超长结构温度应力计算探讨(精)

超长结构温度应力计算探讨

一、温度作用的特点:

温度作用是在规定时期内结构或结构构件由于温度场变化所引起的作用,具有以下特点:1温度作用是由结构材料“热胀冷缩”效应被结构内、外约束阻碍而在结构内产生的内力作用,属于间接作用;2温度作用随外界环境的变化而变化,有明显的时间性,属于可变作用;3建筑结构从开始建造到拆除都会受到所处温度场影响,因而温度作用伴随着结构的生命全周期过程;4引起结构温度变化因素很多,有气候季节变化、太阳暴晒辐射和其它人为因素(如火灾等,诱因多样性使温度作用有别于其它(荷载作用。

二、温度作用的规范规定:

2.1什么时候需要进行温度作用计算

根据温度作用的特点可知,结构中产生的温度作用大小主要与结构材料线膨胀系数和结构长度有关。表1为常用材料线膨胀系数αT,可见结构钢和混凝土的线膨胀系数非常接近。正因为如此,在计算钢筋混凝土结构的温度作用时才可以只按混凝土一种材料近似考虑。材料确定的情况下,长度越长,温度作用越大。

在完全没有约束的情况下,总长为100m、截面为600x600的普通混凝土梁温度每升高或降低20℃,梁长度将增加或减少20mm;

如果端部的变形完全受到约束,将在梁内部产生约2160KN(按强

度等级为C30计算的轴向压力或拉力,该力约为混凝土轴向抗拉强度标准值的3倍。

表1: 常用材料的线膨胀系数αT

材料线膨胀系数αT(×10-6/℃

轻骨料混凝土7

普通混凝土10

砌体6~10

钢,锻铁,铸铁12

不锈钢16

铝,铝合金24

实际结构不可能没有约束,总会在结构中产生温度应力,当结构长度较小时,可忽略温度应力和温度变形对结构的影响。现行规范根据不同的结构形式给出该长度(温度区段长度经验值,详见表2,当结构超出该长度时才有必要进行温度作用计算。

表2: 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距(m

结构类型室内或土中露天

排架结构装配式100 70

框架结构装配式75 50 现浇式55 35

剪力墙结构装配式65 40 现浇式45 30

挡土墙、地下室墙壁等类结构装配式40 30 现浇式30 20

建筑结构设计时,应首先采取有效构造措施来减少或消除温度作用效应,如设置结构的活动支座或节点、设置温度缝、采用隔热保温措施等。当结构或构件在温度作用和其他可能组合的荷载共同作用下产生的效应(应力或变形可能超过承载能力极限状态或正常使用极限状态时,比如结构某一方向平面尺寸超过伸缩缝最大间距或温度区段长度、结构约束较大、房屋高度较高等,结构设计中一般应考虑温度作用。

《台州市住宅工程质量通病防治导则》(台建规[2011]202号

5.1.3 房屋伸缩缝设置间距应控制在规范规定范围之内,当框架结构房屋长度为40m~55m中部未设伸缩缝及后浇带时,应加强纵向配筋构造措施;当房屋长度55m~80m中部未设缝时应设置后浇带并加强纵向配筋构造措施;房屋长度80m以上时应设缝,未设缝时应进行温度应力计算,并按计算结果采取可靠的防裂措施。

2.2温度作用计算的依据

以前规范对温度作用的计算方法没有明确的规定,可在实际工程尤其是超长的大跨空间结构商业综合体、超长地下室等的应用越来越广泛,温度工况和分项系数等的取值也是仁者见仁、智者见智。为适应这一发展需要,现行国家规范《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012增加了温度作用计算的相关内容,为温度作用的计算提供依据,其要点总结如下:

由于统计上的不确定性和时间变化,温度作用一般都有一个区间概念,如结构合拢温度是一个区间,结构使用过程中温度也是一个区间。结构温度作用计算需要考虑两种工况:最大升温工况和最大降温工况,最大升温工况是最高平均温度与最低初始温度的差值,最大降温工况是最低平均温度与最低初始温度的差值。

2.2.1结构最高平均温度和最低平均温度的确定

结构最高平均温度和最低平均温度分别由最高、最低基本气温确定。“对暴露于环境气温下的室外结构,结构最高平均温度和最低平均温度一般可分别取基本气温最高值和最低值”,对温度变化敏感的

金属结构(如钢结构,还要考虑昼夜气温变化对基本气温进行适当放大;对室内结构,结构最高平均温度和最低平均温度可依据室内和室外的环境温度按热工学的原理确定,当仅考虑单层结构材料且室内外环境温度类似时,可近似地取室内外环境温度的平均值。

2.2.2结构合拢温度的确定

结构设计时一般要明确结构合拢温度,也就是最高和最低初始温度,一般和施工时间有很大关系,但设计不可能等到施工那一天才进行温度作用计算,因此需要预定一个合拢温度区间。这个温度区间应尽量对施工时温度有合理预见,使施工单位有实施可能性,即应考虑施工的可行性和工期的不可预见性。区间不能太小,否则施工没法保证。温度区间也不能太大,否则温度作用预估过大。在没有确切资料的情况下,规范给出了合拢温度区间的量化取值建议,即在最高、最低的基本气温区间内按3:4:3的比例划分,中间40%的区间值即为合拢温度区间。

混凝土结构的合拢温度一般可取后浇带封闭时的月平均气温,钢结构的合拢温度一般可取合拢的日平均温度,但当合拢时有日照时,应考虑日照的影响。实际施工时的合拢温度的核定可取结构合拢当日的日平均气温。

2.2.3温度作用的分项系数和组合值系数

规范给出了温度作用分项系数和组合值系数建议值,即分项系数按可变荷载取1.4,组合值系数取0.6。

三、温度作用计算软件应用

1.计算条件:

本工程采用PMSAP(2010 版分析温度荷载对裙房屋面梁、板、柱的影响。

计算模型:导入PMCAD模型

计算温差:±5℃

以下为温度荷载的输入参数:

2.计算结果及分析:

1.楼板计算结果:

1 无塔楼约束区域板面温度应力为1.2MPa左右,采用附加拉通钢筋抵抗温度应力作用。取1m板带计算如下:

As=As,=153mm2,为板底板面所需附加拉通钢筋。

2 有塔楼约束区域板面温度应力为1.8MPa左右,采用附加拉通钢筋抵抗温度应力作用。取1m板带计算如下:

As＝As，＝280mm2，为板底板面所需附加拉通钢筋。 温度应力局部区域有变化，采用上述同样方法换算成普通钢筋。 2．梁计算结果 由于屋面梁需考虑裂缝，经比较，均为裂缝计算结果控制配 筋。 温度作用使多跨度梁产生较大轴力， 一般无塔楼约束区域中 间梁轴力达 700kN 左右， 有塔楼约束区域中部梁轴力达 800kN 左右， 洞口附近和剪力墙角处应力集中，最大的梁轴力达 1400kN。通过换 算中间跨采用 N4Φ 20 的腰筋，局部轴力较大处腰筋计算确定。 3.柱计算结果 柱 PMSAP 计算配筋与 SATWE 相比，主要是塔楼周边的柱子纵筋 增大，无塔楼约束区域与 SATWE 计算结果相同。 四、温度作用计算工程实例： 星光耀广场 A 地块 6#楼温度应力计算书：

本项目 6#商业楼位于台州市路桥区路北街道，地块东至银座北 街，南至腾达路，西至会展东路，北至双水路。为 1 栋 5 层商业楼， 结构总高度 25.4 米，南北长约 188m，东西宽约 104m，为双向均超 长的框架结构。 本工程分析主要考虑主体合拢后(即后浇带封闭后的情况，由于 平面较长， 温度应力影响较大， 为避免单方面 “抗” 的方式造成浪费， 在屋面结构中部设置双梁诱导缝，以释放部分温度应力。封闭前各部 分面积在规范规定不设缝范围内，此时温差引起的应力较小，可以忽 略不计；当后浇带封闭后，整个区域作为一个整体进行剩余的收缩变 形和抵抗季节温差作用。 根据台州当地气象环境，一般选取 30 年一遇月平均最高气温和 月平均最低气温。初始温度选取后浇带合拢时室外空气温度为准。收 缩当量温差考虑为永久收缩和合拢时收缩差值温度等效值。 季节温差 和当量温差相加为混凝土最终温差。 根据气象局及《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012提供的资料， 初定台州地区的月平均最高气温为 36℃， 月平均最低温

度-2℃， 混凝 土收缩当量温差 15℃（专家意见：考虑后浇带等措施后折减系数采 用 0.4） ，后浇带合拢温度约为 10℃，计算取为 10℃。 在软件计算中， 温度取值为： 降温为-18℃ （-2-10-15X0.4=--18℃） ， 升温为 8℃ （36-10-15=11℃） 。 根据 《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2012 要求，温度效应分项系数取值为 1.4，组合值系数为 0.6。同时考虑到 徐变对内力的影响，取徐变折减系数为 0.3。

五、一些常见误区及认识： 5.1 混凝土结构伸缩缝间距增加的措施 目前的建筑（尤其是公共建筑）体量均较大，超长情况较多， 如何合理设置伸缩缝间距是结构工程师经常要面对的问题。 工程实践 表明，采取有效的综合措施，伸缩缝间距可以适当增大。这些措施主 要包括：采用后浇带、控制缝等施工措施，加强浇筑后的养护；采用 补偿收缩混凝土、设置膨胀加强带；采用专门的预加应力或增配构造 钢筋的措施等。 需要注意的是：后浇带仅能减少施工阶段温度变化和混凝土收 缩的影响，不能减少使用阶段温度变化的温度应力，合理设置后浇带 并有可靠经验时可适当加大伸缩缝的间距， 单一般不可用后浇带替代 伸缩缝。 5.2 特殊结构的温度作用 对于大型结构来说，温度场仅是一个相对均匀的场，不可把所有 构件一概而论都取同样的温度作用。比如，室外构件可以认为承受大 气环境温度场，而室内构件则不同，它承受的温度变化幅度一般要较 室外构件小；室内构件，有采暖和无采暖时的温度变化幅度不同，屋 顶天窗处可以受到阳光直射的钢构件和阳光无法照射的构件也不同； 即便是阳光直射的构件， 其迎光面和背光面有时也会形成梯度较大的 温差。 因此， 对于此类工程应该根据经验把不同区域的构件区别对待， 必要时也可借助 CFD 数值模拟方法进行温度场分析， 以指导设计时温 度作用的取值。

5.3 考虑施工阶段的暴晒时的温度作用 施工周期较长的大跨度钢结构，由于屋面维护

没有安装，考虑 到太阳暴晒的影响， 施工阶段的温度极大值有可能超过使用阶段的最 高值。这时，结构的最高平均温度应予以适当增大，具体的增大数值 严格地讲和结构朝向和表面材料的颜色均有关系， 规范给出的建议是 根据表面颜色和朝向增加 2～15℃， 也有一些专家认为增加 20℃为宜。 需要指出的是，进行构件验算时，考虑施工阶段暴晒的温度作用可仅 与自重进行组合，而不必与活荷载、风荷载和地震作用同时组合，否 则可能会带来不必要的浪费。结构使用阶段的温度作用应正常组合。