度的差值。2.2.1結(jié)構(gòu)最高平均溫度和最低平均溫度的確定結(jié)構(gòu)最高平均溫度和最低平均溫度分別由最高、最低基本氣溫確定?！皩?duì)暴露于環(huán)境氣溫下的室外結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最高平均溫度和最低平均溫度一般可分別取基本氣溫最高值和最低值”，對(duì)溫度變化敏感的金屬結(jié)構(gòu)（如鋼結(jié)構(gòu)），還要考慮晝夜氣溫變化對(duì)基本氣溫進(jìn)行適當(dāng)放大；對(duì)室內(nèi)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最高平均溫度和最低平均溫度可依據(jù)室內(nèi)和室外的環(huán)境溫度按熱工學(xué)的原理確定，當(dāng)僅考慮單層結(jié)構(gòu)材料且室內(nèi)外環(huán)境溫度類似時(shí)，可近似地取室內(nèi)外環(huán)境溫度的平均值。2.2.2結(jié)構(gòu)合攏溫度的確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般要明確結(jié)構(gòu)合攏溫度，也就是最高和最低初始溫度，一

7、般和施工時(shí)間有很大關(guān)系，但設(shè)計(jì)不可能等到施工那一天才進(jìn)行溫度作用計(jì)算，因此需要預(yù)定一個(gè)合攏溫度區(qū)間。這個(gè)溫度區(qū)間應(yīng)盡量對(duì)施工時(shí)溫度有合理預(yù)見，使施工單位有實(shí)施可能性，即應(yīng)考慮施工的可行性和工期的不可預(yù)見性。區(qū)間不能太小，否則施工沒(méi)法保證。溫度區(qū)間也不能太大，否則溫度作用預(yù)估過(guò)大。在沒(méi)有確切資料的情況下，規(guī)范給出了合攏溫度區(qū)間的量化取值建議，即在最高、最低的基本氣溫區(qū)間內(nèi)按3:4:3的比例劃分，中間40%的區(qū)間值即為合攏溫度區(qū)間。混凝土結(jié)構(gòu)的合攏溫度一般可取后澆帶封閉時(shí)的月平均氣溫，鋼結(jié)構(gòu)的合攏溫度一般可取合攏的日平均溫度，但當(dāng)合攏時(shí)有日照時(shí)，應(yīng)考慮日照的影響。實(shí)際施工時(shí)的合攏溫度的核定可取結(jié)構(gòu)

8、合攏當(dāng)日的日平均氣溫。2.2.3溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)和組合值系數(shù)規(guī)范給出了溫度作用分項(xiàng)系數(shù)和組合值系數(shù)建議值，即分項(xiàng)系數(shù)按可變荷載取1.4，組合值系數(shù)取0.6。三、溫度作用計(jì)算軟件應(yīng)用1.計(jì)算條件：本工程采用PMSAP（2010 版）分析溫度荷載對(duì)裙房屋面梁、板、柱的影響。計(jì)算模型：導(dǎo)入PMCAD模型計(jì)算溫差：±5以下為溫度荷載的輸入?yún)?shù)：2.計(jì)算結(jié)果及分析： 1樓板計(jì)算結(jié)果： 1) 無(wú)塔樓約束區(qū)域板面溫度應(yīng)力為1.2MPa左右，采用附加拉通鋼筋抵抗溫度應(yīng)力作用。取1m板帶計(jì)算如下：AsAs，153mm2，為板底板面所需附加拉通鋼筋。2) 有塔樓約束區(qū)域板面溫度應(yīng)力為1.8MPa左右，

9、采用附加拉通鋼筋抵抗溫度應(yīng)力作用。取1m板帶計(jì)算如下：AsAs，280mm2，為板底板面所需附加拉通鋼筋。溫度應(yīng)力局部區(qū)域有變化，采用上述同樣方法換算成普通鋼筋。2梁計(jì)算結(jié)果 由于屋面梁需考慮裂縫，經(jīng)比較，均為裂縫計(jì)算結(jié)果控制配筋。 溫度作用使多跨度梁產(chǎn)生較大軸力，一般無(wú)塔樓約束區(qū)域中間梁軸力達(dá)700kN左右，有塔樓約束區(qū)域中部梁軸力達(dá)800kN左右，洞口附近和剪力墻角處應(yīng)力集中，最大的梁軸力達(dá)1400kN。通過(guò)換算中間跨采用N420的腰筋，局部軸力較大處腰筋計(jì)算確定。3.柱計(jì)算結(jié)果柱PMSAP計(jì)算配筋與SATWE相比，主要是塔樓周邊的柱子縱筋增大，無(wú)塔樓約束區(qū)域與SATWE計(jì)算結(jié)果相同。四、

10、溫度作用計(jì)算工程實(shí)例：星光耀廣場(chǎng)A地塊6#樓溫度應(yīng)力計(jì)算書：本項(xiàng)目6#商業(yè)樓位于臺(tái)州市路橋區(qū)路北街道，地塊東至銀座北街，南至騰達(dá)路，西至?xí)箹|路，北至雙水路。為1棟5層商業(yè)樓，結(jié)構(gòu)總高度25.4米，南北長(zhǎng)約188m，東西寬約104m，為雙向均超長(zhǎng)的框架結(jié)構(gòu)。本工程分析主要考慮主體合攏后(即后澆帶封閉后)的情況，由于平面較長(zhǎng)，溫度應(yīng)力影響較大，為避免單方面“抗”的方式造成浪費(fèi)，在屋面結(jié)構(gòu)中部設(shè)置雙梁誘導(dǎo)縫，以釋放部分溫度應(yīng)力。封閉前各部分面積在規(guī)范規(guī)定不設(shè)縫范圍內(nèi)，此時(shí)溫差引起的應(yīng)力較小，可以忽略不計(jì)；當(dāng)后澆帶封閉后，整個(gè)區(qū)域作為一個(gè)整體進(jìn)行剩余的收縮變形和抵抗季節(jié)溫差作用。根據(jù)臺(tái)州當(dāng)?shù)貧庀蟓h(huán)境

11、，一般選取30年一遇月平均最高氣溫和月平均最低氣溫。初始溫度選取后澆帶合攏時(shí)室外空氣溫度為準(zhǔn)。收縮當(dāng)量溫差考慮為永久收縮和合攏時(shí)收縮差值溫度等效值。季節(jié)溫差和當(dāng)量溫差相加為混凝土最終溫差。根據(jù)氣象局及建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2012)提供的資料，初定臺(tái)州地區(qū)的月平均最高氣溫為36，月平均最低溫度-2，混凝土收縮當(dāng)量溫差15（專家意見：考慮后澆帶等措施后折減系數(shù)采用0.4），后澆帶合攏溫度約為10，計(jì)算取為10。在軟件計(jì)算中，溫度取值為：降溫為-18（-2-10-15X0.4=-18），升溫為8（36-10-15=11）。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2012)要求，溫度效應(yīng)分

12、項(xiàng)系數(shù)取值為1.4，組合值系數(shù)為0.6。同時(shí)考慮到徐變對(duì)內(nèi)力的影響，取徐變折減系數(shù)為0.3。五、一些常見誤區(qū)及認(rèn)識(shí)：5.1混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫間距增加的措施 目前的建筑（尤其是公共建筑）體量均較大，超長(zhǎng)情況較多，如何合理設(shè)置伸縮縫間距是結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)常要面對(duì)的問(wèn)題。工程實(shí)踐表明，采取有效的綜合措施，伸縮縫間距可以適當(dāng)增大。這些措施主要包括：采用后澆帶、控制縫等施工措施，加強(qiáng)澆筑后的養(yǎng)護(hù)；采用補(bǔ)償收縮混凝土、設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶；采用專門的預(yù)加應(yīng)力或增配構(gòu)造鋼筋的措施等。 需要注意的是：后澆帶僅能減少施工階段溫度變化和混凝土收縮的影響，不能減少使用階段溫度變化的溫度應(yīng)力，合理設(shè)置后澆帶并有可靠經(jīng)驗(yàn)時(shí)可適當(dāng)加

13、大伸縮縫的間距，單一般不可用后澆帶替代伸縮縫。5.2特殊結(jié)構(gòu)的溫度作用 對(duì)于大型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，溫度場(chǎng)僅是一個(gè)相對(duì)均勻的場(chǎng)，不可把所有構(gòu)件一概而論都取同樣的溫度作用。比如，室外構(gòu)件可以認(rèn)為承受大氣環(huán)境溫度場(chǎng)，而室內(nèi)構(gòu)件則不同，它承受的溫度變化幅度一般要較室外構(gòu)件小；室內(nèi)構(gòu)件，有采暖和無(wú)采暖時(shí)的溫度變化幅度不同，屋頂天窗處可以受到陽(yáng)光直射的鋼構(gòu)件和陽(yáng)光無(wú)法照射的構(gòu)件也不同；即便是陽(yáng)光直射的構(gòu)件，其迎光面和背光面有時(shí)也會(huì)形成梯度較大的溫差。因此，對(duì)于此類工程應(yīng)該根據(jù)經(jīng)驗(yàn)把不同區(qū)域的構(gòu)件區(qū)別對(duì)待，必要時(shí)也可借助CFD數(shù)值模擬方法進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí)溫度作用的取值。5.3考慮施工階段的暴曬時(shí)的溫度作用 施工周期較長(zhǎng)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，由于屋面維護(hù)沒(méi)有安裝，考慮到太陽(yáng)暴