溫度作用

——溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及建筑材料的影響

摘要：通過(guò)對(duì)溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)，材料的影響，以及結(jié)構(gòu)在溫度下的受力狀況，可以看出溫度在結(jié)構(gòu)的作用原理。

關(guān)鍵字：溫度，高層結(jié)構(gòu)，混凝土，鋼筋，受力計(jì)算

一.溫度對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響

建筑結(jié)構(gòu)中因收縮與溫度效應(yīng)引起裂縫的情況相當(dāng)普遍．在實(shí)際工程中，有些結(jié)構(gòu)超出規(guī)范規(guī)定間距而無(wú)裂縫出現(xiàn)，又有些結(jié)構(gòu)符合規(guī)范規(guī)定間距而出現(xiàn)裂縫的情況仍為數(shù)不少，有的還很嚴(yán)重．常見(jiàn)的有屋面結(jié)構(gòu)的裂漏，砌體結(jié)構(gòu)房屋的內(nèi)縱、橫墻的裂縫及剪力墻產(chǎn)生的裂縫，影響了結(jié)構(gòu)的正常使用，降低了結(jié)構(gòu)的耐久性．梁柱在溫度效應(yīng)下的位移及墻體的變形，可使建筑的飾面及窗戶有所損壞，在外觀上造成不良影響．實(shí)際上溫度應(yīng)力是一種廣泛存在于建筑結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力，尤其對(duì)高層建筑的作用。下面談?wù)劀囟葘?duì)高層建筑的具體影響。

柱外露對(duì)多高層房屋的影響

近年來(lái)，為了在建筑建成了大量的多高層住宅和辦公大樓．這些樓房的外柱或是部分外露，或是全部暴露于大氣中，當(dāng)外露柱受外界季節(jié)溫度變化的影響時(shí)，對(duì)應(yīng)于在受控環(huán)境中的柱長(zhǎng)保持不變的內(nèi)柱來(lái)說(shuō)，外露柱的長(zhǎng)度將發(fā)生變化．若房屋低矮，則只是個(gè)無(wú)關(guān)緊要的結(jié)構(gòu)問(wèn)題而允許忽略這一影響．然而，對(duì)于外柱是部分外露或完全外露的較高的房屋來(lái)說(shuō)，溫度應(yīng)力將成為一個(gè)十分重要的問(wèn)題應(yīng)加以考慮．

鋼筋混凝土多高層框架的溫度變形

溫度作用的類型

由于自然條件變化所產(chǎn)生的溫度作用主要有以下三種類型：
　　(1)日照溫度作用
　　(2)驟然溫變的溫度作用
　　(3)年氣溫變化溫度作用
　　在溫差作用下，各層梁板受溫度變化而伸長(zhǎng)或縮短．但結(jié)構(gòu)某些部分(如基礎(chǔ)之上的框架)受到剛度很大的約束，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)力，稱為溫度內(nèi)力或溫度應(yīng)力．溫度應(yīng)力包括內(nèi)約束應(yīng)力和外約束應(yīng)力．內(nèi)約束應(yīng)力是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部某一構(gòu)件單元中因纖維間的溫度不同所產(chǎn)生的應(yīng)變差受到約束而引起的應(yīng)力；外約束應(yīng)力則是結(jié)構(gòu)或體系內(nèi)各構(gòu)件之間因溫度不同產(chǎn)生不同的變形受到約束所產(chǎn)生的應(yīng)力．在室內(nèi)外溫差較大的情況下，結(jié)構(gòu)外圍構(gòu)件與室內(nèi)構(gòu)件之間相互約束，也會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和溫度變形．在太陽(yáng)輻射下，建筑物受曬面與背曬面之間的溫差也會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力和變形，多高層建筑會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，其頂部將會(huì)產(chǎn)生較大的位移．

溫度荷載
　　

結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中承受的作用包括直接作用(荷載)或間接作用(如地基變形、混凝土收縮、溫度變化等)兩大類．直接作用有靜荷載、動(dòng)荷載和其它荷載．工程實(shí)踐中結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的裂縫，80%左右是由間接作用所引起的．既結(jié)構(gòu)在溫度、收縮和膨脹、不均勻沉降等因素作用下引起的變形，當(dāng)變形得不到滿足就產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力大小與結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)．
　　工程結(jié)構(gòu)的溫度荷載是因氣候條件而產(chǎn)生的．由于氣候條件有明顯的時(shí)間特征，因此工程結(jié)構(gòu)中的溫度荷載是一個(gè)隨時(shí)間而變化的函數(shù)，加之工程結(jié)構(gòu)的溫度分布在幾何上又是多維的，所以，分析求解這類溫度荷載很復(fù)雜．若要求得一個(gè)嚴(yán)格的函數(shù)解是不可能的．現(xiàn)有各種計(jì)算方法求解結(jié)果，無(wú)論在物理上還是在數(shù)學(xué)上都具有一定近似性，但在工程應(yīng)用中較為復(fù)雜．精確分析的基礎(chǔ)上，現(xiàn)采用以下方法來(lái)簡(jiǎn)單定溫度荷載．溫度荷載實(shí)際上是由于砼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度變形，又受外內(nèi)力約束，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反約束力，計(jì)算公式為：
　　　　                 P=EFε=EFαΔT

式中E為彈性模量，F(xiàn)為構(gòu)件截面面積，α為混凝土線膨系數(shù)，ΔT為溫差．溫差ΔT的確定由以下三式來(lái)定．

(1)日照溫差Tr

(2)季節(jié)溫差Ty

(3)驟然溫差Tx　

在工程實(shí)際中，考慮到溫度應(yīng)力，在平均溫差與收縮作用下，只計(jì)算與基礎(chǔ)相接的下部二層；當(dāng)計(jì)算太陽(yáng)輻射時(shí)，只計(jì)算頂部?jī)蓪樱畵?jù)此，我們已能算出整個(gè)多高層框架結(jié)構(gòu)底部和頂部?jī)蓪拥淖冃?/span>

圖1　多高層鋼筋混凝土框架

(1)外露柱的變形較大，故取出邊框架中具有代表性的兩類節(jié)點(diǎn)(如圖2，圖3)按三維空間問(wèn)題研究，計(jì)算出在溫度作用下該兩類節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變及變形，據(jù)此計(jì)算結(jié)果考慮是否增加鋼筋及需增加鋼筋量的大小、鋼筋放置的具體位置．

圖2　第一類型節(jié)點(diǎn)

　圖3　第二類型節(jié)點(diǎn)

(2)僅考慮節(jié)點(diǎn)處的鋼筋砼框架梁柱的內(nèi)力是不夠的．因?yàn)槎鄶?shù)較密較寬的裂縫出現(xiàn)在屋面板及以下一層樓板，造成嚴(yán)重的滲漏現(xiàn)象，故在1的基礎(chǔ)上考慮屋面板或以下一層樓板，計(jì)算模型見(jiàn)圖4．

圖4　加入屋面板的分析模型

(3)外露柱的熱變位會(huì)導(dǎo)致樓面的翹曲，因而又將引起隔墻的變位．柱在層間范圍內(nèi)的縮短會(huì)引起隔墻的轉(zhuǎn)動(dòng)，圖5．另外，由于隔墻的類型和約束不同可能引起隔墻裂縫，圖6．所以在考慮1，2的基礎(chǔ)上也應(yīng)該考慮隔墻的影響作用．計(jì)算模型見(jiàn)圖7．還可進(jìn)一步研究外墻上開(kāi)窗對(duì)隔墻裂縫及節(jié)點(diǎn)處梁柱的影響的大小情況．

圖5，圖6　隔墻的轉(zhuǎn)動(dòng)及歪斜

圖7　加入隔墻的分析模型

實(shí)例：“9.11”恐怖襲擊中，世貿(mào)大廈倒塌的原因很大程度上是因?yàn)闇囟鹊脑�因�?/span>

由于溫度的驟然上升，達(dá)到鋼筋的熔點(diǎn)。造成強(qiáng)度下降，使得在大火的“烘烤”下，撞擊點(diǎn)的上部產(chǎn)生強(qiáng)烈的膨脹，由于頂部是自由端，膨脹得大一些，于是，形成一個(gè)“大漏斗”四周的墻體成了漏斗的倒錐形壁，而原先墻體內(nèi)部的所有物質(zhì)，就順著漏斗直瀉而下。

050935