温度作用与结构设计

温度作用与结构设计

一、前言

GB50009-2012把温度作用正式列入建筑结构荷载规范，但它未提及结构设计中如何加以考虑。

SATWE等程序虽包含温度效应计算内容，但对温度内力计算时必须先行解决的杆件截面内温度场问题，程序并没有涉及，而是由用户自行定义。

1、常见思路

确定合拢温度：若取年平均气温、武汉地区为16℃

温度变化幅度：武汉地区、夏季37℃-16℃=21℃、冬季16℃-（-5℃）=21℃温度内力计算时结构计算简图与其它永久、可变荷载相同

2、问题

建筑物不同部位（地上与地下、室内与室外）的环境温度并不相同。因此，不能简单认为气候温度就是环境温度。

同样环境下，结构部位不同、保温隔热措施不同、构件的计算温度也不同。因此，不能简单把环境温度取作构件温度。

结构支座作为几何约束它的位移为零，作为温度约束它的位移并不为零。因此，只有把温度约束转换为几何约束，才能用对荷载作用的结构计算简图进行温度内力计算。

二、环境温度取值

1、环境温度组成

以太阳为热源，环境温度可由日照温度t s和空气温度t e组成。

日照温度ts是太阳辐射作用直接在物体表面产生的温度，它是一个非均匀温度场，可由下式计算：

—太阳辐射吸收系数。可参照“民用建筑热工设计规范”GB50176、附录2.6

—水平或垂直面上的太阳辐射照度。可参照GB50176、附录三、附表3.3 —外表面换热系数。取19.0W/㎡•K

空气温度t e受太阳间接作用的影响，它是一个均匀的温度场。

环境温度（又称综合温度）t se=t s+t e

室内t s=0。因此，室内环境温度t se=t e

2、环境温度的取值

室外空气温度夏季50年一遇最高日平均温度。可参照GB50176附录三、附表3.2。

冬季50年一遇最低日平均温度。可参照GB50176附录三、附表3.1或“采暖通风与空气调节设计规范”GBJ19。

室内空气温度夏季空调设计温度

冬季采暖设计温度

计算日照温度时，建议太阳辐射照度计算值，取日照辐射时段内太阳辐射照度的平均值。太阳辐射照度可参照GB50176附录三，附表3.3。

三、结构的温度内力

1、导热微分方程的解

无内热源的导热微分方程

其中——热扩散率（㎡/s），表征材料的温度传导能力

铝9.45×10-5㎡/s；钢筋砼7.64×10-7㎡/s（1/124）；

泡沫砼（ρ=627kg/m³）2.9×10-7㎡/s（1/326）；

木材 1.5×10-7㎡/s（1/600）。

以日为周期的温度变化可表示为：平均温度+脉动温度

以日为温度变化周期，温度变化幅度小、周期短、影响范围十分有限（脉动温度影响深度钢筋砼0.0165m，加气砼砌块0.00626m）。忽略非稳态项影响，则导热微分方程简化为：

（1）墙、板

稳态导热情况下，墙、板在平面内温度均匀稳定，只沿厚度方向发生变化。

因此，墙、板所对应的导热问题应是一维稳态导热。

如上图所示，墙、板厚度为δ、表面温度分别为t1和t2。

导热微分方程：

边界条件，

求解得截面内温度分布

由温度作用产生的应变α

α—材料的线膨胀系数。GB50009、第9.1.2条、表9.1.2 变形受约束时截面内的应力εα

由应力积分，单位宽度上作用的约束轴力N和约束弯矩M 这就是用位移法求解结构温度内力时所需的构件固端内力

（2）梁、柱

稳态导热情况下，梁、柱沿轴线方向温度均匀稳定，只在截面内发生变化。因此，梁、柱所对应的导热问题应是二维稳态导热。

如上图所示，高、宽为b、a的梁、柱，三边温度为t1、一边温度为t2。

导热微分方程：

边界条件：，；，；

，；，；

求解得截面内温度分布：

∞

变形受约束时，同理可得杆件两端的约束轴力N和约束弯矩M。

α

（ ）∞

α

（ ）

∞

应该指出，结构力学教材中固端梁温度内力计算公式是一维的公式，它并不满足二维的边界条件。

二种算法温度场的比较

传统方法（一维导热） 现方法（二维导热）

2、多层材料覆盖下构件的温度分布

结构构件表面通常覆盖有砂浆层、装饰层，外墙还有保温、隔热层，屋面往往还铺设有防水层。因此，就热传导讲结构构件它是

由多层材料选合而成的复合构件。它的温度分布可以上述单一材料

构件的导热微分方程介为基础，通过传导过程中的物理特性来得到。（1）墙、板

对于一维稳态导热，传导过程中热流量不变，经推导可得对应每一次对流换热或传导的温度降：

外内

外内其中：；

外、

内

—室外和室内的环境温度（或综合温度）；

外、

内

—构件外、内表面对流换热热阻；

夏季

外㎡；冬季

外

㎡；

内

㎡；

—第i层材料的导热热阻，

—第i层材料的厚度（m）

—第i层材料的导热系数（W/m•K）详GB50176、附录四。

已知

外、

内

及，就可以得到各层材料的界面温度。

例：某建筑物夏季室外环境空气温度为36.9℃，室内空调设计温度为26℃，屋面太阳辐射的日照温度为23℃。屋面做法，各层材料导热系数、相应的换热及导热热阻、各层材料的截面温度变化等如下：