淺談溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

滕潤(rùn)春

溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是一個(gè)值得研究的因素。從鋼結(jié)構(gòu)到混凝土,從施工到正常使用,溫度的分布和變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不容小視。

1 溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力是當(dāng)一物體中產(chǎn)生不均勻溫度分布時(shí)形成的。若取物體的一部分來(lái)考慮,由于受溫度不同的相連接部分的影響,結(jié)果會(huì)使膨脹或收縮受到約束,從而產(chǎn)生應(yīng)力。由于溫度變化不均勻,使物體各部分膨脹或收縮不同的量,然而物體還是要保持一個(gè)連續(xù)整體,各部分由于溫度變化自由脹縮是不允許的,因此結(jié)構(gòu)內(nèi)部各部分之間產(chǎn)生相應(yīng)的約束和應(yīng)力,這種由結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫差所產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為溫度應(yīng)力。

由于溫度分布不均勻,一般產(chǎn)生彈性約束,則各單元體的實(shí)際變形便會(huì)由兩部分組成,即約束應(yīng)變,自溫度相對(duì)變形。假定某點(diǎn)的承受溫差為Δt,線膨脹系數(shù)為α,則任何一點(diǎn)(微小立方體)的相對(duì)變形對(duì)空間問(wèn)題(三維問(wèn)題),即三向彈性約束問(wèn)題來(lái)說(shuō)有公式:

2 溫度應(yīng)力對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)于一般中小型跨度結(jié)構(gòu)的受力性能對(duì)溫度的反應(yīng)不明顯,但對(duì)于大跨度空間結(jié)構(gòu),溫度引起的變形大導(dǎo)致構(gòu)件的附加應(yīng)力和支座反力增加,結(jié)構(gòu)的豎向和水平位移變大。隨著現(xiàn)代大型體育場(chǎng)館(主要是鋼結(jié)構(gòu))的大規(guī)模修建,溫度應(yīng)力對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的影響成為一個(gè)具有普遍意義的話題。例如太陽(yáng)光照對(duì)溫度應(yīng)力的影響,如圖1,圖2所示為一個(gè)網(wǎng)殼在太陽(yáng)斜射角為60°的情況下的溫度場(chǎng)及在該不均勻溫度場(chǎng)作用下的網(wǎng)殼的豎向位移分布。表1為該網(wǎng)殼在兩種工況下的內(nèi)力和變形情況。

表1 不同工況下某單層網(wǎng)殼的最大內(nèi)力、反力和位移

從表1中可看出,溫度應(yīng)力對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的影響不容小視,是設(shè)計(jì)中不可回避的問(wèn)題。

某體育館雙曲拋物面網(wǎng)殼屋蓋平面尺寸為63 m×63 m,當(dāng)溫度差為30℃時(shí),拱向桁架弦桿溫度應(yīng)力最大達(dá)到51 MPa。若結(jié)構(gòu)使用Q235鋼,鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度210 MPa,溫度應(yīng)力占到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的24%。另有一雙層雙曲線網(wǎng)殼冷卻塔,高度32 m,底部?jī)?nèi)側(cè)半徑12.3 m,喉部?jī)?nèi)側(cè)半徑7 m,部分桿件的溫度應(yīng)力達(dá)到 50 MPa以上。鋼結(jié)構(gòu)中的溫度作用還會(huì)對(duì)其支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。某工程屋面選用75 m跨度鋼管拱架,溫度變化產(chǎn)生的拱腳水平推力達(dá)到了312 kN,而下部結(jié)構(gòu)頂端所能承受的推力為1 010 kN,可見(jiàn)溫度作用占到其全部承載力的30%。

3 溫度對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)的影響

實(shí)驗(yàn)表明,混凝土澆筑后強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率是隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增高而加快的,也是隨著齡期的增長(zhǎng)而漸減的。溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響主要是在形成強(qiáng)度的前10 d左右的時(shí)間,而對(duì)混凝土在28 d后的強(qiáng)度影響比較小。特別是在冬季施工,混凝土在澆筑后尚未硬化前,低溫下內(nèi)部水在結(jié)冰時(shí)體積會(huì)發(fā)生9%左右的增長(zhǎng),同時(shí)產(chǎn)生約2 500 kg/cm2的冰脹應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力值常常大于水泥石內(nèi)部形成的初期強(qiáng)度值,使混凝土受到不同程度的破壞(即早期受凍破壞)而降低強(qiáng)度。此外,當(dāng)水變成冰后,還會(huì)在骨料和鋼筋表面上產(chǎn)生顆粒較大的結(jié)晶,減弱水泥漿與骨料和鋼筋的粘結(jié)力,從而影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)冰凌融化后,又會(huì)在混凝土內(nèi)部形成各種各樣的空隙,從而降低混凝土的密實(shí)性及耐久性。

在實(shí)踐中,混凝土低溫下提高溫度的養(yǎng)護(hù)主要使用的有蓄熱法和外部加熱法。具體如下:

1)蓄熱法:主要用于氣溫-10℃左右,結(jié)構(gòu)比較厚大的工程。做法是:對(duì)原材料(水、砂、石)進(jìn)行加熱,使混凝土在攪拌、運(yùn)輸和澆灌以后,還儲(chǔ)備有相當(dāng)?shù)臒崃?以使水泥水化放熱較快,并加強(qiáng)對(duì)混凝土的保溫,以保證在溫度降到0℃以前使新澆混凝土具有足夠的抗凍能力。此法工藝簡(jiǎn)單,施工費(fèi)用不多,但要注意內(nèi)部保溫,且要延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期。2)外部加熱法:主要用于氣溫-10℃以上,而構(gòu)件并不厚大的工程。通過(guò)加熱混凝土構(gòu)件周?chē)目諝?將熱量傳給混凝土,或直接對(duì)混凝土加熱。蒸汽養(yǎng)護(hù):用蒸汽使混凝土在濕熱條件下硬化。此法較易控制,加熱溫度均勻。但因其需專(zhuān)門(mén)的鍋爐設(shè)備,費(fèi)用較高。電加熱:將鋼筋作為電極,或?qū)㈦姛崞髻N在混凝土表面,提高混凝土的溫度。此法簡(jiǎn)單方便,熱損失較少,易控制,不足之處是電能消耗量大。紅外線加熱:用高溫電加熱器或氣體紅外線發(fā)生器對(duì)混凝土進(jìn)行密封輻射加熱。

4 混凝土凍融破壞

溫度的交替變化對(duì)混凝土損傷和破壞主要表現(xiàn)在混凝土凍融破壞。隨著凍融次數(shù)的增加,混凝土的強(qiáng)度特性均呈下降趨勢(shì)。

混凝土凍融破壞是我國(guó)東北、西北和華北地區(qū)水工混凝土建筑在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的主要病害,對(duì)于水閘、渡槽等中小型水工混凝土建筑物,凍融破壞的地區(qū)范圍更為廣泛。如東北的云峰水電站,大壩建成運(yùn)行不到10年,溢流壩表面混凝土凍融破壞面積就高達(dá)10 000 m2,占整個(gè)溢流壩面的50%左右,混凝土平均凍融剝蝕深度達(dá)10 cm以上。

[1] 艾 兵,原明昭.房屋結(jié)構(gòu)在日照作用下溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu),1995(4):48.

[2] 龔召熊,張錫祥,肖漢江.水工混凝土的溫控與防裂[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999:3-4.

[3] 寧明仁,韓軍勝.北方地區(qū)水工混凝土碳化、凍融破壞及防治淺析[J].吉林水利,2004(6):20-23.

[4] 陸 慶.鋼筋混凝土溫度裂縫的分析及控制[J].山西建筑,2007,33(5):81-82.