溫度應(yīng)力分析--黃吉鋒

1、結(jié) 構(gòu) 溫 度 效 應(yīng)黃吉鋒 編寫中國建筑科學(xué)研究院軟件所基準(zhǔn)溫度場T0(x,y,z) 基準(zhǔn)溫度場的定義： 在不考慮任何荷載的情況下，結(jié)構(gòu)在某溫度場T0(x,y,z)作用下處于自平衡狀態(tài)，如果結(jié)構(gòu)的當(dāng)前構(gòu)型與其初始設(shè)計構(gòu)型完全相同(點點重合)，則稱T0(x,y,z)為該結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)溫度場。 結(jié)構(gòu)在基準(zhǔn)溫度場作用下：1）相對于初始構(gòu)型沒有任何變形；2）所有構(gòu)件均不產(chǎn)生內(nèi)力或應(yīng)力。 基準(zhǔn)溫度場在理論上是存在且唯一的基準(zhǔn)溫度場T0(x,y,z) 對于混凝土結(jié)構(gòu)，其基準(zhǔn)溫度場T0(x,y,z)可以近似取為混凝土的終凝溫度場。 對于鋼結(jié)構(gòu)，如果在建造期間不產(chǎn)生裝配應(yīng)力，或者即便有裝配應(yīng)力但在本次分析中不考

2、慮，則結(jié)構(gòu)建造期的溫度場即可取為基準(zhǔn)溫度場?；鶞?zhǔn)溫度場T0(x,y,z) 如果鋼結(jié)構(gòu)中存在顯著的裝配誤差、裝配應(yīng)力，并需要用等效溫差場進行模擬，則在確定基準(zhǔn)溫度場時，應(yīng)計入裝配誤差的影響。 比如一根初始設(shè)計長度為L的鋼桿件，因為制造誤差，實際長度為L+L，換算成等效基準(zhǔn)溫度的增量為： 或者說，為考慮此裝配應(yīng)力，基準(zhǔn)溫度還應(yīng)疊加上該溫度增量)(LLLTT基準(zhǔn)溫度場T0(x,y,z) 對于鋼-砼混合結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)部分和混凝土結(jié)構(gòu)部分的基準(zhǔn)溫度場分別按照鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)確定。溫差場外部外部外部內(nèi)部內(nèi)部溫差場 外圍梁、柱、墻溫差02TTTT內(nèi)外溫差場 頂層屋面梁、板溫差02TTTT內(nèi)外溫差場 結(jié)構(gòu)內(nèi)部

3、構(gòu)件溫差0TTT內(nèi)砼收縮的當(dāng)量溫差場 砼在齡期 t 的收縮應(yīng)變 砼收縮的當(dāng)量溫差場 0)01. 0exp(1 sstssT溫度應(yīng)力調(diào)整及組合 因溫度應(yīng)力分析采用的是瞬態(tài)彈性方法 1）為考慮砼的徐變應(yīng)力松弛 砼構(gòu)件的溫度內(nèi)力可以 乘以折減系數(shù)0.3 鋼構(gòu)件不折減溫度應(yīng)力調(diào)整及組合 2）為考慮砼構(gòu)件裂縫引起的剛度退化 砼構(gòu)件的剛度可以乘以折減系數(shù)0.85 鋼構(gòu)件不折減 溫度應(yīng)力調(diào)整及組合 溫度效應(yīng)的組合貢獻 正常組合的附加項：2 . 18 . 0TTTTTkS可以取分項系數(shù)可以取組合值系數(shù)溫度梯度 所謂溫度梯度，指的是溫度場在構(gòu)件截面方向的變化率。它在數(shù)值上等于構(gòu)件內(nèi)外（對柱）或者上下（對梁、板）

4、表面的溫差與截面高度（或厚度）的比值。 溫度梯度產(chǎn)生局部的附加彎矩，結(jié)構(gòu)的頂層及外周構(gòu)件往往存在明顯的溫度梯度。溫差對結(jié)構(gòu)的豎向錯動效應(yīng) 內(nèi)外構(gòu)件的溫差不一致，造成結(jié)構(gòu)的豎向錯動變形 一般頂部的若干層連接內(nèi)筒與邊柱的框架梁，會產(chǎn)生較大的錯動彎矩和剪力 底部若干層豎向構(gòu)件（柱和墻）的軸力會出現(xiàn)明顯的重分配（有的構(gòu)件軸壓比增大，有的構(gòu)件軸壓比減?。夭顚Y(jié)構(gòu)的豎向錯動效應(yīng)錯動彎矩明顯軸力重分配明顯溫差對結(jié)構(gòu)的豎向錯動效應(yīng) 針對溫差引起的豎向錯動效應(yīng)，在設(shè)計上 對于頂部幾個樓層的框架梁，配筋應(yīng)該適當(dāng)加強； 對底部幾個樓層的柱和墻，軸壓比應(yīng)適當(dāng)從嚴(yán)控制，以避免溫度效應(yīng)引起的軸壓比超限。 可以通過對“外

5、表構(gòu)件”做好“隔熱”措施，以減小結(jié)構(gòu)的外表構(gòu)件溫度與結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件溫度的差值。溫差對結(jié)構(gòu)的水平伸縮效應(yīng) 由于水平構(gòu)件（梁、板）的伸縮受到豎向構(gòu)件（柱或墻）的約束，引發(fā)結(jié)構(gòu)的水平伸縮效應(yīng)。 哪里約束強，哪里溫度應(yīng)力大，這是特點，比如： 結(jié)構(gòu)下部樓層的梁、板存在較大的軸拉或者軸壓力，設(shè)計時宜考慮偏拉。 距離較近的兩個剪力墻筒體之間的連接構(gòu)件，溫度應(yīng)力顯著。 對均勻的結(jié)構(gòu)平面，平面中部構(gòu)件的溫度應(yīng)力顯著 引發(fā)筒體和框架柱明顯的彎矩和剪力溫差對結(jié)構(gòu)的水平伸縮效應(yīng)強筒體之間的水平構(gòu)件，溫度應(yīng)力顯著溫差對結(jié)構(gòu)的水平伸縮效應(yīng)均勻結(jié)構(gòu)平面的中部，溫度應(yīng)力顯著溫差對結(jié)構(gòu)的水平伸縮效應(yīng) 減小水平伸縮效應(yīng)的措施 1）

6、砼低溫入模，低溫養(yǎng)護，盡量降低砼的終凝溫度 2）設(shè)置后澆帶(40m左右)，避開砼收縮應(yīng)變的高峰發(fā)展期，從而有效釋放大部分的收縮應(yīng)力（最好60d后澆筑后澆帶，不少于30d） 3）通過高濕度養(yǎng)護、減小水灰比和水泥用量、改善水泥和砂石骨料的質(zhì)量、適當(dāng)提高配筋率，均可減小砼的收縮應(yīng)變 4）改善使用環(huán)境 PMSAP溫度應(yīng)力分析 溫度應(yīng)力分析是PMSAP程序的一個特色 PMSAP具有較為完善的溫度應(yīng)力分析功能，對多高層建筑中的梁、柱、支撐、剪力墻和樓板，均可計算其溫度內(nèi)力及變形，并且可以把溫度內(nèi)力考慮到構(gòu)件配筋設(shè)計中。PMSAP溫度應(yīng)力分析 溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響在實際工程中經(jīng)常會遇到，可以按照前面講過的方

7、法在結(jié)構(gòu)設(shè)計中定量考慮； 但由于準(zhǔn)確確定溫差場的困難性，以及混凝土實際存在的收縮徐變、微裂縫發(fā)展等復(fù)雜情況，很多時候通過在構(gòu)造上采取措施，來避免溫度應(yīng)力的不利影響。 但即便是構(gòu)造上的定性的考慮，也需要設(shè)計者對結(jié)構(gòu)在溫度作用下產(chǎn)生的變形和內(nèi)力有一個整體的、趨勢上的把握，以明確結(jié)構(gòu)上溫度應(yīng)力集中的部位，從而有的放矢的采取措施。PMSAP溫度應(yīng)力分析 溫度應(yīng)力的計算一般包括兩個方面： （1）按照熱傳導(dǎo)理論，根據(jù)彈性體的熱學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部熱源、邊界條件、初始條件，計算彈性體內(nèi)各點在各瞬時的溫度，也即：決定溫度場。在PMSAP中，我們不考慮這個問題，溫度場需要由用戶定義。 PMSAP溫度應(yīng)力分析 （2）溫度

8、場知道以后，按照熱彈性力學(xué)的理論，根據(jù)各物質(zhì)點的溫度變化求解其溫度應(yīng)力，也即：決定應(yīng)力場，這是PMSAP要著重解決的問題。 PMSAP溫度應(yīng)力分析 PMSAP采用有限元法計算溫度應(yīng)力，構(gòu)件的溫度變化對結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力的影響將等效為某種荷載的影響，或者說，任給一種溫度變化，一定存在一種荷載，二者對結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力的影響完全一樣，這種荷載就稱為“等效荷載”。 這樣看來，如果能夠?qū)⒏鞣N構(gòu)件的溫度變化的等效荷載計算出來，接下來的分析就與通常的分析完全一樣了，所以說溫度應(yīng)力的分析，關(guān)鍵是要把各種構(gòu)件溫度變化的等效荷載弄清楚。 PMSAP溫度應(yīng)力分析 一維桿件的溫度等效荷載 對一維桿件，首先定義它的局部坐

9、標(biāo)系，局部系的x軸定義為桿軸,y軸和z軸定義為截面的兩個主慣性軸。瞬時溫度場在局部系中的分布函數(shù)可以一般地表達為：T=f(x,y,z)。一般而言，自由桿件在T=f(x,y,z)的作用下將同時發(fā)生伸縮和彎曲。在PMSAP中，我們考慮一種最常用的溫度分布：溫度在同一截面上不變化，只沿著桿軸線變化，也即T=g(x),這種溫度分布將使自由桿件只發(fā)生伸縮。PMSAP溫度應(yīng)力分析 設(shè)溫度沿桿軸線性變化： 等效荷載lxTTTJI)1 (221JIIIITTEANNN221JIJJJTTEANNNPMSAP溫度應(yīng)力分析 二維殼元的溫度等效荷載 以三角形殼元為例進行說明。設(shè)三角殼所在平面為xy面，法線為z軸，同

10、桿件一樣，我們只考慮形如：T=f(x,y)的溫度場，這種溫度場不使自由殼元發(fā)生彎曲，只使之發(fā)生伸縮。設(shè)三角殼的溫度分布為： 其中： 是面積坐標(biāo)，332211TLTLTLTiLPMSAP溫度應(yīng)力分析 等效荷載（等效體力部分）AxixxiAtfdALtfP31AyiyyiAtfdALtfP31PMSAP溫度應(yīng)力分析 等效荷載（等效面力部分）)6131(1)1 (10jiijijijiTTtELdsstLP)3161(1)1 (10jiijijijjTTtELdsstLPPMSAP溫度應(yīng)力分析步驟1）用PMCAD或者STS-1建立結(jié)構(gòu)模型。2）進入PKPM的“PMSAP”主菜單，然后進入“補充建?！?/p>

11、，點取“溫 度 荷載”菜單，在此定義各個樓層的各節(jié)點的溫度變化值。3）執(zhí)行“接PM生成PMSAP數(shù)據(jù)”4）進入“參數(shù)補充及修改”菜單，點取“參數(shù)修改-總信息”，按照需 要修改“溫度荷載參數(shù)”，包括砼構(gòu)件效應(yīng)折減系數(shù)，溫度荷載組合系數(shù)，彈性模量折減系數(shù)等。5）執(zhí)行“結(jié)構(gòu)分析與配筋計算”6）進入“分析結(jié)果的圖形顯示”察看計算結(jié)果，包括溫度荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形、構(gòu)件內(nèi)力以及考慮了溫度荷載組合的構(gòu)件配筋結(jié)果。全樓定義彈性膜指定節(jié)點溫差PMSAP溫度應(yīng)力分析注意事項PMSAP溫度應(yīng)力分析注意事項：1）所有樓板均應(yīng)定義成彈性膜2）剪力墻應(yīng)采用細(xì)分模型3）混凝土構(gòu)件的溫度效應(yīng)宜指定折減系數(shù),一般取為0.34)

12、 如果用溫度模擬砼收縮，應(yīng)作為一個獨立工況，且相應(yīng)溫度工況的屬性應(yīng)指定為“砼收縮”5) 如果用溫度模擬預(yù)應(yīng)力張拉，也應(yīng)作為一個獨立工況，且相應(yīng)溫度工況的屬性應(yīng)指定為“預(yù)應(yīng)力”PMSAP溫度應(yīng)力分析注意事項6）軟件會自動增加溫度工況的組合。不考慮溫度前n種工況，考慮后變?yōu)?n種。用戶可以調(diào)節(jié)地震、風(fēng)與溫度組合時的組合系數(shù)。7）溫度對）溫度對“砼梁砼梁” 產(chǎn)生的軸向拉壓力，產(chǎn)生的軸向拉壓力，pmsap會自會自動按照偏心受拉或偏心受壓進行截面設(shè)計。動按照偏心受拉或偏心受壓進行截面設(shè)計。8）溫度對）溫度對“砼板砼板” 產(chǎn)生的軸向拉力，產(chǎn)生的軸向拉力，pmsap會自動會自動按照偏心受拉進行截面設(shè)計，但不考慮軸壓力。按照偏心受拉進行截面設(shè)計，但不考慮軸壓力。9）溫度對）溫度對“砼柱砼柱