超長結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的理論分析

(山東科技大學 山東省青島市 266690)

超長結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的理論分析

李雪薇 李曉霞

(山東科技大學 山東省青島市 266690)

針對超長結(jié)構(gòu)設計，其關(guān)鍵在于對溫度、變形等荷載效應的影響不同。但是由于受到了多余約束的抑制了超靜定結(jié)構(gòu)的變形，因而產(chǎn)生應力。本文根據(jù)溫度荷載的基本理論將溫度荷載分為日照溫度變化、驟然溫度變化和季節(jié)溫度變化；溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響主要是通過施工、主體結(jié)構(gòu)封頂、建筑裝修和建筑投入使用四個階段。

超長結(jié)構(gòu)；超靜定結(jié)構(gòu)；溫度荷載；徐變

0 前言

近一個世紀以來，全球氣溫不斷升高，特別是夏季陽光下最高氣溫已超過50℃，且溫度荷載對建筑結(jié)構(gòu)影響較為明顯。因此，溫度荷載問題已日益成為國內(nèi)外科研學者的研究的對象，建筑物在自然界中大都會遭受自然環(huán)境的侵害。經(jīng)過大量試驗表明：由太陽輻射所引起的日照溫差變化、突然的降溫以及四季交替變換引起的溫度變化，致使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的損傷。當鋼筋混凝土構(gòu)件受到結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差的約束限制時，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生較大的溫度應力變化，從而能引起結(jié)構(gòu)的變形乃至構(gòu)筑物的開裂。總之，在一定的溫度變化當中，溫度荷載在實際工程當中是不可忽視的。

超長結(jié)構(gòu)設計之所以與其他結(jié)構(gòu)物區(qū)別的關(guān)鍵之處在于：對溫度、變形等荷載效應的充分考慮。在沒有外界約束條件下，構(gòu)件在收縮、溫度以及徐變作用下是沒有應力變化的影響。構(gòu)件的收縮、溫度應力從本質(zhì)上來說也是由特定條件約束引起的。超長混凝土框架結(jié)構(gòu)受到溫度荷載的作用將會使產(chǎn)生主要以下兩個方面的不利影響：

1.構(gòu)件在連續(xù)澆筑時，由于混凝土內(nèi)部自身的收縮及水化作用，使構(gòu)件的內(nèi)部體積產(chǎn)生不均勻變化，同時構(gòu)件內(nèi)部較大的應力促使混凝土構(gòu)件開裂。

2.在溫度變化影響下混凝土構(gòu)件會產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，由此會造成的混凝土構(gòu)件的內(nèi)力，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較大的的應力變化。

1 溫度荷載的分類

隨著城市建設的快速發(fā)展，人們對建筑物結(jié)構(gòu)布局要求也隨之提升。從而各種大型建筑物的建設開始標新立異，人們對建筑物長度的需求也越來越高。處在自然環(huán)境中的建筑物，從施工開始到建筑物的正式投入使用，經(jīng)歷復雜的自然環(huán)境條件變化會產(chǎn)生一定的影響。通常對于鋼-混框架結(jié)構(gòu)，由自然環(huán)境變化引起的溫度荷載通常分為以下3類[1]：日照溫度變化、驟然溫度變化以及年溫溫差溫度變化。

1.1日照溫度變化

影響建筑物的日照溫度變化的因素比較多，原因也較為復雜。我們通常從研究和設計的角度控制結(jié)構(gòu)的溫度應力，其中太陽輻射和氣溫變化對建筑物的影響最為突出。

1.2驟然溫度變化

驟然溫度變化情況主要有兩種：一種是在突遇冷空氣或者雨雪的情況下，建筑物的外表面發(fā)生了迅速降溫；二是當日落時，建筑物外表面溫度迅速下降。在這兩種情況下，建筑物會出現(xiàn)應力變化。同樣，在突遇熱空氣或者日出時也會驟然升溫。

1.3季節(jié)溫度變化

在四季交替中，其季節(jié)的變化會引起建筑物的溫度變化, 而這種變化具有長期、持續(xù)和緩慢的特點，使整個建筑物產(chǎn)生均勻的溫度變化。因此，季溫變化的取值為最高月與最低月平均溫度之差，并且以平均溫度來考慮溫度對建筑物的影響。

2 溫度荷載對結(jié)構(gòu)的作用

對鋼-混框架結(jié)構(gòu)來說，溫度對其主體結(jié)構(gòu)的影響可以從四個階段來加以解釋[2]：

2.1施工階段

現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)在施工時，通常采用分層施工法。在施工階段，水泥水化過程中產(chǎn)生的水化熱，從而使樓層內(nèi)產(chǎn)生溫度應力。一段時間后，水泥會發(fā)生冷卻從而使混凝土硬化失水收縮，其樓層平面產(chǎn)生溫度收縮應力。柱對框架梁和板的約束會產(chǎn)生較大的拉應力，與此同時，在梁和板的變形過程中，對柱產(chǎn)生了推力或者拉力。相對比，超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的平面尺寸較大且豎向構(gòu)件的約束也較大，在溫度收縮的梁和板結(jié)構(gòu)，引起了梁板產(chǎn)生拉力應力，當此應力比混凝土極限抗拉強度大時，會導致裂紋的產(chǎn)生，這將直接影響建筑物的正常使用。

結(jié)構(gòu)主體施工時一般采用分層施工法，此施工工法隊混凝土結(jié)構(gòu)的變形影響較小，把這種影響限定的條件下，是在結(jié)構(gòu)中的某一高度范圍內(nèi)。由于混凝土水化熱所產(chǎn)生的變形一般前快后慢，結(jié)構(gòu)一大半的變形是在混凝土齡期以內(nèi)發(fā)生。因此，混凝土的收縮變形對溫度應力影響主要在混凝土齡期以內(nèi)。按照現(xiàn)有國內(nèi)施工單位的施工速度，在主體結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)單層平面的混凝土收縮應力區(qū)域一般存在于4、5層之內(nèi)。另外，對普通的民用建筑結(jié)構(gòu)中的小尺寸構(gòu)件，混凝土一大半的收縮變形一般在2到3周內(nèi)就可以完成。結(jié)合實際情況，由于混凝土受到下一層結(jié)構(gòu)的影響，該層自身收縮變形將會大大減小。在建筑物施工過程中，針對混凝土收縮變形對主體結(jié)構(gòu)的影響，可以不進行單獨分析，通過計算將收縮變形與結(jié)構(gòu)的實際溫度變化進行相疊計算。

2.2主體框架結(jié)構(gòu)封頂階段

主體框架架構(gòu)封頂階段是處于空氣通透的狀態(tài)。這種狀況為短期狀態(tài)，可把主體結(jié)構(gòu)視為懸臂結(jié)構(gòu)。假設在該階段對屋面板沒有進行保溫隔熱處理，當大氣在快速升溫很快或降溫時，由于頂部結(jié)構(gòu)受太陽直射，所以頂部的1-2層受影響最大，如果升溫或者降溫的幅度較大，樓層平面內(nèi)的混凝土就會發(fā)生有可能造成結(jié)構(gòu)破壞的收縮或者膨脹變形，該變形在梁板中產(chǎn)生不利的拉應力或者壓應力，這樣也使柱受到了水平的推力或者拉力。

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)施工過程中，內(nèi)部的柱子受溫度變化的影響較小，可認為處在恒定且均勻的溫度場中。在升溫熱膨脹或者降溫冷縮時，受影響最大的邊柱會受到了樓層中梁板的約束，因此，將會產(chǎn)生壓應力或者拉應力。這種情況下，就會造成梁與板結(jié)構(gòu)兩端出現(xiàn)支座下沉，此時，結(jié)構(gòu)受豎向溫度應力，對結(jié)構(gòu)影響是最不利的。

2.3建筑裝修階段

這一階段，建筑物圍護結(jié)構(gòu)和外圍裝修等已經(jīng)砌筑完成。這時的主體結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)完成收縮變形的混凝土占80%以上。通過第二階段中的分析，大氣溫度對主體結(jié)構(gòu)的變化影響較小，但是由于底部受到了約束而影響較大?？紤]到工期，在這段時間內(nèi)，大部分混凝土的徐變變形已經(jīng)完成，結(jié)構(gòu)中的溫度收縮應力較小。大氣溫度變化一般情況下對混凝土框架結(jié)構(gòu)的影響不大，這主要是由于保溫隔熱層及立面裝飾均的存在。

3 混凝土的徐變與應力松弛

混凝土徐變是指混凝土結(jié)構(gòu)在受到長期不變外荷載的作用時，變形隨時間增長的現(xiàn)象[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)，彈性變形大約占混凝土徐變的1/3。由于在混凝土受力后，水泥石中的膠凝體會進行持久的相對黏性流動，在這種情況下混凝土易產(chǎn)生徐變；骨料之間的結(jié)合面會產(chǎn)生持續(xù)的裂縫破壞；而塑性變形是在混凝土在本身重力作用下發(fā)生?；炷恋男熳冊诨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)中，可能會產(chǎn)生兩種情況：徐變的變形和結(jié)構(gòu)的應力松弛。徐變變形是指在應力不變的情況下，變形隨時間增大的過程。而應力松弛是在指變形不變的情況下其內(nèi)力隨時間的增加而減少的過程。

在對構(gòu)件進行溫度分析的實際計算時，考慮到開裂后，建筑物的剛度下降，將有限元彈性計算的溫度內(nèi)力與折減系數(shù)相乘的結(jié)果作為作用在結(jié)構(gòu)上的實際溫度應力，這樣，有限元線彈性分析計算的結(jié)果就可以較為準確地反映出結(jié)構(gòu)中溫度應力的分布狀況。

4 結(jié)論

由于引起建筑結(jié)構(gòu)溫度變化的原因眾多，而在實際工程中的大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)都無可避免的承受著一定的溫度荷載的作用。因此，溫度應力對混凝土建筑結(jié)構(gòu)來說是不可忽略的荷載，甚至會成為導致建筑結(jié)構(gòu)開裂或破壞的重要因素。尤其是超長混凝土結(jié)構(gòu)當中，在早期水化熱或者季節(jié)性溫差變化條件下，產(chǎn)生的溫度應力很有可能造成超長建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，從而對其正常使用功能造成極大的危害，其中對有較高抗?jié)B、抗裂要求的混凝土尤為重要，因此超長鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在工程實踐中不能完全忽視溫度應力對結(jié)構(gòu)的影響。

[1]施燃.超長隔震框架的溫度應力及抗震性能的研究[D],武漢理工大學,2012

[2]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應力分析[M].北京：人民交通出版社,1991,85-89

[3]伍朝暉,孫柏林.溫度應力對超長結(jié)構(gòu)的影響[J],建筑結(jié)構(gòu),2002,32(8)：28-29

[4]李天德.通過徐變與收縮試驗探討混凝土的特性[J],工程質(zhì)量,2005(10)：41-46

[5]辛穎.超長混凝土結(jié)構(gòu)在溫度作用下的受力分析[D],上海：同濟大學,2007

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1007-6344（2017）04-0298-01

李雪薇 女 1990 山東煙臺 山東科技大學研究生，方向：結(jié)構(gòu)工程