超长结构温度应力计算探讨(精)

超长结构温度应力计算探讨

一、温度作用的特点:

温度作用是在规定时期内结构或结构构件由于温度场变化所引起的作用,具有以下特点:1温度作用是由结构材料“热胀冷缩”效应被结构内、外约束阻碍而在结构内产生的内力作用,属于间接作用;2温度作用随外界环境的变化而变化,有明显的时间性,属于可变作用;3建筑结构从开始建造到拆除都会受到所处温度场影响,因而温度作用伴随着结构的生命全周期过程;4引起结构温度变化因素很多,有气候季节变化、太阳暴晒辐射和其它人为因素(如火灾等,诱因多样性使温度作用有别于其它(荷载作用。

二、温度作用的规范规定:

2.1什么时候需要进行温度作用计算

根据温度作用的特点可知,结构中产生的温度作用大小主要与结构材料线膨胀系数和结构长度有关。表1为常用材料线膨胀系数αT,可见结构钢和混凝土的线膨胀系数非常接近。正因为如此,在计算钢筋混凝土结构的温度作用时才可以只按混凝土一种材料近似考虑。材料确定的情况下,长度越长,温度作用越大。

在完全没有约束的情况下,总长为100m、截面为600x600的普通混凝土梁温度每升高或降低20℃,梁长度将增加或减少20mm;

如果端部的变形完全受到约束,将在梁内部产生约2160KN(按强

度等级为C30计算的轴向压力或拉力,该力约为混凝土轴向抗拉强度标准值的3倍。

表1: 常用材料的线膨胀系数αT

材料线膨胀系数αT(×10-6/℃

轻骨料混凝土7

普通混凝土10

砌体6~10

钢,锻铁,铸铁12

不锈钢16

铝,铝合金24

实际结构不可能没有约束,总会在结构中产生温度应力,当结构长度较小时,可忽略温度应力和温度变形对结构的影响。现行规范根据不同的结构形式给出该长度(温度区段长度经验值,详见表2,当结构超出该长度时才有必要进行温度作用计算。

表2: 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距(m

结构类型室内或土中露天

排架结构装配式100 70

框架结构装配式75 50 现浇式55 35

剪力墙结构装配式65 40 现浇式45 30

挡土墙、地下室墙壁等类结构装配式40 30 现浇式30 20

建筑结构设计时,应首先采取有效构造措施来减少或消除温度作用效应,如设置结构的活动支座或节点、设置温度缝、采用隔热保温措施等。当结构或构件在温度作用和其他可能组合的荷载共同作用下产生的效应(应力或变形可能超过承载能力极限状态或正常使用极限状态时,比如结构某一方向平面尺寸超过伸缩缝最大间距或温度区段长度、结构约束较大、房屋高度较高等,结构设计中一般应考虑温度作用。

《台州市住宅工程质量通病防治导则》(台建规[2011]202号

5.1.3 房屋伸缩缝设置间距应控制在规范规定范围之内,当框架结构房屋长度为40m~55m中部未设伸缩缝及后浇带时,应加强纵向配筋构造措施;当房屋长度

55m~80m中部未设缝时应设置后浇带并加强纵向配筋构造措施;房屋长度80m以上时应设缝,未设缝时应进行温度应力计算,并按计算结果采取可靠的防裂措施。

2.2温度作用计算的依据

以前规范对温度作用的计算方法没有明确的规定,可在实际工程尤其是超长的大跨空间结构商业综合体、超长地下室等的应用越来越广泛,温度工况和分项系数等的取值也是仁者见仁、智者见智。为适应这一发展需要,现行国家规范《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012增加了温度作用计算的相关内容,为温度作用的计算提供依据,其要点总结如下:

由于统计上的不确定性和时间变化,温度作用一般都有一个区间概念,如结构合拢温度是一个区间,结构使用过程中温度也是一个区间。结构温度作用计算需要考虑两种工况:最大升温工况和最大降温工况,最大升温工况是最高平均温度与最低初始温度的差值,最大降温工况是最低平均温度与最低初始温度的差值。

2.2.1结构最高平均温度和最低平均温度的确定

结构最高平均温度和最低平均温度分别由最高、最低基本气温确定。“对暴露于环境气温下的室外结构,结构最高平均温度和最低平均温度一般可分别取基本气温最高值和最低值”,对温度变化敏感的

金属结构(如钢结构,还要考虑昼夜气温变化对基本气温进行适当放大;对室内结构,结构最高平均温度和最低平均温度可依据室内和室外的环境温度按热工学的原理确定,当仅考虑单层结构材料且室内外环境温度类似时,可近似地取室内外环境温度的平均值。

2.2.2结构合拢温度的确定

结构设计时一般要明确结构合拢温度,也就是最高和最低初始温度,一般和施工时间有很大关系,但设计不可能等到施工那一天才进行温度作用计算,因此需要预定一个合拢温度区间。这个温度区间应尽量对施工时温度有合理预见,使施工单位有实施可能性,即应考虑施工的可行性和工期的不可预见性。区间不能太小,否则施工没法保证。温度区间也不能太大,否则温度作用预估过大。在没有确切资料的情况下,规范给出了合拢温度区间的量化取值建议,即在最高、最低的基本气温区间内按3:4:3的比例划分,中间40%的区间值即为合拢温度区间。

混凝土结构的合拢温度一般可取后浇带封闭时的月平均气温,钢结构的合拢温度一般可取合拢的日平均温度,但当合拢时有日照时,应考虑日照的影响。实际施工时的合拢温度的核定可取结构合拢当日的日平均气温。

2.2.3温度作用的分项系数和组合值系数

规范给出了温度作用分项系数和组合值系数建议值,即分项系数按可变荷载取1.4,组合值系数取0.6。

三、温度作用计算软件应用

1.计算条件:

本工程采用PMSAP(2010 版分析温度荷载对裙房屋面梁、板、柱的影响。

计算模型:导入PMCAD模型

计算温差:±5℃

以下为温度荷载的输入参数:

2.计算结果及分析:

1.楼板计算结果:

1 无塔楼约束区域板面温度应力为1.2MPa左右,采用附加拉通钢筋抵抗温度应力作用。取1m板带计算如下:

As=As,=153mm2,为板底板面所需附加拉通钢筋。

2 有塔楼约束区域板面温度应力为1.8MPa左右,采用附加拉通钢筋抵抗温度应力作用。取1m板带计算如下:

As＝As，＝280mm2，为板底板面所需附加拉通钢筋。温度应力局部区域有变化，采用上述同样方法换算成普通钢筋。 2．梁计算结果由于屋面梁需考虑裂缝，经比较，均为裂缝计算结果控制配筋。温度作用使多跨度梁产生较大轴力，一般无塔楼约束区域中间梁轴力达 700kN 左右，有塔楼约束区域中部梁轴力达800kN 左右，洞口附近和剪力墙角处应力集中，最大的梁轴力达 1400kN。通过换算中间跨采用N4Φ 20 的腰筋，局部轴力较大处腰筋计算确定。 3.柱计算结果柱PMSAP 计算配筋与 SATWE 相比，主要是塔楼周边的柱子纵筋增大，无塔楼约束