钢筋混凝土高层建筑基于结构温度变形及温度内力的分析

钢筋混凝土高层建筑基于结构温度变形及温度内力的分析【摘要】：进行高层建筑设计和施工时，应充分考虑到温差对结构的影响，要考虑建筑结构施工的工作环境，对混凝土产生的收缩和徐变的影响，要分别考虑施工阶段、使用阶段的结构反应。

【关键词】：钢筋混凝土高层建筑结构温度变形温度内力

中图分类号： tu37 文献标识码： a 文章编号：

一、高层钢筋混凝土结构温度变形产生的影响

高层建筑结构不仅平面尺寸大，而且竖向的高度也很大，其竖向构件截面尺寸较大，温度变化和混凝土收缩不仅会产生较大的水平方向的变形和内力，而且也会产生竖向的变形和内力。根据有关资料统计，工程实践中结构物的裂缝原因属于由变形作用（温度、收缩、不均匀沉降）引起的约占80%以上，属于由荷载引起的约占20%左右，可见高层建筑结构设计中考虑变形作用的影响是很重要的，不容忽视。

高层建筑结构的温度变形与应力应该引起设计人员的重视。高层钢筋混凝土结构一般不计算由于温度、收缩而产生的内力。温度对构件的影响也不是均匀的。对钢构件由于截面很薄，当温度变化时，可以认为截面中的温度也会产生均匀的变化。但是对混凝土构件则不同，由于截面厚大，表面温度很难达到里面，此时可以认为温度向截面里面是逐渐衰减的。即梯度（线性、非线性）。

因为一方面高层建筑的温度场分布和收缩参数等都难以准确确定；另一方面混凝土又不是弹性材料，它既有塑性变形，还有徐变

和应力松弛，实际的内力要远小于按弹性结构的计算值。温度应力计算结果表明，温度-收缩应力计算值过大，难以作为设计依据。曾经计算过温度-收缩应力的其它建筑也遇到类似的情况。但由于种种原因，诸如高层建筑各处的温度场、混凝土收缩、徐变等随时间变化的变量因素还难以直接采用数值准确量化，混凝土收缩、徐变的弹塑性特征使分析处理复杂，所以一般很难准确地计算结构的温度－收缩应力，并且作为设计的依据。因此，钢筋混凝土高层建筑结构的温度-收缩问题，主要由构造措施来解决。

二、高层建筑的温度分析和温度变化的设计控制

1、高层建筑温度作用分析

施工阶段当主体结构完成后，未作内外装修和围护结构，结构处于通透状态时的温差造成的内力。正常使用阶段外墙围护结构已施工，室内处于自然通风状态时的温差造成的内力以及正常试用阶段，室内空调恒温状态时的温差造成的内力。温度变作用的具体表现为：构件内外表面温差造成的弯曲；构件内外表面温差的平均值比构件初始温度高（低）时造成的伸长（缩短）。对于钢筋混凝土结构，最不利温差与计算温差不同，其差异在于钢筋混凝土结构的特点：收缩、徐变以及裂缝。温度应力只按弹性计算太保守，造成材料浪费。由于结构遭受的年温差及收缩都是在相当长的时段变化中进行的，必须考虑徐变引起应力松弛，从而大幅度降低弹性应力。

2、温度变化的设计控制

竖向温差的控制：其对结构顶部的梁将引起较大的弯矩、剪力；

对结构底部的内外竖向构件会引起较大弯矩、轴力（拉、压）。因此，结构设计宜对底部竖向构件的轴压比留有余地，保证适合的配筋率；顶部若干层梁的配筋也要留有余地。对结构外露应做好保温隔热措施。

水平温差的控制：其对受到剪力墙约束的水平构件（楼板、梁）将会引起较大的轴力，反过来对剪力墙产生较大的剪力。因此，对剪力墙的轴压比、剪压比留有余地，下部楼层梁、板考虑偏心受拉的配筋。主动释放温差变形，如：混凝土低温入模养护、设后浇带、减少混凝土收缩应变、改善使用环境等。

三、高层建筑钢筋混凝土结构的收缩影响和徐变影响

1、钢筋混凝土结构的收缩影响

混凝土收缩可以用收缩当量温差来表示。收缩值换算为当量温差，永远是负值，应力为拉应力。收缩当量温差与最不利温差叠加计算。混凝土结构的降温与收缩同时考虑时，混凝土结构将承受互相叠加的拉应力，作用效应增大。而当升温与收缩同时考虑时，则两者作用效应会互相抵消，作用效应减小。

混凝土在空气中结硬时其体积会缩小的现象。结硬初期收缩变形发展很快，两周可完成全部收缩的25%，一个月完成50%，三个月后增长缓慢，两年后趋于稳定。

影响因素：（1）水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。（2）骨料性质：骨料的级配好，密度大，弹性模量高，收缩小。（3）养护条件：结硬过程中，温、湿度越大，收缩越小。

（4）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。（5）使用环境：环境温、湿度大时，收缩小。（6）构件体表比：体表比大时，收缩小。

2、钢筋混凝土结构的徐变影响

简单的做法是将实际温差乘以应力松弛系数，作为计算温差。根据温差变化过程速度的缓慢程度不同，应力松弛系数可取值为

0.3～0.5。温差变化过程速度快，应力松弛系数大，反之则小。

3)影响徐变的因素：（1）混凝土长期荷载作用下的应力；（2）加载时混凝土的龄期：加载时混凝土的龄期越短，则徐变变形越大；（3）混凝土的组成成分和配合比：水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大；骨料的弹性模量愈大，骨料体积在混凝土中所占的比重愈高，则徐变愈小。（4）养护及使用条件下的温度与湿度：养护时温度高，湿度大，则水泥水化作用充分，徐变减小；受荷后所处环境的温度越高，湿度越低，则徐变越大。4 )徐变对钢筋混凝土结构的影响：产生应力重分布、结构变形增大以及在高应力状态，导致构件破坏。

3、变形钢筋与混凝土的粘结

钢筋与混凝土由于受变形差（相对滑移）沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力。主要是变形钢筋表面凸出的肋与混凝土之间的机械咬合作用，变形钢筋的肋对混凝土的挤压如同一个楔，会产生很大的机械咬合力，从而提高了强变形钢筋的粘结力。

影响粘结强度的因素（1）混凝土强度：粘结强度与混凝土抗拉

强度大约成正比关系；（2）构件中钢筋的位置：混凝土浇筑后有下沉及泌水现象。处于水平位置的钢筋，其下的混凝土由于水分、气泡的逸出及混凝土的下沉，并不与钢筋紧密接触，削弱了二者之间的粘结作用，比竖向位置的钢筋的粘结强度要低。(3)钢筋的布置；

(4)混凝土保护层厚度。

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