温差对建筑结构的影响

温差对建筑结构的影响
摘要：本文介绍了建筑结构构件在季节温差、内外温差、日照温差下产生的内力，并扼要地分析其产生的原因，解决温度应力的方法及计算方法。

关键词：温差温度荷载温度应力
Abstract: This paper introduces the structure of the building component on season temperature difference, inside and outside temperature difference, sunshine-produced under temperature difference of internal force, and briefly analyzes the reasons and solve the temperature stress method and calculation method.
Key Words: temperature difference, temperature load, temperature stress
1.产生的原因及种类
建(构)筑物主要是由各种结构构件相互作用，连接而建成的。

物体受热要膨胀，受冷则收缩。

结构构件也是这样的，其变形值Δl可由计算确定。

若这种由温度变化，使结构构件产生的变形受阻时，则在结构体系的内部将引所谓的温度应力和温度内力。

所以，温度的变化，即温度差，也可产生荷载效应，这种荷载效应可称为温度荷载。

对于多层(高层)建筑而言，温差主要有以下三种：
1.1 季节温差：季节温差是指，构件在混凝土初凝(施工时)时的温度t1(若为装配整体式结构，则可取接头处混凝土初凝时的温度)与构件在使用期间由于季节变化而出现的最高tmax(或最低tmim)温度t2间的差。

1.2 室内外温差：室内外温差指房屋在使用期间，由于室内外不同的气温在构件内外表面所产生的温差。

1.3 日照温差：日照温差指房屋在使用时，受阳光直接照射的一侧，与背阴一侧之间的温差。

2.温度应力的分析和计算方法
建筑物在温度或温度荷载作用下，产生的温度应力可按结构力学所述方法进行计算。

今扼要地分析如下：
2.1 季节温差
多层多跨框架中，如施工时构件的湿度为t1而使用时温度升高至t2，则其温差为：
Δt=t2-t1
在此季节温差Δt的作用下，所有柱都将伸长同样的数值，柱在竖向的变形基本上不受横梁的约束；但各层(特别是下层)横梁则不同，在伸长(缩短)时要受到柱子的约束，由于地面以下基础的位置一般不受外界气温变化的影响，固而使柱子的上下两端不在居于同一竖直线上，从而产生温度变形。

以边柱AB为例，横梁的温度变形为：
Δ1=αΔt(4L/2)=2αΔtL
α—钢筋混凝土构件的线膨胀系数；可取α=1.0×10-5；
L—框架横梁的跨长。

温度变形Δ1将使边柱AB产生变矩，并使上层横梁和柱发生一定的温度变形，由此产生一定的温度应力。

为了求得底层柱所受到的温度内力，可近似地假定柱的上下两端均为固定端，由此可得到柱AB的温度变矩和温度剪力分别为：
MAB=MBA=6EIΔ1/h2QAB=QBA=12EIΔ1/h3
EI－柱的抗弯刚度；
h－柱的高度。

边柱上端的QBA，将使横梁受压，事实上，柱上端有转角，实际的弯矩和剪力都比上述值小。

详细的求解可按结构力学方法进行。

由上述两式可知，温度内力与温度差，和构件本身的抗弯刚度成正比，而与构件长度的平方(弯矩)或立方(剪力)成反比。

这里需指出：横梁越长，则柱的侧向位移(温度变形)Δ1越大；柱中的温度内力也越大。

此外，由于各内柱的温度变形(例如Δ2)小于边柱的温度变形Δ1；所以，各柱的温度内力也小于边柱相应的温度内力值。

2.2 内外温差
多层多跨框架中，如室内外温度不一，框架边柱的温度t2，内柱的温度为t1。

若t1＞t2，则边柱将缩短，使边跨横梁的左右两端不在同一水平线上，从而产生了温度内力。

顶层边跨横梁两端所发生的相对温度变形为：
Δ1=α(t1-t2)H
H－柱的全高。

为了求出顶层边跨模梁的温度内力，可近似地假定横梁的两端均为固端，并忽略去顶层横梁上下两面温差的影响，可得边跨横梁中的温度弯矩与温度剪力分别是为：(图2-b)
MAB=MBA=6EIΔ1/L2
QAB=QBA=12EIΔ1/L3
这种温度变化将使边柱受拉应力，内柱受压应力。

当然，实际温度应力将比上述小，因为横梁的两端并非完全固定。

当立柱越长，边柱内、内柱间的温差越大；以及横梁的跨度L越小，则产生的温度应力就越大。

在室内外有温度差的条件下，顶层边跨，横梁内的温度内力将大于其它各层横梁；离顶层越远，该层边跨横梁中的温度内力将越小。

另一方面，由于横梁的变形导致柱中所产生的轴力，离基础越近则越大。

2.3 日照温差
框架中，若房屋的右侧受阳光照射，温度高，设日照温度为t1；房屋的左侧背阴，温度低，设温度为t2。

在这种情况下，房屋不仅产生温度变形和温度应力，并且还将使整个框架发生弯曲。

当房屋的平面不对称，甚至当整个房屋的结构布置的不对称时，房屋还会出现扭转。

3.解决办法及措施
综上所述，温度差的影响是设计高层房屋时所需考虑的一个重要内容。

为了克服温度应力会使结构的造价提高，材料消耗量增加；同时由于温度变形，会使非承重构件裂缝，室内装修脱落，甚至还会引起结构构件的开裂，而降低使用寿命。

房屋的体形越大，越高，则其温度变形的影响越明显。

在实际工程中往往是多种温度变形共同作用，为了减小温度内力，常可采取各种措施：如设置伸缩缝以减小由于季节温差所引起的温度内力；对边柱采取有效的保温隔热措施，以减小由室内外温差所引起的温度内力；在日照强的地区，顶层可设置双层屋盖，以减小顶层的温度影响；采用弹性模量较小的混凝土等。

根据经验，若房屋层数大于30层，或高度高于100m时，就需考虑温度内力和温度变形的问题。

参考文献：
[1] 田万涛.超长混凝土框架结构温度效应分析[D].哈尔滨工程大学.2009，05.
[2] 孙鹏.超长混凝土框架结构温变复合效应研究[D].西安建筑科技大学.2011，04.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。