溫度作用與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)T30

一、前言GB50009-2012把溫度作用正式列入建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，但它未提及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何加以考慮。1、常見(jiàn)思路確定合攏溫度：若取年平均氣溫、武漢地區(qū)為16℃溫度變化幅度：武漢地區(qū)、夏季37℃-16℃=21℃、冬季16℃-（-5℃）=21℃溫度內(nèi)力計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖與其它永久、可變荷載相同SATWE等程序雖包含溫度效應(yīng)計(jì)算內(nèi)容，但對(duì)溫度內(nèi)力計(jì)算時(shí)必須先行解決的桿件截面內(nèi)溫度場(chǎng)問(wèn)題，程序并沒(méi)有涉及，而是由用戶(hù)自行定義。2、問(wèn)題建筑物不同部位（地上與地下、室內(nèi)與室外）的環(huán)境溫度并不相同。因此，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為氣候溫度就是環(huán)境溫度。同樣環(huán)境下，結(jié)構(gòu)部位不同、保溫隔熱措施不同、構(gòu)件的計(jì)算溫度也不同。因此，不能簡(jiǎn)單把環(huán)境溫度取作構(gòu)件溫度。結(jié)構(gòu)支座作為幾何約束它的位移為零，作為溫度約束它的位移并不為零。因此，只有把溫度約束轉(zhuǎn)換為幾何約束，才能用對(duì)荷載作用的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行溫度內(nèi)力計(jì)算。二、環(huán)境溫度取值1、環(huán)境溫度組成日照溫度ts是太陽(yáng)輻射作用直接在物體表面產(chǎn)生的溫度，它是一個(gè)非均勻溫度場(chǎng)，可由下式計(jì)算：以太陽(yáng)為熱源，環(huán)境溫度可由日照溫度ts和空氣溫度te組成。

空氣溫度te受太陽(yáng)間接作用的影響，它是一個(gè)均勻的溫度場(chǎng)。環(huán)境溫度（又稱(chēng)綜合溫度）tse=ts+te室內(nèi)ts=0。因此，室內(nèi)環(huán)境溫度tse=te2、環(huán)境溫度的取值室外空氣溫度

夏季50年一遇最高日平均溫度?？蓞⒄誈B50176附錄三、附表3.2。冬季50年一遇最低日平均溫度?？蓞⒄誈B50176附錄三、附表3.1或“采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范”GBJ19。室內(nèi)空氣溫度夏季

空調(diào)設(shè)計(jì)溫度

冬季

采暖設(shè)計(jì)溫度計(jì)算日照溫度時(shí)，建議太陽(yáng)輻射照度計(jì)算值，取日照輻射時(shí)段內(nèi)太陽(yáng)輻射照度的平均值。太陽(yáng)輻射照度可參照GB50176附錄三，附表3.3。三、結(jié)構(gòu)的溫度內(nèi)力1、導(dǎo)熱微分方程的解

鋁9.45×10-5㎡/s；鋼筋砼7.64×10-7㎡/s（1/124）；泡沫砼（ρ=627kg/m3）2.9×10-7㎡/s（1/326）；木材1.5×10-7㎡/s（1/600）。以日為溫度變化周期，溫度變化幅度小、周期短、影響范圍十分有限（脈動(dòng)溫度影響深度鋼筋砼0.0165m，加氣砼砌塊0.00626m）。忽略非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)影響，則導(dǎo)熱微分方程簡(jiǎn)化為：

以日為周期的溫度變化可表示為：平均溫度+脈動(dòng)溫度t(溫度)τ時(shí)間

脈動(dòng)溫度平均溫度t1

t2XYδO如上圖所示，墻、板厚度為δ、表面溫度分別為t1和t2。（1）墻、板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況下，墻、板在平面內(nèi)溫度均勻穩(wěn)定，只沿厚度方向發(fā)生變化。因此，墻、板所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱問(wèn)題應(yīng)是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。導(dǎo)熱微分方程：

邊界條件：

求解得截面內(nèi)溫度分布：

由溫度作用產(chǎn)生的應(yīng)變：

變形受約束時(shí)截面內(nèi)的應(yīng)力：

由應(yīng)力積分，單位寬度上作用的約束軸力N和約束彎矩M

這就是用位移法求解結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力時(shí)所需的構(gòu)件固端內(nèi)力（2）梁、柱穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱熱情況下下，梁、、柱沿軸軸線方向向溫度均均勻穩(wěn)定定，只在在截面內(nèi)內(nèi)發(fā)生變變化。因因此，梁梁、柱所所對(duì)應(yīng)的的導(dǎo)熱問(wèn)問(wèn)題應(yīng)是是二維穩(wěn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱熱。t2

t1

t1

t1a

O

bXY如上圖所所示，高高、寬為為b、a的梁、柱柱，三邊邊溫度為t1、一邊溫度度為t2。導(dǎo)熱微分分方程：：邊界條件件：求解得截截面內(nèi)溫度分布布：變形受約約束時(shí)，，同理可可得桿件件兩端的的約束軸軸力N和約束彎彎矩M應(yīng)該指出出，結(jié)構(gòu)構(gòu)力學(xué)教教材中固固端梁溫溫度內(nèi)力力計(jì)算公公式是一一維的公公式，它它并不滿(mǎn)滿(mǎn)足二維維的邊界界條件。。二種算法法溫度場(chǎng)場(chǎng)的比較較傳統(tǒng)方法法（一維維導(dǎo)熱））現(xiàn)方法（（二維導(dǎo)導(dǎo)熱）2、多層材料料覆蓋下下構(gòu)件的的溫度分分布結(jié)構(gòu)構(gòu)件件表面通通常覆蓋蓋有砂漿漿層、裝裝飾層，，外墻還還有保溫溫、隔熱熱層，屋屋面往往往還鋪設(shè)設(shè)有防水水層。因因此，就就熱傳導(dǎo)導(dǎo)講結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件它它是由多多層材料料選合而而成的復(fù)復(fù)合構(gòu)件件。它的的溫度分分布可以以上述單單一材料料構(gòu)件的的導(dǎo)熱微微分方程程介為基基礎(chǔ)，通通過(guò)傳導(dǎo)導(dǎo)過(guò)程中中的物理理特性來(lái)來(lái)得到。。（1）墻、板

溫度降℃界面溫度℃夏季外表面熱交換

0.052.032359.957.868地磚0.0061.250.0050.203257.665水泥砂漿找平層0.0200.930.0220.894256.770二布三膏防水層0.0100.170.0592.398254.372水泥砂漿找平層0.0200.930.0220.894253.478100厚保溫層0.1000.220.45518.494634.983150厚鋼筋砼板0.1501.740.0863.495731.48820厚粉刷0.0200.810.0251.016230.471內(nèi)表面熱交換

0.114.471226（2）梁、柱t1Ot2t1t1aa2a1b1b2bXy由上述計(jì)計(jì)算可見(jiàn)見(jiàn)：a、結(jié)構(gòu)構(gòu)件件的溫度度場(chǎng)，可可由構(gòu)件件所處的的環(huán)境溫溫度，通通過(guò)多層層材料的的熱傳導(dǎo)導(dǎo)來(lái)得到到。b、在內(nèi)、外外環(huán)境溫溫差33.9℃情況下下，鋼筋筋砼屋面面板表面面溫度差差只有3.495℃，兩者者差別明明顯。c、結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力力計(jì)算所所用的溫溫差應(yīng)該該是構(gòu)件件受力部部分表面面溫差，，不是內(nèi)內(nèi)、外環(huán)環(huán)境溫差差，更不不是冬、、夏的氣氣候溫差差。對(duì)于多層層材料組組成的梁梁、柱截截面二維維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)導(dǎo)熱問(wèn)題題，可以以把其他他各層材材料的厚厚度按熱熱阻等效效換算成成桿件受受力部分分材料的的厚度。。當(dāng)溫度度變形受受約束時(shí)時(shí)，同理理可以對(duì)對(duì)實(shí)際受受力部分分的約束束應(yīng)力積積分得到到作用于于截面上上的軸力力N和彎矩M。四、結(jié)構(gòu)的支支座約束束1、結(jié)構(gòu)支座座的計(jì)算算簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)在荷載作作用下，，底部支支座的計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖圖通常按按固端或或不動(dòng)鉸鉸考慮，，即作為為幾何約約束支座座在水平平方向無(wú)無(wú)位移。。實(shí)際地地下室底底板或頂頂板在溫溫度作用用下有變變形，即即作為溫溫度約束束支座在在水平方方向有位位移。這這時(shí)若仍仍采用原原荷載作作用的計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖圖，則上上部樓層層溫度變變形計(jì)算算時(shí)，應(yīng)應(yīng)扣除基基礎(chǔ)的溫溫度變形形，這就就像基礎(chǔ)礎(chǔ)沉降內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算一樣，，產(chǎn)生次次應(yīng)力的的是沉降降差而不不是絕對(duì)對(duì)沉降量量。在材材料相同同情況下下，上述述變形差差可以用用溫度來(lái)來(lái)計(jì)量。。因此，，上部各各層的計(jì)計(jì)算工作作溫度應(yīng)應(yīng)是該層層實(shí)際工工作溫度度與結(jié)構(gòu)構(gòu)底端實(shí)實(shí)際工作作溫度之之差。2、地下室各各層之間間的熱傳傳導(dǎo)地下室平面的長(zhǎng)長(zhǎng)、寬尺尺寸一般般遠(yuǎn)大于于地下室室層高，，因此在在地下室室底板、、頂板及及室內(nèi)空空氣等熱熱傳導(dǎo)問(wèn)問(wèn)題計(jì)算算時(shí)，可可把地下下室近似似視為由由多層介介質(zhì)組成成的一維維熱傳導(dǎo)導(dǎo)問(wèn)題。。例：33℃26℃26℃26℃18℃15℃8℃8℃8℃0℃溫度約束、支座有水平位移幾何約束、支座無(wú)水平位移3、地下室板板底土體體溫度取取值土中溫度度波峰值值衰減系系數(shù)如下下：χ（m）123456υ0.6690.4480.2940.2000.1340.090χ（m）789101112υ0.0600.0400.0270.0180.0120.0081由上表可可見(jiàn)，在在土中達(dá)達(dá)一定深深度后，，地表溫溫度變化化對(duì)地下下的影響響可以忽忽略不計(jì)計(jì)，這時(shí)時(shí)土中的的溫度就就是地面面上的年年平均溫溫（武漢漢地區(qū)為為16.3℃）。若若取υ=0.05，這個(gè)深深度為7.455m。五、桿件件截面設(shè)計(jì)計(jì)1、設(shè)計(jì)狀態(tài)態(tài)建議按正常使使用極限限狀態(tài)設(shè)設(shè)計(jì)，即即只驗(yàn)算算變形和和裂縫。。這由于于桿件出出現(xiàn)裂縫縫后溫度度應(yīng)力得得到了釋釋放，結(jié)結(jié)構(gòu)約束束狀態(tài)改改變了。。正常使用用極限狀狀態(tài)的荷荷載效應(yīng)應(yīng)，應(yīng)按按標(biāo)準(zhǔn)組組合進(jìn)行行設(shè)計(jì)。。2、設(shè)計(jì)工況況設(shè)計(jì)工況可分分為使用用階段和和施工階階段。施施工階段段相對(duì)使使用階段段講是短短暫的和和臨時(shí)的的。因此此，施工工階段環(huán)環(huán)境遇到到最不利利情況的的可能性性相對(duì)要要小很多多。為與與這種工工作狀態(tài)態(tài)相協(xié)調(diào)調(diào)，建議議對(duì)施工工階段環(huán)環(huán)境溫度度取值作作如下調(diào)調(diào)整：3、設(shè)計(jì)內(nèi)力力由于溫度度作用是是一個(gè)緩緩慢的實(shí)實(shí)施過(guò)程程，應(yīng)考考慮砼徐徐變變形形引起的的構(gòu)件應(yīng)應(yīng)力松弛弛。因此此，設(shè)計(jì)計(jì)內(nèi)力應(yīng)應(yīng)是上述述計(jì)算內(nèi)內(nèi)力乘以以應(yīng)力松松弛系數(shù)數(shù)。應(yīng)力力松弛系系數(shù)建議議取0.4～0.5?？諝鉁囟榷认募練v年最高高日平均均溫度的的平均值值冬季歷年最低低日平均均溫度的的平均值值計(jì)算日照照溫度時(shí)時(shí)，太陽(yáng)陽(yáng)輻射照照度計(jì)算算值取日日平均值值4、設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)溫度作用效應(yīng)應(yīng)的組合合值系數(shù)數(shù)取0.6。環(huán)境的空氣溫溫度、太太陽(yáng)輻射射照度、、以及建建筑材料料熱物理理性能等等計(jì)算參參數(shù)可參參照“民民用建筑筑熱工設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范范”（GB50176）、“采采暖通風(fēng)風(fēng)與空氣氣調(diào)節(jié)設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范范”（GBJ19）。5、計(jì)算程序序溫度作用計(jì)算算計(jì)量的的是桿件件的軸向向變形。。因此選選用的程程序必須須能考慮慮超高或或超長(zhǎng)方方向桿件件的軸向向變形。。對(duì)于超超長(zhǎng)的平平面，計(jì)計(jì)算過(guò)程程中不能能采用剛剛性樓板板假定。。六、結(jié)構(gòu)構(gòu)各部位位溫度內(nèi)內(nèi)力的分分布規(guī)律律1、多層結(jié)結(jié)構(gòu)中溫溫度內(nèi)力力一般集集中在頂頂層和底底層。多層結(jié)構(gòu)構(gòu)中環(huán)境境溫度變變化最大大部位是是結(jié)構(gòu)頂頂層和底底層。而而溫度內(nèi)內(nèi)力由溫溫差產(chǎn)生生，結(jié)構(gòu)構(gòu)中溫差差越大的的部位溫溫度內(nèi)力力應(yīng)越大大。正由于溫溫度內(nèi)力力的分布布在結(jié)構(gòu)構(gòu)豎向有有這樣的的分布規(guī)規(guī)律，因因此，有有些對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)溫度度作用的的簡(jiǎn)化計(jì)計(jì)算就僅僅對(duì)受影影響樓層層（頂層層、底層層）作局局部計(jì)算算?？倢訑?shù)第i層板的最大軸力（KN/m）123456787層6786-13214-47-6116405層679101-50-611640

3層692-42-624638

例：結(jié)構(gòu)中部部各層板板的溫度度內(nèi)力（（冬季工工況）2、樓板平平面內(nèi)的的溫度變變形