鋼筋混凝土框架溫度作用分析

摘 要：本文分析鋼筋混凝土框架計算溫差，利用有限元分析軟件，對鋼筋混凝土框架在計算溫差作用下的結(jié)構(gòu)受力進行分析，得出框架受溫度作用的影響因素，并提出減少溫度應(yīng)力的措施。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；框架；溫度作用；分析

中圖分類號：TU312 文獻標識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）10-0155-01

引言

某工業(yè)廠房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，縱向長度為81m。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]規(guī)定現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為55m。但由于工藝布置的需要，本工程廠房長度為81m，超過規(guī)范所允許的限值。本文采用有限元進行結(jié)構(gòu)計算，分析廠房在溫度作用的內(nèi)力分布，并對超長廠房結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、管理等方面提出一些建議。

1 廠房結(jié)構(gòu)布置

本工業(yè)廠房橫向為框排架承重體系，框排架的跨度分別為11m、9m、27m；縱向由縱梁和柱組成縱向框架結(jié)構(gòu)體系，柱距均為9m，共9跨；廠房框架柱截面分別為700x1600、700x1800、700x1400、700x1400；混凝土框架梁、柱混凝土強度等級均為C40。

2 廠房計算溫差的確定

混凝土結(jié)構(gòu)計算溫差包括結(jié)構(gòu)實體實際溫度差值變化（即季節(jié)溫差）和混凝土收縮當(dāng)量溫差兩部分。季節(jié)溫差是指由于季節(jié)溫度的變化，結(jié)構(gòu)使用環(huán)境溫度與安裝固定時的溫度差值?；炷潦湛s當(dāng)量溫差是指混凝土中所含水分的變化、化學(xué)反應(yīng)、溫度變化等因素引起的混凝土體積縮小折算成相應(yīng)的溫度減小值。

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，季節(jié)溫差以鋼筋混凝土終凝是的溫度和該建筑物在使用期間可能遇到的最大或最小溫差來計算，習(xí)慣上季節(jié)溫差取為：

Ty=Tmax （min）+T0

其中：Tmax為最熱月的平均溫度，Tmin為最冷月的平均溫度，T0為混凝土終凝時的溫度。

混凝土收縮當(dāng)量溫差的計算模式采用王鐵夢公式[2]，即：

通過計算混凝土收縮量，換算成溫度降低值，類似結(jié)構(gòu)混凝土收縮當(dāng)量溫差為-20℃左右，本工程取-20℃來計算。

由于工程實際施工時的具體溫度是不能完全確定的，并且當(dāng)量溫差的計算公式也是半經(jīng)驗，受各種因素影響大，溫差按照以下情況綜合考慮：

T=最低月平均溫度-多年平均溫度+收縮當(dāng)量溫差

T=-8.4-12.7+（-20）=-41.1℃

實際計算框架結(jié)構(gòu)的溫度內(nèi)力時，還應(yīng)考慮塑性系數(shù)和松弛系數(shù)?？紤]徐變的影響，其塑性系數(shù)取0.85，松弛系數(shù)取0.3～0.5。綜合考慮各種因素，本結(jié)構(gòu)的計算溫差為-41.4×0.85×0.5=-17.6℃

3 廠房溫度應(yīng)力計算分析

利用有限元計算軟件，對單榀縱向框架進行計算，整體輸入-17.6℃度的溫差降，梁柱的混凝土強度為C40。模型計算時僅考慮梁柱作用，不考慮樓板對框架的作用。

經(jīng)分析可以得出：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在季節(jié)溫差和收縮當(dāng)量溫差的共同作用下：（1）底層梁中間跨框架梁軸力最大，向邊跨方向逐漸衰減；（2）底層邊跨梁柱節(jié)點處產(chǎn)生的梁端彎矩最大，向跨中方向逐漸衰減；（3）底層柱基礎(chǔ)處產(chǎn)生的柱端彎矩最大，向跨中方向逐漸衰減；（4）隨著樓層增加，以上各層框架梁、柱內(nèi)力迅速衰減，二、三層的內(nèi)力為底層梁、柱內(nèi)力的3%左右，三層以上的梁、柱內(nèi)力可以不考慮；（5）節(jié)點的最大位移出現(xiàn)在第二、三層，節(jié)點位移隨高度變化不一致，位移曲線類似一個雙曲線；（6）框架梁軸力在底層為正值，其他各層的軸力有正值，也有負值，也就是說，除了底層梁受拉以外，其他層框架梁有可能受拉，也有可能受壓；（7）和框架梁軸力變化一致，相應(yīng)的框架柱的剪力在第二層也出現(xiàn)反向。

構(gòu)件在溫度作用下會產(chǎn)生變形，如果被約束而被阻止了這種變形，就會產(chǎn)生溫度內(nèi)力。（1）～（4）條中，廠房框架溫度降低，框架自然收縮變形，由于基礎(chǔ)的約束作用，阻止了框架的收縮變形，從而產(chǎn)生了溫度內(nèi)力；且由于框架梁的軸向剛度（EA/L=385kN/mm）比框架柱的側(cè)向剛度（3nEI/L3=62.4kN/mm）要大得多，廠房框架縱向的收縮變形在底層已經(jīng)完成，從而導(dǎo)致溫度內(nèi)力集中在底層。（5）～（7）條中，由于框架柱有一定的側(cè)向剛度，在底層柱變形較大時，會在上一層（或幾層）產(chǎn)生一個相反方向的變形，從而在上一層框架梁中產(chǎn)生一個反向的內(nèi)力——壓力。

為進一步了解溫度作用下框架產(chǎn)生的內(nèi)力分布規(guī)律，筆者通過調(diào)整縱向框架長度、底層柱高度、框架梁截面、框架柱截面，計算不同條件下相同溫差所產(chǎn)生的梁最大軸力。

經(jīng)分析我們可以得出，不同長度廠房框架在相同溫差下產(chǎn)生的梁最大軸力隨底層柱高度的增加而減小，隨廠房縱向框架長度、框架梁截面積、框架柱截面積的增加而增加，基本呈線性關(guān)系。

4 減小廠房溫度應(yīng)力的措施

以上對廠房縱向框架的內(nèi)力分析我們可以看出，當(dāng)廠房結(jié)構(gòu)縱向長度超過規(guī)范限值時，溫度作用的效應(yīng)是不可以忽略的，如何盡量避免產(chǎn)生過大的溫度作用效應(yīng)，是廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須要考慮的問題。

工業(yè)廠房的樓層高度受工藝布置的限制，很難調(diào)整底層結(jié)構(gòu)高度，增加廠房基礎(chǔ)埋深，也會導(dǎo)致地震作用、風(fēng)荷載等荷載效應(yīng)的增加。雖然可以通過調(diào)整框架梁的截面減小溫度應(yīng)力，但實際工程中考慮到混凝土樓板約束，減少框架梁截面的意義也不大。因此在結(jié)構(gòu)保證安全的前提下，盡量減小框架柱的截面、改變底層縱梁的布置可以達到減小廠房溫度應(yīng)力的效果。

增加建筑的外保溫、保證一定室內(nèi)工作溫度可以減小季節(jié)溫差，而選用低水化熱水泥、減小水泥用量、控制水膠比、加強混凝土養(yǎng)護、增加后澆帶等等措施可以減小混凝土收縮當(dāng)量溫差。通過減小計算溫差，也可以達到減小廠房溫度應(yīng)力的效果。

參考文獻

[1] 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[J].中國建筑工業(yè)出版社，1997.