超長結構溫度應力計算探討

1、超長結構溫度應力計算探討一、溫度作用的特點:溫度作用是在規(guī)定時期內結構或結構構件由于溫度場變化所引起的作用,具有以下特點:1溫度作用是由結構材料“熱脹冷縮”效應被結構內、外約束阻礙而在結構內產(chǎn)生的內力作用,屬于間接作用;2溫度作用隨外界環(huán)境的變化而變化,有明顯的時間性,屬于可變作用;3建筑結構從開始建造到拆除都會受到所處溫度場影響,因而溫度作用伴隨著結構的生命全周期過程;4引起結構溫度變化因素很多,有氣候季節(jié)變化、太陽暴曬輻射和其它人為因素(如火災等,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:根據(jù)溫度作用的特點可知,結構中產(chǎn)生的溫度作用大小主要與結構材料線膨脹系數(shù)和結構

2、長度有關。表1為常用材料線膨脹系數(shù)T,可見結構鋼和混凝土的線膨脹系數(shù)非常接近。正因為如此,在計算鋼筋混凝土結構的溫度作用時才可以只按混凝土一種材料近似考慮。材料確定的情況下,長度越長,溫度作用越大。在完全沒有約束的情況下,總長為100m、截面為600x600的普通混凝土梁溫度每升高或降低20,梁長度將增加或減少20mm;如果端部的變形完全受到約束,將在梁內部產(chǎn)生約2160KN(按強度等級為C30計算的軸向壓力或拉力,該力約為混凝土軸向抗拉強度標準值的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普通混凝土10砌體610鋼,鍛鐵,鑄鐵12不銹鋼16鋁,

3、鋁合金24實際結構不可能沒有約束,總會在結構中產(chǎn)生溫度應力,當結構長度較小時,可忽略溫度應力和溫度變形對結構的影響?，F(xiàn)行規(guī)范根據(jù)不同的結構形式給出該長度(溫度區(qū)段長度經(jīng)驗值,詳見表2,當結構超出該長度時才有必要進行溫度作用計算。表2: 鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距(m結構類型室內或土中露天排架結構裝配式100 70框架結構裝配式75 50 現(xiàn)澆式55 35剪力墻結構裝配式65 40 現(xiàn)澆式45 30擋土墻、地下室墻壁等類結構裝配式40 30 現(xiàn)澆式30 20建筑結構設計時,應首先采取有效構造措施來減少或消除溫度作用效應,如設置結構的活動支座或節(jié)點、設置溫度縫、采用隔熱保溫措施等。當結構或構件在

4、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(應力或變形可能超過承載能力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)時,比如結構某一方向平面尺寸超過伸縮縫最大間距或溫度區(qū)段長度、結構約束較大、房屋高度較高等,結構設計中一般應考慮溫度作用。臺州市住宅工程質量通病防治導則(臺建規(guī)2011202號5.1.3 房屋伸縮縫設置間距應控制在規(guī)范規(guī)定范圍之內,當框架結構房屋長度為40m55m中部未設伸縮縫及后澆帶時,應加強縱向配筋構造措施;當房屋長度55m80m中部未設縫時應設置后澆帶并加強縱向配筋構造措施;房屋長度80m以上時應設縫,未設縫時應進行溫度應力計算,并按計算結果采取可靠的防裂措施。以前規(guī)范對溫度作用的計算方

5、法沒有明確的規(guī)定,可在實際工程尤其是超長的大跨空間結構商業(yè)綜合體、超長地下室等的應用越來越廣泛,溫度工況和分項系數(shù)等的取值也是仁者見仁、智者見智。為適應這一發(fā)展需要,現(xiàn)行國家規(guī)范建筑結構荷載規(guī)范(GB50009-2012增加了溫度作用計算的相關內容,為溫度作用的計算提供依據(jù),其要點總結如下:由于統(tǒng)計上的不確定性和時間變化,溫度作用一般都有一個區(qū)間概念,如結構合攏溫度是一個區(qū)間,結構使用過程中溫度也是一個區(qū)間。結構溫度作用計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。結構最高平均溫度和最低平均溫度

6、分別由最高、最低基本氣溫確定?！皩Ρ┞队诃h(huán)境氣溫下的室外結構,結構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”,對溫度變化敏感的金屬結構(如鋼結構,還要考慮晝夜氣溫變化對基本氣溫進行適當放大;對室內結構,結構最高平均溫度和最低平均溫度可依據(jù)室內和室外的環(huán)境溫度按熱工學的原理確定,當僅考慮單層結構材料且室內外環(huán)境溫度類似時,可近似地取室內外環(huán)境溫度的平均值。結構設計時一般要明確結構合攏溫度,也就是最高和最低初始溫度,一般和施工時間有很大關系,但設計不可能等到施工那一天才進行溫度作用計算,因此需要預定一個合攏溫度區(qū)間。這個溫度區(qū)間應盡量對施工時溫度有合理預見,使施工單位有實施可能

7、性,即應考慮施工的可行性和工期的不可預見性。區(qū)間不能太小,否則施工沒法保證。溫度區(qū)間也不能太大,否則溫度作用預估過大。在沒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。混凝土結構的合攏溫度一般可取后澆帶封閉時的月平均氣溫,鋼結構的合攏溫度一般可取合攏的日平均溫度,但當合攏時有日照時,應考慮日照的影響。實際施工時的合攏溫度的核定可取結構合攏當日的日平均氣溫。規(guī)范給出了溫度作用分項系數(shù)和組合值系數(shù)建議值,即分項系數(shù)按可變荷載取1.4,組合值系數(shù)取0.6。三、溫度作用計算軟件應用1.計算條件:本工程

8、采用PMSAP(2010 版分析溫度荷載對裙房屋面梁、板、柱的影響。計算模型:導入PMCAD模型計算溫差:±5以下為溫度荷載的輸入?yún)?shù): 2.計算結果及分析:1.樓板計算結果:1 無塔樓約束區(qū)域板面溫度應力為1.2MPa左右,采用附加拉通鋼筋抵抗溫度應力作用。取1m板帶計算如下: As=As,=153mm2,為板底板面所需附加拉通鋼筋。2 有塔樓約束區(qū)域板面溫度應力為1.8MPa左右,采用附加拉通鋼筋抵抗溫度應力作用。取1m板帶計算如下:AsAs，280mm2，為板底板面所需附加拉通鋼筋。 溫度應力局部區(qū)域有變化，采用上述同樣方法換算成普通鋼筋。 2梁計算結果 由于屋面梁需考慮裂縫，

9、經(jīng)比較，均為裂縫計算結果控制配 筋。 溫度作用使多跨度梁產(chǎn)生較大軸力， 一般無塔樓約束區(qū)域中 間梁軸力達 700kN 左右， 有塔樓約束區(qū)域中部梁軸力達 800kN 左右， 洞口附近和剪力墻角處應力集中，最大的梁軸力達 1400kN。通過換 算中間跨采用 N4 20 的腰筋，局部軸力較大處腰筋計算確定。 3.柱計算結果 柱 PMSAP 計算配筋與 SATWE 相比，主要是塔樓周邊的柱子縱筋 增大，無塔樓約束區(qū)域與 SATWE 計算結果相同。 四、溫度作用計算工程實例： 星光耀廣場 A 地塊 6#樓溫度應力計算書： 本項目 6#商業(yè)樓位于臺州市路橋區(qū)路北街道，地塊東至銀座北 街，南至騰達路，西至

10、會展東路，北至雙水路。為 1 棟 5 層商業(yè)樓， 結構總高度 25.4 米，南北長約 188m，東西寬約 104m，為雙向均超 長的框架結構。 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， 溫度應力影響較大， 為避免單方面 “抗” 的方式造成浪費， 在屋面結構中部設置雙梁誘導縫，以釋放部分溫度應力。封閉前各部 分面積在規(guī)范規(guī)定不設縫范圍內，此時溫差引起的應力較小，可以忽 略不計；當后澆帶封閉后，整個區(qū)域作為一個整體進行剩余的收縮變 形和抵抗季節(jié)溫差作用。 根據(jù)臺州當?shù)貧庀蟓h(huán)境，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室外空氣溫度為

11、準。收 縮當量溫差考慮為永久收縮和合攏時收縮差值溫度等效值。 季節(jié)溫差 和當量溫差相加為混凝土最終溫差。 根據(jù)氣象局及建筑結構荷載規(guī)范(GB50009-2012提供的資料， 初定臺州地區(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，計算取為 10。 在軟件計算中， 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) 建筑結構荷載規(guī)范 (GB50009-2012 要求，溫度效應分項系數(shù)取值為 1.4，組合值系數(shù)為 0

12、.6。同時考慮到 徐變對內力的影響，取徐變折減系數(shù)為 0.3。 五、一些常見誤區(qū)及認識： 5.1 混凝土結構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，超長情況較多， 如何合理設置伸縮縫間距是結構工程師經(jīng)常要面對的問題。 工程實踐 表明，采取有效的綜合措施，伸縮縫間距可以適當增大。這些措施主 要包括：采用后澆帶、控制縫等施工措施，加強澆筑后的養(yǎng)護；采用 補償收縮混凝土、設置膨脹加強帶；采用專門的預加應力或增配構造 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力，合理設置后澆帶 并有可靠經(jīng)驗時可適當加大伸縮縫

13、的間距， 單一般不可用后澆帶替代 伸縮縫。 5.2 特殊結構的溫度作用 對于大型結構來說，溫度場僅是一個相對均勻的場，不可把所有 構件一概而論都取同樣的溫度作用。比如，室外構件可以認為承受大 氣環(huán)境溫度場，而室內構件則不同，它承受的溫度變化幅度一般要較 室外構件??；室內構件，有采暖和無采暖時的溫度變化幅度不同，屋 頂天窗處可以受到陽光直射的鋼構件和陽光無法照射的構件也不同； 即便是陽光直射的構件， 其迎光面和背光面有時也會形成梯度較大的 溫差。 因此， 對于此類工程應該根據(jù)經(jīng)驗把不同區(qū)域的構件區(qū)別對待， 必要時也可借助 CFD 數(shù)值模擬方法進行溫度場分析， 以指導設計時溫 度作用的取值。 5.3 考慮施工階段的暴曬時的溫度作用 施工周期較長的大跨度鋼結構，由于屋面維護沒有安裝，考慮 到太陽暴曬的影響， 施工階