超长结构在温度荷载作用下的理论分析

(山东科技大学 山东省青岛市 266690)

超长结构在温度荷载作用下的理论分析

李雪薇 李晓霞

(山东科技大学 山东省青岛市 266690)

针对超长结构设计，其关键在于对温度、变形等荷载效应的影响不同。但是由于受到了多余约束的抑制了超静定结构的变形，因而产生应力。本文根据温度荷载的基本理论将温度荷载分为日照温度变化、骤然温度变化和季节温度变化；温度荷载对结构的影响主要是通过施工、主体结构封顶、建筑装修和建筑投入使用四个阶段。

超长结构；超静定结构；温度荷载；徐变

0 前言

近一个世纪以来，全球气温不断升高，特别是夏季阳光下最高气温已超过50℃，且温度荷载对建筑结构影响较为明显。因此，温度荷载问题已日益成为国内外科研学者的研究的对象，建筑物在自然界中大都会遭受自然环境的侵害。经过大量试验表明：由太阳辐射所引起的日照温差变化、突然的降温以及四季交替变换引起的温度变化，致使建筑结构产生严重的损伤。当钢筋混凝土构件受到结构内外温差的约束限制时，其结构内部就会产生较大的温度应力变化，从而能引起结构的变形乃至构筑物的开裂。总之，在一定的温度变化当中，温度荷载在实际工程当中是不可忽视的。

超长结构设计之所以与其他结构物区别的关键之处在于：对温度、变形等荷载效应的充分考虑。在没有外界约束条件下，构件在收缩、温度以及徐变作用下是没有应力变化的影响。构件的收缩、温度应力从本质上来说也是由特定条件约束引起的。超长混凝土框架结构受到温度荷载的作用将会使产生主要以下两个方面的不利影响：

1.构件在连续浇筑时，由于混凝土内部自身的收缩及水化作用，使构件的内部体积产生不均匀变化，同时构件内部较大的应力促使混凝土构件开裂。

2.在温度变化影响下混凝土构件会产生热胀冷缩的现象，由此会造成的混凝土构件的内力，结构内部产生较大的的应力变化。

1 温度荷载的分类

随着城市建设的快速发展，人们对建筑物结构布局要求也随之提升。从而各种大型建筑物的建设开始标新立异，人们对建筑物长度的需求也越来越高。处在自然环境中的建筑物，从施工开始到建筑物的正式投入使用，经历复杂的自然环境条件变化会产生一定的影响。通常对于钢-混框架结构，由自然环境变化引起的温度荷载通常分为以下3类[1]：日照温度变化、骤然温度变化以及年温温差温度变化。

1.1日照温度变化

影响建筑物的日照温度变化的因素比较多，原因也较为复杂。我们通常从研究和设计的角度控制结构的温度应力，其中太阳辐射和气温变化对建筑物的影响最为突出。

1.2骤然温度变化

骤然温度变化情况主要有两种：一种是在突遇冷空气或者雨雪的情况下，建筑物的外表面发生了迅速降温；二是当日落时，建筑物外表面温度迅速下降。在这两种情况下，建筑物会出现应力变化。同样，在突遇热空气或者日出时也会骤然升温。

1.3季节温度变化

在四季交替中，其季节的变化会引起建筑物的温度变化, 而这种变化具有长期、持续和缓慢的特点，使整个建筑物产生均匀的温度变化。因此，季温变化的取值为最高月与最低月平均温度之差，并且以平均温度来考虑温度对建筑物的影响。

2 温度荷载对结构的作用

对钢-混框架结构来说，温度对其主体结构的影响可以从四个阶段来加以解释[2]：

2.1施工阶段

现浇混凝土框架结构在施工时，通常采用分层施工法。在施工阶段，水泥水化过程中产生的水化热，从而使楼层内产生温度应力。一段时间后，水泥会发生冷却从而使混凝土硬化失水收缩，其楼层平面产生温度收缩应力。柱对框架梁和板的约束会产生较大的拉应力，与此同时，在梁和板的变形过程中，对柱产生了推力或者拉力。相对比，超长钢筋混凝土结构的平面尺寸较大且竖向构件的约束也较大，在温度收缩的梁和板结构，引起了梁板产生拉力应力，当此应力比混凝土极限抗拉强度大时，会导致裂纹的产生，这将直接影响建筑物的正常使用。

结构主体施工时一般采用分层施工法，此施工工法队混凝土结构的变形影响较小，把这种影响限定的条件下，是在结构中的某一高度范围内。由于混凝土水化热所产生的变形一般前快后慢，结构一大半的变形是在混凝土龄期以内发生。因此，混凝土的收缩变形对温度应力影响主要在混凝土龄期以内。按照现有国内施工单位的施工速度，在主体结构中，出现单层平面的混凝土收缩应力区域一般存在于4、5层之内。另外，对普通的民用建筑结构中的小尺寸构件，混凝土一大半的收缩变形一般在2到3周内就可以完成。结合实际情况，由于混凝土受到下一层结构的影响，该层自身收缩变形将会大大减小。在建筑物施工过程中，针对混凝土收缩变形对主体结构的影响，可以不进行单独分析，通过计算将收缩变形与结构的实际温度变化进行相叠计算。

2.2主体框架结构封顶阶段

主体框架架构封顶阶段是处于空气通透的状态。这种状况为短期状态，可把主体结构视为悬臂结构。假设在该阶段对屋面板没有进行保温隔热处理，当大气在快速升温很快或降温时，由于顶部结构受太阳直射，所以顶部的1-2层受影响最大，如果升温或者降温的幅度较大，楼层平面内的混凝土就会发生有可能造成结构破坏的收缩或者膨胀变形，该变形在梁板中产生不利的拉应力或者压应力，这样也使柱受到了水平的推力或者拉力。

在钢筋混凝土框架结构施工过程中，内部的柱子受温度变化的影响较小，可认为处在恒定且均匀的温度场中。在升温热膨胀或者降温冷缩时，受影响最大的边柱会受到了楼层中梁板的约束，因此，将会产生压应力或者拉应力。这种情况下，就会造成梁与板结构两端出现支座下沉，此时，结构受竖向温度应力，对结构影响是最不利的。

2.3建筑装修阶段

这一阶段，建筑物围护结构和外围装修等已经砌筑完成。这时的主体结构中，已经完成收缩变形的混凝土占80%以上。通过第二阶段中的分析，大气温度对主体结构的变化影响较小，但是由于底部受到了约束而影响较大。考虑到工期，在这段时间内，大部分混凝土的徐变变形已经完成，结构中的温度收缩应力较小。大气温度变化一般情况下对混凝土框架结构的影响不大，这主要是由于保温隔热层及立面装饰均的存在。

3 混凝土的徐变与应力松弛

混凝土徐变是指混凝土结构在受到长期不变外荷载的作用时，变形随时间增长的现象[4-5]。研究发现，弹性变形大约占混凝土徐变的1/3。由于在混凝土受力后，水泥石中的胶凝体会进行持久的相对黏性流动，在这种情况下混凝土易产生徐变；骨料之间的结合面会产生持续的裂缝破坏；而塑性变形是在混凝土在本身重力作用下发生。混凝土的徐变在混凝土框架结构中，可能会产生两种情况：徐变的变形和结构的应力松弛。徐变变形是指在应力不变的情况下，变形随时间增大的过程。而应力松弛是在指变形不变的情况下其内力随时间的增加而减少的过程。

在对构件进行温度分析的实际计算时，考虑到开裂后，建筑物的刚度下降，将有限元弹性计算的温度内力与折减系数相乘的结果作为作用在结构上的实际温度应力，这样，有限元线弹性分析计算的结果就可以较为准确地反映出结构中温度应力的分布状况。

4 结论

由于引起建筑结构温度变化的原因众多，而在实际工程中的大多数建筑结构都无可避免的承受着一定的温度荷载的作用。因此，温度应力对混凝土建筑结构来说是不可忽略的荷载，甚至会成为导致建筑结构开裂或破坏的重要因素。尤其是超长混凝土结构当中，在早期水化热或者季节性温差变化条件下，产生的温度应力很有可能造成超长建筑结构出现裂缝，从而对其正常使用功能造成极大的危害，其中对有较高抗渗、抗裂要求的混凝土尤为重要，因此超长钢筋混凝土框架结构在工程实践中不能完全忽视温度应力对结构的影响。

[1]施燃.超长隔震框架的温度应力及抗震性能的研究[D],武汉理工大学,2012

[2]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京：人民交通出版社,1991,85-89

[3]伍朝晖,孙柏林.温度应力对超长结构的影响[J],建筑结构,2002,32(8)：28-29

[4]李天德.通过徐变与收缩试验探讨混凝土的特性[J],工程质量,2005(10)：41-46

[5]辛颖.超长混凝土结构在温度作用下的受力分析[D],上海：同济大学,2007

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1007-6344（2017）04-0298-01

李雪薇 女 1990 山东烟台 山东科技大学研究生，方向：结构工程