框架剪力墙日照温度场及温度效应研究

摘 要： 本文通过对某框架剪力墙的内外壁温度在夏天进行了现场实测并结合有限元软件ANSYS12.0对框架剪力墙的日照温度场和温度应力做了详细的分析，得出了框架剪力墙会在这种不利荷载下产生极大的温差应力，最终说明日照温差荷载在建筑结构荷载规范中并不能忽略。

关键词： 框架剪力墙；日照温度场；温度应力；ANSYS

中图分类号：[U24] 文献标志码：A

概述

在炎热的夏天，位于高层结构外侧的混凝土柱及剪力墙，外侧面将受到强烈的太阳辐射，内侧面将受到空调的快速降温，那么就会在混凝土柱及剪力墙截面上产生很大温度梯度和温度应力。因为混凝土的热传导性能很差，混凝土结构外表面在周围环境作用下迅速升温时，混凝土内部并不能同时迅速升温，结构中会形成温差较大的非线性温度分布。由此产生的变形受到约束时所产生的应力，即称为温度应力[4][6][7]。混凝土结构的温度应力，实际上是一种约束应力，包括内约束应力和外约束应力。内约束应力是由于结构内部某一构件单元中，因纤维间的温度不同，所产生的应变差受到约束而引起的应力；外约束应力则是结构或体系内部各构件，因温度不同所产生的不同变形受到约束所产生的应力[1]。

温度应力与一般荷载应力不同，基本上应力与应变不再符合简单的胡克定律，出现应变大而应力小，应变小而应力大的情况。与普通荷载应力符合应力与应变成正比规律的情况不同，但是伯努利的平面变形规律仍然适用。温度应力与平面变形所保留的温度应变和温度自由应变差成正比。由于混凝土结构的温度荷载沿壁板厚度方向的非线性分布，故截面上的温度应力分布具有明显的非线性特征。此外，混凝土结构的温度分布是瞬时变化的，所以结构中的温度应力也是瞬时变化的，具有明显的时间性[5]。

本文采用大型有限元分析软件ANSYS12.0对空调房的混凝土边框架柱及剪力墙的日照温度场及温度效应做了详细的分析，得出了在混凝土框架剪力墙中的这种温度效应是不容忽视，然而在现行的建筑结构荷载规范[3]中并没有考虑这种荷载。

1 混凝土结构日照温度场及温度效应计算概述

1.1日照温度场计算的计算方法[1][2][4]

就目前国内外研究表明，计算混凝土结构的温度场有三种方法，第一种方法是热传导微分方程法，即建立热传导微分方程并求解；第二种方法是近似数值分析方法，包括有限差分法和有限单元法；第三种方法是半经验半理论公式法即对不同形状的混凝土结构在不同的环境条件下对温度场进行实测，在此基础上建立工程实用的半理论半经验公式。第一种方法中的三个热传导方程为：

2 工程算例

某高层框架剪力墙结构房屋，第二层混凝土边框架柱尺寸为，剪力墙厚度为350mm，两侧混凝土壁受太阳辐射作用，内壁受空调降温作用。通过在其内外壁预埋温度传感器，夏天中午对外壁混凝土的温度实测值为：东北侧外壁45.6℃，东南侧外壁41.8℃，东北侧内壁29.7℃，东南侧内壁29.3℃，西南侧及西北侧内外壁为21.4℃，房间内室温20℃。混凝土框架剪力墙所处的环境示意图如下所示：

2.1基于ANSYS的混凝土日照温度场分析

用ANSYS软件求解混凝土柱日照温度场的步骤如下[8][9]：

（1）有限元模型建立及施加温度荷载

略去沿柱高方向的微小温差，混凝土框架柱及剪力墙的日照温度场问题可简化为按横截面内的平面问题进行分析。本文分析采用PLANE77热分析单元，该单元是2维8节点单元，每个节点只有一个自由度（温度），具有一致的温度形函数，可较好地适用具有曲线边界的模型，适合进行2维稳态或瞬态热分析。

ANSYS有限元模型如图3所示。

对于混凝土日照温度场本来应该按照瞬态热分析来计算，但可以取一天中最大温差的时刻的温度边界条件加到混凝土的边界上做稳态分析。

（2）求解

进入求解处理器，设置分析类型为稳态分析（ANTYPE， 0， NEW），输入求解命令（solve）让其自动求解。

（3）后处理

对于稳态热分析，可采用通用后处理器（POST1）来查看结果。在通用后处理器中，可查看各节点温度云图或列表输出各种结果。混凝土框架柱及剪力墙的温度云图如下图4所示。

通过ANSYS通用后处理器（POST1）中列表显示各个节点的温度值，提取出东北侧沿剪力墙截面沿厚度方向的温度值如下表1所示：

运用最小二乘法对沿壁厚的温度梯度曲线进行拟合得到沿壁厚方向的温度梯度表达式为：

2.2基于ANSYS的混凝土柱温差应力有限元分析

在ANSYS中，温度场和温度效应计算可在同一个命令流中实现。在完成日照温度场分析之后，更改工作文件名，将热分析单元（PLANE77）转换为结构分析单元（PLANE183），施加必要约束，设置参考温度，通过静力分析，即可完成温度应力的计算。通过通用后处理器（POST1）来查看应力的计算结果，温度应力云图如下所示：

由应力云图可知在内外壁温差为15.9°C时，混凝土框架柱及剪力墙的最大拉应力可以达到7.25Mpa，最大压应力为3.74MPa，最大拉应力出现的位置为内壁框架柱与剪力墙的交汇处，最大压应力出现在外壁表面。

3 结论

本文通过一个工程算例对空调房的混凝土边框架柱及剪力墙的日照温度场和温度应力的详细分析，得出以下结论：

（1）混凝土框架柱及剪力墙在日照和空调的双重作用下（内外温差15.9°C）的温度拉应力可以达到7.25Mpa，压应力可以达到3.74MPa，当天气很炎热时，内外壁的温差将会更大，则产生的温度应力也将会更大，最终导致混凝土柱极剪力墙的交汇处开裂。

（2）通过最小二乘法拟合出了厚度在350mm左右的剪力墙的日照温度梯度为

（X为距外壁的距离）

（3）运用ANSYS模拟计算混凝土结构的日照温度场及温度效应是切实可行的方法。

（4）在现行的建筑结构荷载规范[3]中并没有考虑这种条件下的日照温度荷载，希望设计人员能够在结构设计中参照有限元分析的日照温度场及温度效应，确保结构的安全。

参考文献

[1] 刘兴法. 混凝土结构的温度应力分析[M]. 北京： 人民交通出版社， 1991.

[2] 管敏鑫. 混凝土桥梁的日照温度荷载、温度应力的计算和裂纹[J]. 中国铁道学报， 1986.

[3] 中华人民共和国行业标准.GB 50009-2001.建筑结构荷载规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[4] 王润富， 陈国荣. 温度场和温度应力[M]. 北京： 科学出版社， 2005.

[5] 杨世铭， 陶文铨. 传热学（第三版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1998.

[6] Houk I.E， Paxton J.A. Prediction of thermal stresses and strain capacity of concrete by tests on small beams[J]. Journal of American Concrete Institute， 1970.

[7] Liu Y.N， Zuk W. Thermo-elastic behavior in pre-stressed flexural members[J]. Journal of Pre-stressed Concrete Bridges. 1963.

[8] 张国智， 胡仁喜， 陈继刚. ANSYS 12.0热力学有限元分析实例指导教程[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007.

[9] 王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M]. 北京： 人民交通出版社， 2007.