温度应力分析--黄吉锋

• 基准温度场在理论上是存在且唯一的
基准温度场T0(x,y,z)
• 对于混凝土结构，其基准温度场T0(x,y,z) 可以近似取为混凝土的终凝温度场。 • 对于钢结构，如果在建造期间不产生装 配应力，或者即便有装配应力但在本次 分析中不考虑，则结构建造期的温度场 即可取为基准温度场。
基准温度场T0(x,y,z)
PMSAP温度应力分析
• 设温度沿杆轴线性变化：
T TI (1 ) TJ
• 等效荷载
N I N I1 N I 2
N J N J1 N J 2
xl
TI TJ EA 2 TI TJ EA 2
PMSAP温度应力分析
• 二维壳元的温度等效荷载 以三角形壳元为例进行说明。设三角 壳所在平面为xy面，法线为z轴，同杆件 一样，我们只考虑形如：T=f(x,y)的温度 场，这种温度场不使自由壳元发生弯曲， 只使之发生伸缩。设三角壳的温度分布为：
温度应力调整及组合
2）为考虑砼构件裂缝引起的刚度退化
砼构件的刚度可以乘以折减系数0.85 钢构件不折减
温度应力调整及组合
• 温度效应的组合贡献 正常组合的附加项：
T T ST
k
可以取组合值系数 T 0.8 可以取分项系数 T 1.2
温度梯度
• 所谓温度梯度，指的是温度场在构件截 面方向的变化率。它在数值上等于构件 内外（对柱）或者上下（对梁、板）表 面的温差与截面高度（或厚度）的比值。 • 温度梯度产生局部的附加弯矩，结构的 顶层及外周构件往往存在明显的温度梯 度。
PMSAP温度应力分析
• PMSAP采用有限元法计算温度应力，构件的温 度变化对结构的变形、内力的影响将等效为某 种荷载的影响，或者说，任给一种温度变化， 一定存在一种荷载，二者对结构的变形、内力 的影响完全一样，这种荷载就称为“等效荷 载”。 • 这样看来，如果能够将各种构件的温度变化的 等效荷载计算出来，接下来的分析就与通常的 分析完全一样了，所以说温度应力的分析，关 键是要把各种构件温度变化的等效荷载弄清楚。
Lij Et 1 1 Pi Lij t ij (1 s )ds ( Ti T j ) 1 3 6 0
1
Lij Et 1 1 Pj Lij t ij (1 s )ds ( Ti T j ) 1 6 3 0
1
PMSAP温度应力分析步骤
1）用PMCAD或者STS-1建立结构模型。 2）进入PKPM的“PMSAP”主菜单，然后进入“补充建模”，点取“温 度 荷载”菜单，在此定义各个楼层的各节点的温度变化值。 3）执行“接PM生成PMSAP数据” 4）进入“参数补充及修改”菜单，点取“参数修改-〉总信息”，按照需 要修改“温度荷载参数”，包括砼构件效应折减系数，温度荷载组合系 数，弹性模量折减系数等。 5）执行“结构分析与配筋计算” 6）进入“分析结果的图形显示”察看计算结果，包括温度荷载产生的结构 变形、构件内力以及考虑了温度荷载组合的构件配筋结果。
T T内 T0
砼收缩的当量温差场
• 砼在龄期 t 的收缩应变
s [1 exp( 0.01t )] s 0
• 砼收缩的当量温差场
s Ts
温度应力调整及组合
• 因温度应力分析采用的是瞬态弹性方法
1）为考虑砼的徐变应力松弛
砼构件的温度内力可以 乘以折减系数0.3 钢构件不折减
• 由于水平构件（梁、板）的伸缩受到竖向构件（柱或墙） 的约束，引发结构的水平伸缩效应。 • 哪里约束强，哪里温度应力大，这是特点，比如： 结构下部楼层的梁、板存在较大的轴拉或者轴压力，设 计时宜考虑偏拉。 距离较近的两个剪力墙筒体之间的连接构件，温度应力 显著。 对均匀的结构平面，平面中部构件的温度应力显著 • 引发筒体和框架柱明显的弯矩和剪力
结构温度效应
黄吉锋 编写 中国建筑科学研究院软件所
基准温度场T0(x,y,z)
• 基准温度场的定义： 在不考虑任何荷载的情况下，结构在某温 度场T0(x,y,z)作用下处于自平衡状态，如果结 构的当前构型与其初始设计构型完全相同(点点 重合)，则称T0(x,y,z)为该结构的基准温度场。 • 结构在基准温度场作用下：1）相对于初始构 型没有任何变形；2）所有构件均不产生内力 或应力。
PMSAP温度应力分析注意事项
10）pmsap提供的砼弹性模量折减系数，会 影响到恒、活、风、地震、温度等各种 工况的计算，可以利用该功能进行构件 承载力设计，但注意：不能作为位移控 制的依据。
PMSAP温度应力分析
温度引起的梁、柱弯矩图
其中： 是面积坐标，
Li
T L1T1 L2T2 L3T3
PMSAP温度应力分析
• 等效荷载（等效体力部分）
1 Pxi tf x Li dA f x At 3 A
1 Pyi tf y Li dA f y At 3 A
PMSAP温度应力分析
• 等效荷载（等效面力部分）
PMSAP温度应力分析注意事项
6）软件会自动增加温度工况的组合。不考虑温度前n 种工况，考虑后变为2n种。用户可以调节地震、风 与温度组合时的组合系数。 7）温度对“砼梁” 产生的轴向拉压力，pmsap会自 动按照偏心受拉或偏心受压进行截面设计。 8）温度对“砼板” 产生的轴向拉力，pmsap会自动 按照偏心受拉进行截面设计，但不考虑轴压力。 9）温度对“砼柱”、“砼墙”和“所有钢构件”产 生的所有内力，pmsap均会自动考虑到截面设计或 验算中。
温差对结构的水平伸缩效应
强筒体之间的水平构 件，温度应力显著
温差对结构的水平伸缩效应
均匀结构平面的中部， 温度应力显著
温差对结构的水平伸缩效应
• 减小水平伸缩效应的措施 1）砼低温入模，低温养护，尽量降低砼的终凝温度 2）设置后浇带(40m左右)，避开砼收缩应变的高峰发 展期，从而有效释放大部分的收缩应力（最好60d后 浇筑后浇带，不少于30d） 3）通过高湿度养护、减小水灰比和水泥用量、改善 水泥和砂石骨料的质量、适当提高配筋率，均可减小 砼的收缩应变 4）改善使用环境
PMSAP温度应力分析
• 温度应力分析是PMSAP程序的一个特色 • PMSAP具有较为完善的温度应力分析功 能，对多高层建筑中的梁、柱、支撑、 剪力墙和楼板，均可计算其温度内力及 变形，并且可以把温度内力考虑到构件 配筋设计中。
PMSAP温度应力分析
• 温度效应对结构的影响在实际工程中经常会遇 到，可以按照前面讲过的方法在结构设计中定 量考虑； • 但由于准确确定温差场的困难性，以及混凝土 实际存在的收缩徐变、微裂缝发展等复杂情况， 很多时候通过在构造上采取措施，来避免温度 应力的不利影响。 • 但即便是构造上的定性的考虑，也需要设计者 对结构在温度作用下产生的变形和内力有一个 整体的、趋势上的把握，以明确结构上温度应 力集中的部位，从而有的放矢的采取措施。
PMSAP温度应力分析
• 温度应力的计算一般包括两个方面：
（1）按照热传导理论，根据弹性体的 热学性质、内部热源、边界条件、初始 条件，计算弹性体内各点在各瞬时的温 度，也即：决定温度场。在PMSAP中， 我们不考虑这个问题，温度场需要由用 户定义。
PMSAP温度应力分析
• （2）温度场知道以后，按照热弹性力 学的理论，根据各物质点的温度变化求 解其温度应力，也即：决定应力场，这 是PMSAP要着重解决的问题。
PMSAP温度应力分析
• 一维杆件的温度等效荷载 对一维杆件，首先定义它的局部坐标系， 局部系的x轴定义为杆轴,y轴和z轴定义为截面 的两个主惯性轴。瞬时温度场在局部系中的分 布函数可以一般地表达为：T=f(x,y,z)。一般而 言，自由杆件在T=f(x,y,z)的作用下将同时发生 伸缩和弯曲。在PMSAP中，我们考虑一种最常 用的温度分布：温度在同一截面上不变化，只 沿着杆轴线变化，也即T=g(x),这种温度分布将 使自由杆件只发生伸缩。
• 如果钢结构中存在显著的装配误差、装配应 力，并需要用等效温差场进行模拟，则在确 定基准温度场时，应计入装配误差的影响。 比如一根初始设计长度为L的钢杆件，因为制 造误差，实际长度为L+ΔL，换算成等效基准 温度的增量为：
L T ( L L)
或者说，为考虑此装配应力，基准温度还应 叠加上该温度增量 T
全楼定义弹性膜
指定节点温差
PMSAP温度应力分析注意事项
PMSAP温度应力分析注意事项： 1）所有楼板均应定义成弹性膜 2）剪力墙应采用细分模型 3）混凝土构件的温度效应宜指定折减系数, 一般取为0.3 4) 如果用温度模拟砼收缩，应作为一个独 立工况，且相应温度工况的属性应指定 为“砼收缩” 5) 如果用温度模拟预应力张拉，也应作为 一个独立工况，且相应温度工况的属性 应指定为“预应力”
温差对结构的竖向错动效应
• 针对温差引起的竖向错动效应，在设计上 对于顶部几个楼层的框架梁，配筋应该适当加强； 对底部几个楼层的柱和墙，轴压比应适当从严控制， 以避免温度效应引起的轴压比超限。 可以通过对“外表构件”做好“隔热”措施，以减 小结构的外表构件温度与结构内部构件温度的差值。
温差对结构的水平伸缩效应
温差对结构的竖向错动效应
• 内外构件的温差不一致，造成结构的竖 向错动变形 • 一般顶部的若干层连接内筒与边柱的框 架梁，会产生较大的错动弯矩和剪力 • 底部若干层竖向构件（柱和墙）的轴力 会出现明显的重分配（有的构件轴压比 增大，有的构件轴压比减小）
温差对结构的竖向错动效应
错动弯矩明0(x,y,z)
• 对于钢-砼混合结构，钢结构部分和混凝 土结构部分的基准温度场分别按照钢结 构和混凝土结构确定。
温差场
外部
外部
内部
内部
外部
温差场
• 外围梁、柱、墙温差
T