混凝土框架的温度应变研究

摘要：本文探讨了混凝土框架结构的温度应力特点，以及在进行框架的温度应力计算和分析时的常用方法。最后以实例，分别计算了在三种不同的工况下混凝土框架的温度应变情况。

关键词：混凝土；框架结构；温度应变

1、混凝土框架的温度应力特点

混凝土作为最常见的建筑材料，具有很多优良的特性，被大规模的应用到工业与民用建筑施工中。但混凝土结构也有很明显的确定，即抗拉强度要远远小于其抗压强度，因此混凝土结构的开裂问题一直都是需要控制的内容。从混凝土的浇筑开始，在水化热释放完成后的收缩过程就会产生拉应力。更普遍的情况是混凝土结构投入使用后，在自然环境下因为空气温度的变化或受日照等其他因素的影响造成结构的温度场分布不均匀，造成结构的温度变形，由此可以引起很大的温度应力，对于较薄的混凝土结构常造成表面开裂。在实践中对混凝土结构的温度应力一直都是关心和研究的重点之一。

混凝土的温度应力和其他类型的应力不同之处在于以下几个方面：1混凝土的温度应力通常不满足虎克定律，但基本符合贝努力平面变形规律；2混凝土结构的温度荷载具有的非线性特征，温度应力同样具有非线性特征；3混凝土结构的温度应力时间较短，有一定的时效性。

以上混凝土结构温度应力的特点决定了混凝土结构的温度应力分析是一个较为复杂的过程，尤其是当混凝土结构的几何尺寸很大时，其温度应力分析将更为复杂化。

2、混凝土结构温度应力常用分析方法

由于混凝土温度应力分布的高度非线性特点，在计算其温度应力时通常会依据不同的结构形态和几何尺寸，选取不同的分析方法。在实践中常用的温度应力分析方法可分为两大类，一是对混凝土结构进行分解和简化，对局部混凝土构件进行温度应力的理论分析；二是利用辅助软件，如SAP、ANSYS等商用软件进行结构的有限元分析。从由于这些商用软件功能强大，能够模拟非常复杂的受力结构，因此利用这些软件来进行有限元法的求解逐渐成为分析混凝土结构温度应力的有力工具，本文在分析中所采用的也是以ANSYS为基础的有限元分析方法。

3、混凝土框架上的温差类型

混凝土温度应力的产生根本原因是由于结构热胀冷缩，如果混凝土的变形没有受到外界约束，则不会引起温度应力。温度应力正是因为约束和温度差的存在，限制了混凝土框架的变形，从而引起温度应力。在实际应用中，造成混凝土框架温度变形的温度差类型有以下几种：1混凝土框架所处环境的季节性温差 这类温差主要是构件在浇筑时的温度与使用期因为季节更替而造成的温差，这里温差幅度可达到数十度之多；2混凝土框架不同侧面之间的温差 这类温差主要是具有混凝土框架结构的建筑因为室内外温差而造成的框架结构内外表面的温差，在冬季时这类温差尤其明显；3日照温差 这类温差是由于在一天中阳光照射角度变化而导致的不同部位之间的的温度差异，这类温差和前两类最大的不同点在于温差的分布通常很不均匀。

4、计算原理

在我国的钢筋混凝土设计规范中对混凝土框架结构有相关的规定，并且允许对混凝土框架结构进行空间杆系进行线弹性的有限元分析，如对计算长度、刚度、惯性矩等都有相应的规范。因此从实用的角度出发，在进行混凝土框架的温度应力研究时应当遵照这些基本的规范要求。在计算时，做如下假定：混凝土框架中的杆件在受温度变化影响后发生变位，认为纵向杆件的变位不受约束，水平杆件受纵向柱的约束，会在框架内产生温度应力。

当框架结构为多层时，必须做简化才能计算，简化模式如下：考虑到温度应力会随着和约束面距离增加而迅速衰减，因此在计算时一般值考虑3层框架以内的温度应力。在实际计算中，一般认为三层以上远离基础约束的纵向柱对横梁的约束力可以忽略不计。如果第二层柱的抗剪刚度较小，采用简化的一层框架计算。对顶层结构的温度应力计算时，假定其他各层的温度相同。在以上假定的基础上，现分别以算例来阐述不同工况下的框架温度应变计算。

5、算例

5.1季节温差下的温度应变计算

图1给出了用于算例计算的框架结构形式，结构所用混凝土标号为C40，由于施工季节在夏天，在冬季完工，因此需要进行季节温差的造成的温度应力分析，所用的分析工具为ANSYS，采用有限元分析。

（1）有限元分析模型的参数设定

在设定参数时选用有限元模型的板梁单元，框架中的梁和柱简化为两节点的空间单元，板采用四节点单元，单元名称分别为Beam4和Shell63。在此基础上，将梁和柱划分网格，梁和板分别设定的单元数量为4450和9580。计算时的温度取值为：夏季施工期平均温度取36.6℃，夏季室内考虑空调影响，取平均温度27℃，冬季平均温度取-3℃，在此基础上可计算混凝土框架杆件温度变化。

（2）模拟计算结果与分析

在上述框架结构有限元分解和温度设定的基础上，用ANSYS模拟计算，在框架的变形方面计算结果如下：X方向最大、最小变形值分别为4.31mm、0.47mm，Y方向最大、最小变形值分别为10.31mm、1.12mm。通过对各个节点处的变形位移分析，得出该结构在季节温差下的变形规律为：1结构发生最大温变的位置在框架顶层纵向边缘；2框架内各层中梁的变形程度随着层数的增加而增加；3框架的纵向的位移分量主要受下部纵向结构的累计变形控制。

5.2夏季升温条件下的温度应变计算与分析

所用的框架计算简图仍为图1.温度设定值为：室内温度按正常使用条件取27℃，室外最高温度取46℃，在考虑夏季日照因素后，将向阳面的温度比其他面温度高出值取为8.2℃，且假定在向阳面和非向阳面各自温度分布均匀。有限元分析的结构分解和梁板结构的单元数量设定同前，利用软件模拟后的计算结果为：各节点纵向位移最大值为9.562mm，最小值为0.513mm。在该工况下，混凝土框架的温变分布规律为：1框架发生最大变形的位置仍然在顶层，表现为顶层面板在太阳暴晒下向上凸起，因受立柱的约束影响，最大凸起变形的部位在顶层屋面边缘位置，中间屋面由于受主柱的约束，变形量要比边缘部位小；2对同一层的立柱而言，变形量也有区别，表现为每层边缘的立柱变形量大于中间立柱的变形量，在变形量最大的边缘立柱中，变形量最大的立柱是位于每层角落处的立柱；3框架整体变形趋势为由南（向阳面）向北倾斜变形，由于框架结构高度不大，因此不会造成不良后果，向阳面的变形对其他结构的影响也大致可以忽略不计。

5.3外部降温条件下的温度应变计算与分析

结构在冬季使用时遭遇寒流影响而内部结构使用按正常室内温度控制，这种情况下也会造成温度应力。在计算时，考虑的温度设定值为：取冬季温度极低值-12℃，杆件温度按传热分布情况，取为2.8℃，内部杆件温度为室温，取作18℃。计算简图和有限元分析设定同前。此时的温变规律为：1在温度骤降的情况下，结构最大变形的部位仍未顶层，表现为向下凹陷，顶层变形最大的部位仍为边缘部位，中间面板受主柱的约束变形量小于边缘。各层立柱的变形最大者位于边缘，各层角落处立柱变形最大。结构总体变形规律为：1梁变形程度随高度的增加而增大，主要原因在于受基础约束的控制越来越小；2出现最大变形的位置位于每层的边缘，板和柱都具有相同规律；3楼层内部水平杆件和纵向杆件变形最小，主要受立柱的强力约束影响所致。

参考文献

[1]吴胜兴.混凝土结构温度应力与裂缝控制研究[D].东南大学.

[2]林雪.框架结构的温度变形与温度应力[J].福建建筑,2011,53(2):24-25.