有限元计算砌体结构温度效应时的参数取值_叶甲淳
有限元线法二次参数单元的温度场分析
有限元线法二次参数单元的温度场分析二次参数单元是有限元分析中常用的一种单元类型，它具有较好的适应性和精度。
二次参数单元的特点在于，在每个单元内部选取两个节点，并引入额外一个节点来近似温度场曲线。
这样，在每个单元内部的温度场可以通过这三个节点之间的线性插值得到。
在进行有限元分析之前，首先需要将连续介质分割成有限数量的单元。
对于二次参数单元，通常采用的是等均匀划分方法，即将整个区域等分成若干个单元，每个单元的大小相同。
在每个单元内部，我们需要确定三个节点的坐标以及温度值。
我们可以根据问题的具体情况来确定这些节点的位置，一般建议选择在单元的中点位置以及两个端点位置处。
然后，我们可以通过线性插值的方法来估计每个单元内部任意位置的温度值。
在确定了节点和温度值后，我们可以利用有限元线法的数学模型来建立整个问题的求解方程。
对于二次参数单元的温度场分析，我们可以采用热传导方程来描述温度场的变化情况。
热传导方程可以写成如下形式：∇(k∇T)+Q=ρC∂T/∂t其中，k是介质的热导率，T是温度场，Q是热源的密度分布，ρ是介质的密度，C是介质的比热容，∂T/∂t是温度场对时间的变化率。
根据有限元线法的思想，我们可以将热传导方程离散化为一个线性方程组，通过求解该方程组，可以得到整个区域内的温度场。
具体的离散化方法是利用基函数的展开，将温度场表示为各个单元的基函数加权求和的形式。
然后，通过变分原理，将热传导方程转化为一个待求解的线性方程组。
在求解线性方程组时，我们可以采用常用的迭代方法（如雅可比迭代法、Gauss-Seidel迭代法等）或直接解法（如高斯消元法、LU分解法等）来得到温度场的数值解。
最后，根据得到的温度场数值解，我们可以进一步求取该问题其他感兴趣的物理量，如热流量、热流密度等。
综上所述，有限元线法是一种有效的方法来进行二次参数单元的温度场分析。
通过将连续介质分割成有限数量的单元，并在每个单元内进行近似计算，可以得到整体问题的解。
砖砌体截面温度场分析
２ 李忠献 ， 祁 皑 ， 结构振动 与控制 ［ ． 京： 等． Ｍ］ 北 中 动冲击下（ 地震 、 、 浪等 ） 风 海 的振动反应 。２ 采用 Ｔ ） ＭＤ系统对 主 ［ ］ 李宏 男，
国建 筑 工 业 出版 社 ，０ ５ ２ ２２ ８ ２ ０ ：０ —０ ． 结构进行动力调 谐 ， 需对 主结 构采 取传 统 的加强 措施 ， 对 于 无 这 马 赵 东 ， ． 等 ＴＭＤ振 动 控 制 结 构 的 发 展 及 某 些难 以采取传统加强 措施 的结构 ， 高层 结构 、 如 高层塔架 结构 、 ［ ］ 王 均 刚 ， 汝 建 ， ３ 应 用［］ 济 南大 学学报 ，０ ６ ２ （ ）１ ２１４ Ｊ． ２ ０ ，０ ２ ：７ —７ ． 大跨度结构 、 海洋平 台等重 大结 构 ， 提供 了一 条难 以替代 的减振
第３ ６卷 第 ８期
２ ０ １０ 年 ３ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣｒＵＲＥ
Ｖ０． ６ Ｎｏ． １３ ８
Ｍａ． ２ １ ｒ ００
・９ ・ ５
文章 编 号 ：０ ９６ ２ （０ ００ —０ ５０ １０ —８ ５ ２ １ ）８０ ９ —３
与 工 程 振 动 ，９ ６ １ （ ） １ ６１１ １９ ，６ １ ： １—２ ．
不仅适 用于新建 结构的减振控制 ， 也特别 适用于 已有结构 的减振 ［ ］ 龙复兴 ， ５ 张
旭， 顾
平， ． 等 调谐质 量阻尼器 系统控制 地震
反 应的若干 问题 ［］地震 工程 与工程振 动 ，９ ６ １ （ ）８ ． Ｊ． １９ ，６ ２ ：７
收 稿 日期 ：０ ９１ —９ ２ ０ —１２
作者 简介 ： 苗生龙 （９ ２ ） 男 ， １ ８ 一 ， 助教 ， 中国矿业大学徐海学 院建筑 与安全工程 系 ， 江苏 徐州
3砌体结构的计算方法
根据现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)， 砌体结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构 构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行计算。为了更好地掌握砌体 结构构件的设计计算方法，先介绍极限状态设计方法的有关基本概念。
(2) 当砌体结构作为一个刚体，需验算整体稳定性，例如倾覆、滑移、 漂浮等时，应按下式进行验算:
0
(1.2SG2K+1.4SQ1K+ å
n
S
Q IK
i= 2
)≤0.8SG1K
(3-12a)
四、砌体强度标准值和设计值
1. 砌体强度标准值 砌体强度标准值取具有95%保证率的强度值，即按下式计算: f k = fm－1.645σf 式中：f k——砌体强度标准值 fm——砌体强度平均值 σf——砌体强度的标准差 f k = fm ( 1－ 1.645δ f ) (3-10)
以概率理论为基础的极限状态设计方法
1) 按时间的变异分类
(1) 永久作用。永久作用又称为永久荷载或恒荷载，是指在设计基准期50年内其量 值不随时间变化，或变化与其平均值相比可以忽略不计的作用。例如，结构自重、 土压力等。 (2) 可变作用。可变作用又称为可变荷载或活荷载，是指在设计基准期50年内其量 值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。例如，楼(屋)活荷载、吊车 荷载、风荷载等。 (3) 偶然作用。偶然作用是在设计基准期50年内不一定出现，而一旦出现，则其量 值很大，且持续时间很短的作用。例如，地震作用、爆炸力、撞击力等。
一、结构上的作用和作用效应
1. 结构上的作用 结构上的作用是指能够使结构产生内力或变形的原因，一般用Q 表示。结构上的作用Q是随机变量，可分为直接作用和间接作用。直 接作用常称为荷载，是指施加在结构上的集中力或分布力，如结构 自重、楼(屋)面活荷载、风荷载等。间接作用是指能够引起结构外加 变形或约束变形的原因，如温度变化、地基变形、地震等。 结构上的作用可按时间的变异、空间位置的变异以及结构的反应 进行分类。
砌体结构温度裂缝数值模拟分析研究的开题报告
砌体结构温度裂缝数值模拟分析研究的开题报告砌体结构温度裂缝数值模拟分析研究开题报告一、研究背景和意义地震、风灾、温度变化等因素都会引起建筑物的结构裂缝。
温度裂缝是建筑物中最普遍的结构裂缝之一，其是由于建筑物结构物料的热胀冷缩引起的。
对温度裂缝进行研究可以提高建筑物结构的稳定性，从而使建筑物更加安全可靠。
砌体结构是建筑物结构中的一种常见形式，其受温度变化的影响也会出现裂缝，因此，对砌体结构温度裂缝的数值模拟分析具有很高的现实意义和价值。
二、研究内容和方法本研究旨在通过对砌体结构温度裂缝进行数值模拟分析，揭示其裂缝形成的规律和机理，并探究其发展趋势及对建筑物结构的影响。
主要研究内容包括：1. 砌体结构温度裂缝形成机理研究通过研究砌体材料特性和温度变化规律，分析砌体结构温度裂缝形成的原因和机理，初步建立数学模型。
2. 砌体结构温度裂缝数值模拟分析采用数值方法，建立砌体结构温度裂缝的数学模型，并采用有限元分析软件ABAQUS进行数值计算、分析和处理，得到砌体结构温度裂缝分布和发展过程的仿真结果。
3. 温度裂缝对砌体结构影响分析通过分析温度裂缝对砌体结构的影响，研究温度裂缝引起的风险及在建筑物结构稳定性上的影响，为建筑物结构的设计和施工提供参考。
三、预期成果和创新点预期成果包括：1. 砌体结构温度裂缝形成机理研究报告通过研究砌体材料特性和温度变化规律，分析砌体结构温度裂缝形成的原因和机理，初步建立数学模型。
2. 砌体结构温度裂缝数值模拟分析报告采用有限元方法和ABAQUS软件，建立砌体结构温度裂缝的数学模型，进行数值计算、分析和处理，得到砌体结构温度裂缝分布和发展过程的仿真结果。
3. 温度裂缝对砌体结构影响分析报告通过分析温度裂缝对砌体结构的影响，研究温度裂缝引起的风险及在建筑物结构稳定性上的影响，为建筑物结构的设计和施工提供参考。
创新点：1. 采用数值模拟方法研究砌体结构温度裂缝，并深入探究其机理和规律。
建筑砌体结构中温度裂缝的成因及防治措施
民营科技189MYKJ 建筑·规划·设计砖砌体结构是目前我国许多城镇多层住宅建筑广泛采用的主要结构形式,并在今后的一定时期内仍然使用。
由于设计、施工以及建筑材料等多方面的原因,砌体结构顶层墙体会产生不同形式的温度裂缝。
通常,多层住宅平屋顶采用钢筋混凝土预制屋面板和现浇屋面板作为屋面的结构层。
当采用预制屋面板时,板与板下屋面圈梁间会产生水平裂缝,板的间隙缝难以控制,易将防水层拉裂,造成渗漏,难以修补。
因此,目前许多住宅采用钢筋混凝土现浇板作为屋面结构层来防渗漏。
然而,该屋面形式容易在房屋顶层墙体的端部产生温度裂缝。
本文根据现实砖砌体中顶层墙体温度裂缝的状况,分析其温度裂缝的形成机理,探讨并提出了用有限元分析墙体温度应力的方法。
1温度裂缝的形成机理分析不同位置的温度裂缝各具特征:山墙1～3开间的窗上口,内横墙与外纵墙交接处及某些内纵墙出现“八”字形斜裂缝;屋面板与其支承墙交接处出现水平裂缝;顶层山墙与纵墙转角处出现包角裂缝;由于屋面圈梁放在顶层窗的上部,即圈梁兼过梁,致使顶层墙体产生水平、斜向裂缝。
温度裂缝产生的原因来自如下三个方面:1.1设计方面。
在砖混结构的设计中,设计人员一般考虑强度及抗震措施多,而考虑控制温度应力和减小温度裂缝的措施少,且设计规范对温度应力并没有规定明确的计算方法及有效的抗温措施,设计人员只能采用试控法,即使不考虑也不能是结构设计错误。
因此,工程技术人员对抗温度裂缝设计及相应的施工措施往往处于意识不强的状态,例如:构造柱只考虑符合抗震规范,对建筑物端部的裂缝多发区并未重点加强;选用砖、砂浆强度等级仅考虑砌体的竖向承载力,而对温度应力引起的抗剪强度及变形则考虑较少。
1.2施工质量方面。
墙体开裂的主要原因往往是顶层施工质量较差,或者是未按设计布置构造柱,使砌体抗剪能力下降。
同时,屋面保温材料的选用层面构造的做法及施工质量也是引起墙体裂缝的一个重要原因。
1.3内在原因。
超大面积和超长结构温度应力的有限元分析
第18卷第5期 2010年10月安徽建筑工业学院学报(自然科学版)Journal o f Anhui Institute of A rchitecture &I ndust ryVol .18No .5 Oct .2010 收稿日期:2010-01-12作者简介:庞培培(1985-),女,硕士研究生,研究方向为结构工程。
超大面积和超长结构温度应力的有限元分析庞培培, 黄 潇, 沈小璞, 刘 艳(安徽建筑工业学院土木工程学院,合肥 230022)摘 要:结构中的温度应力是造成混凝土开裂的主要因素之一,尤其是对于超大面积和超长的混凝土结构工程。
因此在工程结构设计时,须要考虑温度应力对混凝土结构的影响。
本文基于A NS YS 有限元分析软件的特点和温度应力的基本特性,对动物研究中心大楼框架结构进行温度应力分析;在屋(楼)面板超大、框架梁超长的情况下,就室外环境温度与室内恒温产生的温度场对混凝土框架结构内力和变形的影响进行分析,并给出了框架结构梁板温度应力值及位置,为工程结构设计提供理论依据。
关键词:超大面积;超长结构;温度应力;A NS YS 有限元分析软件中图分类号:T U375.4 文献标识码:A 文章编号:1006-4540(2010)05-051-04Analysis of the finite element method of temperature strain for surpasslarge area and extra -long structurePANG Pei -pei , H UANG Xiao , SH EN Xiao -pu , LIU Yan(S chool of Civil Engineerin g ,Anhui University of Architecture ,Anhui H efei 230022)A bstract :The temperature stress o f the structure is o ne of the main factors caused concrete cracking ,e specially for the large area and ultra -long concrete structures .Therefo re ,w hen desig ning engineeringstructures ,it needs to conside r the adverse effect caused by tem perature stress on the co ncrete struc -ture .This paper based on characte ristics of the finite element analysis softw are ANSYS and the tem -perature stress ,analy zed tempe rature stress on the framew ork structure of Anim al Research Center building ;Under the co ndition of larg e roof (floo r )panel and ultra -long frame beam ,analyzed the im -pact o n internal fo rce and defo rmation o f concrete frame structure caused by the temperature field gen -erated from outdo or am bient temperature to indoo r constant tempe ra ture ,and g av e out the tem pera -ture stress value and its location of the beam frame structure ,provided a theo re tical basis for eng ineer -ing structure desig n .Key words :large area ;ultra -leng th structure ;temperature stress ;finite element analysis softw are ANSYS 该工程项目位于江苏省太仓市,工程建筑面积为:8546m 2,横向框架为11跨,最大长度达83m ,属超大面积、超长的框架结构体系(图1所示)。
地下室温度应力有限元计算与实际应力检测对比分析
１ ４ ６
四川建筑科 学研究
第４ １ 卷
温度 测试 结果 表 明 ：
体方向， 拉应力最大点出现在墙体底部和中部， 相对
来说底部拉应力最大。通过分析检测数据 ， 可 以得 出应力最大值出现在西北侧墙底部的 ２ ０ 测点 ， 其
混凝土浇筑 １天后 ， 底板① 、 ②温度为 ３ ８ ℃和 ３ ６ ￣ Ｃ， 顶板③（ 包括侧墙 ） 温度为 ４ ３ ℃。 混凝土浇筑 ４天后 ， 顶板① （ 包括侧墙 ） 温度为
２ ） 侧墙应力值检测分析 设计通过有限元分析得出拉应力最大部位在墙
［ ６ ］ 韩素芳 ， 耿维恕． 钢筋混凝 土结构裂 缝控制指南 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 化
学工业出版社 ， ２ ０ ｏ ６ ．
长端部 ， 墙体 中间部位及 １ ／ ３ 墙体部位 。在垂 直墙
３ ７ ℃ 。
他应力值较大 的测点为侧墙 中部位置 的 ２ ４ 、 ２ ８ 、
３ １ 测点 ， 与设 计计算 结果 吻合 。
混凝土浇筑 ７ 、 ８ 天后 ， 底板温度基本在 ２ ５ ｃ ｃ 左
右， 顶板 及侧 墙 温度基 本 与气温 相近 ， 约在 ３ Ｏ ℃。
４ 结 论
吻合 。
［ ３ ］ 陈灏沆． 地下室外墙早 期裂缝 的原 因分析 与处 理 ［ Ｊ ］ ． 魅力中
国， ２ ０ ０ ９ （ ２ ７） ．
［ ４ ］ 叶 甲淳． 砼小型空心砌块建 筑裂缝控制 的温 度效应研究 ［ Ｄ ］ ． 杭州 ： 浙江大学 ， ２ ０ ０ ３ ． ［ ５ ］ 魏兆正 ， 张 英． 房屋建筑 温度裂缝 分析与计算 ［ Ｃ ］ ／ ／ 中国工 程建设标准化委员会砖石结构技术委员会年会论文 ， １ ９ ８ ３ ．
砌体弹性模量等参数的取值
在有限元模拟中，材料的各性能参数的取值至关重要。
1、 烧结普通砖a) 抗压强度b) 弹性模量c) 泊松比d) 应力应变曲线2、 砂浆a) 抗压强度b) 弹性模量c) 泊松比d) 应力应变曲线3、 砌体a) 应力应变曲线国内外学者提出了各种单轴受压砌体本构关系表达式，有对数函数型、多项式模型以及有理分式型。
如施楚贤改进后的m 1f σε⎛⎫=- ⎪⎝⎭ 式中ξ为不同种类砌体的系数。
根据普通烧结砖砌体轴心受压试验结构的统计，ξ=460。
故对于砖砌体的受压应力应变曲线为：因当σ趋近m f 时，ε趋近与正无穷，故该模型无法模拟下降段，在砌体有限元分析，特别是非线性分析中的应用受到一定的限制。
但根据砌体单轴受压破坏特征和试验结果，可取0.9m f σ=时的应变作为砌体的极限压应变。
则，普通烧结砖砌体单轴受压的极限压应变可表示为：u ε= b) 抗压强度c) 弹性模量砌体弹性模量是砌体结构变形计算、动力分析必不可少的一个性能参数。
试验和研究表明[1]，对于砖砌体当受压应力上限为砌体抗压强度平均值的40%~50%时，经反复加卸载5次的应力-应变曲线趋于一条直线。
此时的割线模量可近似作为砌体的受压弹性模量。
可取0.43A m f σ=时的割线模量作为受压弹性模量，对于砖砌体，370E f =1200E f =d) 泊松比对于常性各向同性材料，泊松比是一个常数。
砌体结构应其弹塑性特性，且是一个各向异性的复合材料，其泊松比为一变量。
当砌体的压应力相对较小时，砖砌体的泊松比为0.1~0.2，如根据四川省建筑科学研究院侯汝欣等所作试验，当0.43m f σ=时，四批砌体泊松比的实验值分别为0.148,0.163,0.143,0.163，平均值为0.154。
因此，砌体在弹性阶段分析时，可取0.15ν=。
e) 抗剪强度目前对于砌体抗剪强度表达式，国内外主要采用主拉应力破坏理论和库仑破坏理论。
近年来又发展出了剪-压相关破坏模式，为我国新的砌体结构设计规范采纳。
考虑温度荷载的砌体结构分离式有限元分析
式: 灰缝受拉破坏; ! 沿齿缝截面破坏; ∀ 砖砌块轴 向受拉破坏; #由斜对角张拉引起的砌体 剪摩破坏; ∃ 砌体压溃。其中, 模式 和 ! 属于灰缝 破坏模式, 模式 ∀ 属于砖砌块破坏模式, 而模式 #和 ∃ 属于砖砌 块和灰缝的联合破坏模式 [ 7] 。
1 砌体结构分析模型及破坏准则
2 分离式模型
引言
受全球气候恶化影响, 近年来我国南方持续出现 长时间、大面积、大强度的降雪和冻雨等灾害天气, 其 中 2008年我国南方遭受超过 50年一遇的雨雪冰冻灾 害, 造成 21个省、市不同程度受灾, 因灾死亡 107 人, 直接经济损失 高达 1111亿元, 房屋倒塌 35. 4万 间。 其中, 浙江省受灾人口达 181 万人, 房 屋倒塌 800 多 间。以上这些受雨雪冰冻灾 害作用后的房屋大 量倒 塌或损坏的根本原因是房屋承受的雨雪冰冻荷 载超 过了房屋结构 的实际承载能力; 其中, 房屋因室 内外 温差对主体结构形成的不利作用, 是造成房屋主体结
2 54
土木工程学报
201 0 年
出了不同的表达式, 其中包括直线型、对数函数型、指
数 函 数 型、多 项 式 型 和 分 段 表 达 型 等。 ! ∀
( 1930)提出了一个对数函数形式的本构关系表达式;
我国的施楚贤教授在此基础上进行了修正, 但他们提
出的本 构 模 型 没 有 材 料 开 裂 后 的 下 降 段。此 后, Turnsek、Contaldo、P ow ell、H odgkinson等人提出了抛物
以上相关研究成果 的的问题在于 为简化研究方
法, 未考虑砌体的非线性本构关系。本文将重点放在 砌体材料结构的非线性分析, 并充分考虑由雨雪冰冻 荷载造成室内外温差等原因 引起的砌体附加温度应
砌体结构有限元模型在结构地震响应中的应用
砌体结构有限元模型在结构地震响应中的应用安栋;屈铁军【期刊名称】《地震工程与工程振动》【年(卷),期】2014(34)1【摘要】本文使用SeismoStruct软件建立了砌体结构的有限元模型,并设计制作带构造柱圈梁的两层砖砌体结构,进行低周反复加载下的抗震性能试验,研究了滞回特性和承载力情况,将有限元与试验结果进行对比分析。
随后采用这一有限元模型,输入强震记录、人工合成以及调整后的强震记录等3种不同类型的地震动,以层间位移角作为结构地震响应的重要参数,研究了不同地震动参数影响下的结构响应并分析其相关系数。
研究结果表明:有限元模型能够较好地模拟该砌体结构的滞回特性,模拟与试验结果基本吻合;在本文考虑的四种地震动参数中,Housner强度对结构地震响应的影响最大,相关性最强;考虑非平稳性的地震动输入对结构响应有明显的增大效应。
【总页数】8页(P123-130)【关键词】砌体墙宏观模型;低周反复加载;滞回曲线;地震响应;非平稳【作者】安栋;屈铁军【作者单位】天津大学土木工程系;北方工业大学建筑工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU365;TU311.4【相关文献】1.砌体墙-钢筋混凝土墙组合结构中两种砌体墙单元模型的比较 [J], 孙义刚;周觐2.爆破地震波三要素对多层砌体结构弹塑性地震响应的影响 [J], 魏海霞;陈士海3.砌体结构分离式有限元模型的参数反演 [J], 尚守平;雷敏;奉杰超4.钢筋沥青隔震层振动台试验及其在不同高度砌体结构电力用房中的地震响应分析[J], 刘湘莅;郭正位;陈兆仁;尚守平;周可威;杨龙5.基于响应面法的结构有限元模型静动力修正理论及应用 [J], 韩建平;骆勇鹏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于ABAQUS的砌体结构抗剪性能有限元分析
基于ABAQUS的砌体结构抗剪性能有限元分析引言：砌体结构在建筑和土木工程中广泛应用，其抗剪性能是确保结构整体稳定性和安全性的关键因素之一、而砌体结构的抗剪性能受到多种因素的影响，包括砌体材料的性质、砌体的几何形状以及砌体之间的连接方式等。
为了研究和评估砌体结构的抗剪性能，有限元分析成为一种有效的工具。
背景：传统的试验方法对砌体结构的抗剪性能进行评估存在一些不足之处，如试验成本较高、时间周期长且需要大量人力物力等。
而数值方法，如有限元分析，可以通过计算机模拟，较为准确地预测砌体结构的抗剪性能。
方法：1.建立几何模型：首先，需要根据实际砌体结构的几何形状，建立准确的三维模型。
可以使用ABAQUS提供的几何建模工具对砌体结构进行建模，也可以导入其他CAD软件中建立好的几何模型。
2.定义材料特性：根据砌体材料的物性参数，如弹性模量、泊松比、抗剪强度等，对材料进行定义。
ABAQUS提供了多种材料模型，可以根据实际情况选择合适的材料模型。
3.划分网格：对建立好的几何模型进行网格划分，将砌体结构划分为有限个小单元。
网格划分的密度需要根据实际需要进行调整，网格越密细，计算结果越准确，但计算量也会增大。
4.定义边界条件：根据实际加载情况，对模型的边界进行约束和加载。
例如，可以对模型的底部进行固定约束，模拟地基的支座情况；可以在模型的一侧进行加载，模拟外力的作用。
5.施加荷载：根据砌体结构的实际工况，选择合适的荷载模式，并施加在模型上。
ABAQUS提供了多种加载方式，如集中力、表面卸载等。
6.进行有限元计算：完成上述准备工作后，就可以通过ABAQUS的求解器进行有限元计算。
根据模型的初始状态和加载条件，在计算过程中求解出砌体结构的变形和内力分布。
7.分析结果：根据有限元计算得到的结果，进行结果分析和评估。
通过分析砌体结构的变形、应力分布以及破坏机制等，可以评估其抗剪性能。
结论：基于ABAQUS的有限元分析为砌体结构的抗剪性能研究提供了一种有效的方法。
有限元在传热学中的应用讲解
有限元在传热学中的应用——温度场的有限元分析摘要：热分析在许多工程应用中扮演着重要角色。
有限元法是热分析中常用，高效的数值分析方法。
利用有限元法可以求解传热学中温度场的重要参数，在材料成型中，在铸造这一块有着重大意义。
1、有限元法的应用：有限元法是随着电子计算机的发展迅速发展起来的一种现代计算方法，首先在连续力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后也很广泛用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题。
在传热学中，如果导热物体的几何形状不规则，边界条件复杂，很难有解析解。
解决这类问题的最好办法就是数值解法，而数值解法中最具实用性和使用最广泛的就是有限单元法。
2、有限元数值解法的基本思路：将连续求解区域减走势只在节点处相连接的一组有限个单元的组合体，把节点温度作为基本未知量，然后用插值函数以节点温度表示单元内任意一点处温度，利用变分原理建立用以求解节点未知量（温度）是有限元法方程，通过求解这些方程组，得到求解区域内有限个离散点上的温度近似解，并以这些温度近似解代替实际物体内连续的温度分布。
随着单元数目的增加，单元尺寸的减少。
单元满足收敛要求。
近似解就可收敛于精确解。
3、有限元数值解法的基本步骤有限元法在工程实际中应用的广泛性和通用性，体现在分析许多工程问题是，如力学中的位移场和应力场分析，传热学中的温度场分析，流体力学中的流场分析，都可以归结为给定边界条件下求解其控制方程的问题，虽然各个问题中的物理性质不同，却可采用同样的步骤求解。
具体步骤为（1）：结构离散。
（2）：单元分析。
（3）：整体分析。
（4）：边界条件处理与求解。
（5）：结果后处理。
有限元分析实际问题的主要步骤为：建立模型，推倒有限元方程式，求解有限元方程组，数值结果表述。
4、用于传热学的意义有限元法作为具有严密理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，近年来，以由弹性平面问题扩展到空间问题，板壳问题。
从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；它在工程技术中的作用，已从分析和校核扩展到优化设计。
砌体结构设计规范(50003-2001)中部分系数及参数的正确取用
五 、对板 底脱 空进 行压 浆处治
（ 一） 原 因 分 析
一
层水膜 。但也不宜 太稠 ，若 在储料筒 内灰浆一旦 发生离析 ，
应立即停止压浆并查 找原 因 ， 决后才能继续压浆。每工作 日 解
块 试模应采用三联带底砂浆试模 ，试块养护 路基填 土密度不足 ，没有达到设计规定 的要求或填土密度 需制作灰浆试块３ ， ７ （ 天 正常养护６ 、保水１ ，抗压强度不得低于３ Ｐ ，否则 天 天） Ｍａ 不 均 匀 。 由于 地 质 的原 因 。
李辉政
（ 南省 永 州市零 陵 区建 筑设 计 院 ，湖 南 永 州 ４ ５０ ） 湖 ２０ ６
摘 要 ：文章介绍 了砌体结构设计规 范中没 注明的 ：配筋砌
一
、
砌 体 结 构 设 计 规范 （ ５ ０ ３ ２ ０ ） 中 度设计 值调整 系数 （ ）的取 砌 体强度 设计值 调整 系数 ｙ 的取 用 ． ２ ａ 用 ；过 、墙 梁梁端 支承 处砌体局部 受压 的上部荷载的折减 系数 １ ．规 范在 ３ ． 款规定 ：对配筋砌体 ，当砌体截面面积 ．３ ２ 第２ （ ） 的取值 ；墙 、柱 高厚比验算 中允许 高厚 比修 正 系数 （ 、 小 于ｏ ｍ 时 ， 为 其截面 面积加 Ｏ８ ．２ ２ ．；规 范又在 ８１ 中规定 ： ．２ ． ２ ）的取值 ；挑 梁计算倾覆 点至墙外边缘 的距 离 （ 的取 网状配筋砖砌体的抗压强度值ｆｆ２ （－ ｅ ） Ｐ １０ ｘ） ０ ＝＋ １２， ０ ，如果所计 ｙ Ｉ 值 ，并进行 了透彻分析 。
或混凝 土可 塑性不够 ，因石子 阻挡 ，使水泥浆振不下去 。混凝 时应均匀着压 ，密切 观察压力表 ，若发 现灰 浆溢 出 ，应 立即用 木塞塞紧 ，１分钟后拔 出 ，此孔不再进行压 浆了。如果发现压 Ｏ 土接槎处停歇时间过长，而且未按施工缝处理。
砌体结构温度应力分析
砌体结构温度应力分析
王振波;张卫东;杨春河
【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2005(027)005
【摘要】为探讨砌体结构温度裂缝机理,对一砌体结构墙体与屋面板的温度场进行了实测,得到了砌体结构墙体与屋面板随时间的温度分布,给出了砌体结构建筑温度场的变化规律,在实测温度场的基础上,用有限元法对整体结构进行了温度应力分析,并给出了考虑干缩影响的温度应力计算方法.研究结果为控制砌体结构温度裂缝提供了参考.
【总页数】6页(P21-26)
【作者】王振波;张卫东;杨春河
【作者单位】南京工业大学,土木工程学院,江苏,南京,210009;大连理工大学,结构工程博士后科研流动站,辽宁,大连,116024;南京工业大学,土木工程学院,江苏,南京,210009;江苏省工业设备安装公司,江苏,南京,210002
【正文语种】中文
【中图分类】TU362;T0343;TB125
【相关文献】
1.砌体结构温度场及温度应力分析 [J], 杨春河
2.砌体结构不同墙体间距下的温度应力分析 [J], 张文强;李思明
3.浮式核电站的堆舱安全壳舱段温度场和温度应力分析 [J], 袁奕; 董问; 张正艺; 解
德
4.梯度温度作用下装配式混凝土箱梁温度应力分析 [J], 杜元;王璐华;范旭涛;雷笑
5.非均匀温度场作用下空间钢结构温度分布及应力分析 [J], 游颖;张泽涛;周清富因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
有限元计算砌体结构温度效应时的参数取值_叶甲淳
年温差可以考虑以下几种取值方法:
( 1) 取室外大气年温差为建筑物的年 温差, 即最热
月与最冷月大气平均温度的差值。最热月 平均温度和
最冷月平均温度 都可 以从热 工规 范中查 得, 也 可以从
气象局获得。这 种取值 方法 的优点 是方 便, 缺点 是建
筑物各外维护结 构的 年温差 都相 同, 未考 虑温 度在维
护结构中的传递。
( 2) 根据室内外计算参数, 由稳态导热 公式计算得
到建筑物不同结构的年温差。Байду номын сангаас外计算参 数可以采用
* 建设部科研项目、国家教育部骨干教师资助项目。
热工规范中的 参数, 也 可以 参考同 类建 筑的实 测资料 取值, 还可以是从气象局获得的某一年的资料。
( 3) 夏季考虑太阳辐射( 取室外综合 温度) , 冬季不 考虑太阳辐射, 由稳态 导热 计算得 到建 筑物不 同结构 部位的年温差。针对杭州市属于夏热冬 冷地区的具体 情况, 在年温差的计算中考虑了以下几种工况:
工况 1, 有空 调的正 常使 用情 况。即 建筑物 完工 后, 住户已经 入住, 在冬、夏 季室内 都有 空调 情况。夏 季室内空调考虑 26 e , 冬季空调考虑 18 e 。
工况 2, 无空 调的正 常使 用情 况。即 建筑物 完工 后, 住户已经入住, 在冬、夏季室内未安 装空调的情况。 此时, 结合实测资料, 参考室 外气 温, 夏天 室内温 度取 30 e , 冬天室内温度取 5 e 。
涂料墙面 Q= 01 50, 水泥屋面及墙面 Q= 01 70。维护结
构夏季室外计 算温 度平均 值 t e = 3211 e , 最 冷月 平均 温度 t e = 31 7 e 。 太 阳 辐 射 照 度 平 均 值: 南 墙 I S =
温度作用下砌体结构的内力分析
五个纵向 计算长度的模型 的墙体最大位移和 最大主应
力如图 3 所示，从图 3 中可以得出：
SMX（MPa）
0.92 0.9 0.88 0.86 0.84 0.82 0.8
43.2
54
64.8
75.6
长度（m）
86.4
（a） 主拉应力的变化示意
位移（mm）
（2）在整个墙体的温度应力中，顶层墙体两端的一些
窗间墙以 及一层墙体的窗 间墙部位的主拉应 力超过了
砌体的抗拉强度标准值 0.21MPa，也即，在这些部位
容易产生 温度裂缝，这与 实际观测得到的结 论相符。
说明计算模型正确，结果可靠。
（3）随着建筑物模型纵向计算长度的增加，变形位移
和主拉应力逐渐增加，其中位移变形基本呈线性变化，
本文链接：/Periodical_csjsllyj2011242262.aspx
［3］来春景. 超长混凝土建筑结构温度响应的研究［D］兰州理工大学，2006
［4］王铁梦.工程结构裂缝控制［M].北京: 中国建筑工业出版社，1997.1-5.
温度作用下砌体结构的内力分析
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)：
剧永立 天津市朴诚科技有限公司
城市建设理论研究（电子版） ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu 2011(24)
4 3.7 3.4 3.1
2.8 2.5
43.2
54
64.8
75.6
长度（m）
86.4
（b） 位移的变化示意
工况一的模拟示意
图3
（1）在建筑物受到降温时，整个墙体呈向中间挤压的
砌体弹性模量等参数的取值
在有限元模拟中，材料的各性能参数的取值至关重要。
1、 烧结普通砖a) 抗压强度b) 弹性模量 c) 泊松比d) 应力应变曲线 2、 砂浆a) 抗压强度 b) 弹性模量 c) 泊松比d) 应力应变曲线 3、 砌体a) 应力应变曲线国内外学者提出了各种单轴受压砌体本构关系表达式，有对数函数型、多项式模型以及有理分式型。
如施楚贤改进后的m 1f σε⎛⎫=- ⎪⎝⎭式中ξ为不同种类砌体的系数。
根据普通烧结砖砌体轴心受压试验结构的统计，ξ=460。
故对于砖砌体的受压应力应变曲线为：因当σ趋近m f 时，ε趋近与正无穷，故该模型无法模拟下降段，在砌体有限元分析，特别是非线性分析中的应用受到一定的限制。
但根据砌体单轴受压破坏特征和试验结果，可取0.9m f σ=时的应变作为砌体的极限压应变。
则，普通烧结砖砌体单轴受压的极限压应变可表示为：u ε=b) 抗压强度 c) 弹性模量砌体弹性模量是砌体结构变形计算、动力分析必不可少的一个性能参数。
试验和研究表明[1]，对于砖砌体当受压应力上限为砌体抗压强度平均值的40%~50%时，经反复加卸载5次的应力-应变曲线趋于一条直线。
此时的割线模量可近似作为砌体的受压弹性模量。
可取0.43A m f σ=时的割线模量作为受压弹性模量，对于砖砌体，370E f =1200E f=d) 泊松比对于常性各向同性材料，泊松比是一个常数。
砌体结构应其弹塑性特性，且是一个各向异性的复合材料，其泊松比为一变量。
当砌体的压应力相对较小时，砖砌体的泊松比为0.1~0.2，如根据四川省建筑科学研究院侯汝欣等所作试验，当0.43m f σ=时，四批砌体泊松比的实验值分别为0.148,0.163,0.143,0.163，平均值为0.154。
因此，砌体在弹性阶段分析时，可取0.15ν=。
e) 抗剪强度目前对于砌体抗剪强度表达式，国内外主要采用主拉应力破坏理论和库仑破坏理论。
近年来又发展出了剪-压相关破坏模式，为我国新的砌体结构设计规范采纳。
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图 1 双排孔小砌块模型
图 2 试点建筑屋面构造
方法 1: 根 据规范中的 数据, 杭州市 最热月平均温 度为 281 5 e , 冬季 最冷 月平 均温 度为 317 e 。因 此年 温差为 ty = 241 8 e ( 取 25 e ) 。 分析杭 州市 气象 局提 供的资料得到 1999 年夏 季的 最热月 平均 气温标 准值
东西墙综 合温 度为 3610 e , 南 墙综 合温 度 为 3411 e ,
工况 3, 施工情况。即建 筑物在冬 季主体 完工后, 到夏季墙体还 未进行 内外 粉刷, 屋 面也 未做保 温隔热 层; 或者夏季主体完工后, 到冬季墙体还 未进行内外粉 刷, 屋面也未做保温隔热层。这种情况 相当不利, 但也 比较少见, 可以作为一种极值情况。
以杭州市某 混凝土 小型 空心砌 块试 点建 筑为例, 其墙体采用双排孔小砌块, 砌块形式 如图 1 所示。南北 墙墙体做法为: 20 厚水泥砂浆外粉刷, 190 厚双排孔混 凝土小型空心砌块, 20 厚 混合砂 浆内粉刷。 东西墙墙 体做法为: 30 厚水泥砂浆外粉刷, 190 厚 双排孔混凝土 小型空心砌块( 孔填膨 胀珍珠岩 ) , 20 厚混合 砂浆内粉 刷。屋面做法如图 2 所示。采用热工规 范中的材料热 工参数和热阻的计算公式可以计算出墙体和屋面的平 均传 热阻。材料热 工参数为: 保 温材料 XPS 的导热系 数 K= 01 028W/ ( m#K ) ; SBS 的导 热系 数 K= 0127W/ ( m#K) 。根据 热阻计 算的 结果, 双 排孔砌 块平 均热阻 为 01 27m2#K/ W, 孔内 填膨 胀珍 珠岩 后的 平均热 阻为 0175m2#K / W。东 西 山墙 的 传 热阻 为 0195m2#K/ W, 南北墙的为 01 46m2#K/ W。 屋面的传 热阻为 1117m2# K / W。考虑上述三种方法, 其温差的取值如下:
根据我们的 研究结 果, 对 砌体结 构主 要考虑 其沿 墙体和屋面厚 度方向 的温 度变化; 墙体 和屋面 的温度 变化的相互影响很小, 可认为是相互独 立变化的; 对同 一方位的墙体可认为其表面( 如西墙外表 面) 为同一温 度场。
砌体结构墙 体本身 的温 差会引 起结 构的 变形, 屋 面与墙体的温 差又会 引起 结构的 变形, 各片墙 体之间 的相对温差也会对墙体变形有一定的 作用, 研究表明, 前两部分的变 形是主 要的, 它们的 位移 迭加构 成墙体
为 31 e , 冬季最冷月平均气温标准值为 01 8 e , 因此年
温差为 t y= 301 2 e ( 取 30 e ) 。 方法 2: 以实 测同类建筑 的冬、夏季内 外表面温度
为参数, 计算 墙体或 屋面某 一材 料层的 温度。实 测夏 季屋面瓦下平均 温度为 361 8 e , 屋面顶 棚平均 温度为
3118 e , 夏季西 墙 外表 面 平均 温 度为 3317 e , 内 表面
平均 温 度 为 3312 e ; 冬 季 西 墙 外 表 面 平 均 温 度 为
116 e , 内表面 为 11 6 e , 屋 面内 外 表面 温 度取 与 墙体
相同。计算公式为:
tk = t e+ ( t i- t e) E Rk / E R
291 5( 351 7) 281 0( 281 7) 261 5( 261 5)
工况 3
361 9 341 8 321 7
311 9 281 9 251 9
291 8 281 0 261 3
注: 括号内数值为组 合温差。
方法 3: 采用 规范中的相 关参数, 外表 面换热系数
夏天取 Ae = 19W/ ( m2#K ) , 冬 天 取 Ae = 231 0W/ ( m2# K ) 。太阳辐射吸收系数: 灰瓦 屋面( 新) Q= 01 70, 浅色
m2, 水平面 I H= 3061 8W/ m2。夏季室外综合温度 t sa的
计算公式为:
t sa = t e + QI / Ae
( 3)
式中 t e 为室外计算温 度, Q为太阳 辐射吸收系数, I 为 太阳辐射照度平均值, Ae 为外表面换热系数。
根据式( 3) , 经计 算得到 屋面综 合温度 为 4314 e ,
321 0 321 0 321 0
301 3( 361 4) 201 4( 201 7) 101 5( 121 9)
311 7( 371 5) 281 9( 281 0) 261 0( 261 1)
321 0 321 0 321 0
271 0( 331 6) 201 3( 221 2) 131 5( 151 5)
T hermal crack problem in masonry structure is not resolved yet. Finite element analysis method is an effective method for calculating thermal stress, but the tem perature parameters for calculation have no uniform standard. We put forw ard a method named combined-difference-in-temperature, w hich involves year-difference-in-temperature and day-difference-in- tem perature. By this method, w e calculate the combined difference-in-temperature and apply t hem to the thermal stress calculation for a small concrete hollow block building. T he results proved t hat the method is reasonable. Keywords:small concret e hollow block; thermal stress; difference; temperature; combination; year; day
护结构中的传递。
( 2) 根据室内外计算参数, 由稳态导热 公式计算得
到建筑物不同结构的年温差。室外计算参 数可以采用
* 建设部科研项目、国家教育部骨干教师资助项目。
热工规范中的 参数, 也 可以 参考同 类建 筑的实 测资料 取值, 还可以是从气象局获得的某一年的资料。
( 3) 夏季考虑太阳辐射( 取室外综合 温度) , 冬季不 考虑太阳辐射, 由稳态 导热 计算得 到建 筑物不 同结构 部位的年温差。针对杭州市属于夏热冬 冷地区的具体 情况, 在年温差的计算中考虑了以下几种工况:
表1
房屋 日温差
部位
方法 1 规 范 99 气象
屋 上 11 5 25( 2 21 8)
30
面 中 11 6 25( 2 21 8)
30
板 下 21 0 25( 2 31 2)
30
东 外 1016 25( 3 11 8)
30
西 中 31 4 25( 2 41 6)
30
墙 内 41 0 25( 2 51 2)
度作用参数时, 需要综合考虑两者的共同影响。
二、年温差的计算
年温差是结 构安装 施工固 定时 的温度 ( 零应 力温
度) 与施工安装 完毕后 该结构 可能 遇到的 最大 或最小
温度之差, 即:
t y = t max ( min) - t 0
( 1)
式中 t y 为年温差( e ) , t max( min) 为 结构可能遇到的最大 或最小温度, t 0 为结构安装施工固定时的温度, 也称零 应力温度。
一、前言 混凝土小型空心砌块墙体中的主拉应力或剪应力 过大是导致开 裂的主 要原 因, 因此 防止 其开裂 应主要 考虑屋面 与墙体 相对 温差的 影响[ 1] 。文 [ 2] 通 过模拟 温差的 14 片 足尺墙 体试验发 现当墙 体的变形 达到一 定程度后也会 引起开 裂, 由 此认为 变形 过大也 是导致 墙体开裂的一个重要原因。无论是应力 过大引起开裂 还是变形过大 引起开 裂, 它 们都和 温差 取值有 着密切 关系。因此, 需 要研究 小砌 块建筑 的温 差取 值。通过 对温差的合理 取值, 结 合有 限元分 析可 以得出 应力和 变形的分布规律。 影响结构温度场的因素有外界条 件: 季节变化、结 构所处方位等; 内部 条件: 材 料热 物理特 性、建筑 物形 状、建筑物表面颜色等。从工程分析来 讲, 只需要从各 种复杂的温度 分布中 选取 几种特 定的温 度分 布, 也即 对结构的温度 应力产 生不 利影响 的几种 温度 分布, 据 此可确定设计需要的控制参数。
8
的总位移。对于屋面与墙体以及各墙体之 间的相互作
用, 要给出简单的变形和约束力计算表达 式是困难的,
但采用有限元方法则可以计算出其具体数值。
温差可分为 年温差 和日 温差。年 温差 缓慢、整体
地作用于结构, 引起的应力分布较均匀, 结 构整体位移
大, 影响相对简单。日温差为短时即发, 对 结构的作用 局部的, 引起的应力分布不均, 影响复 杂[ 3] 。在选取温
第 33 卷 第 4 期
建筑结构
2003 年 4 月
有限元计算砌体结构温度效应时的参数取值*
叶甲淳 金伟良 邹道勤 严家
( 浙江大学结构工程研究所 杭州 310027)
[ 提要] 砌体结构中由温度应力引起的温度裂缝问题一直没有得到很好的解决。有限元是计算温度应力的 很好方法, 但是对于计算中所需的温度参数取值并没有统一的标准。在参考已有温度参数取值方法的基础 上, 提出了既考虑年温差又考虑日温差的组合温差取值方法, 并将这一方法应用于混凝土空心小砌块试点建 筑的温度应力计算。通过计算, 证明这一方法是合理的。 [ 关键词] 混凝土小型空心砌块 年温差 日温差 组合温差 温度应力