浅谈温度作用对建筑结构的影响

摘要：本文根据新版荷载规范，对温度应力问题结合工程实际，提出一些关于温度应力产生的原因及工程中的处理方法。

关键词：温度应力;徐变;弹性支座

Abstract: In this paper, according to the specification of load, according to the problem of temperature stress and combined with engineering practice, puts forward some treating methods of temperature stress and in engineering.

Key words: temperature stress; creep; elastic support

中图分类号：TV315文献标识码：A文章编号：

1、引言一年四季，春夏秋冬岁月更替，气温一直在变化；一日之内也存在昼夜温差变化；气候变化产生温度变化形成温差。温差中存在着巨大的能量，人类利用海水温差发电等。对建筑结构而言，由温差的影响常常给结构或构件带来巨大的破坏作用，如大体积混凝土对温度作用比较敏感；超长结构对温度同样非常敏感。在结构及构件内的温度分布一般可认为有三个分量叠加而成。1、均匀分布的温度分量TU;2、沿截面线性变化的温度分量Tmy,Tmz;3、非线性变化的温度分量Tz;建筑结构中计算的温度荷载主要根据规范提供的各地的基本气温同时根据当地工程经验以及建筑结构的保温隔热性能进行综合考虑。2012版荷载规范中明确：对于热传导较慢且体积较大的混凝土及砌体结构，可直接采用月平均最高气温和最低气温作为基本气温进行分析计算；对于热传导较快的金属结构或体积较小的混凝土，它们对气温变化比较敏感，这些结构要考虑昼夜气温变化的影响；对室内外温差较大且没有保温隔热层的结构，应考虑结构或构件温度梯度的影响；

2、建筑结构的温度作用属于间接作用，温度对结构的作用首先是热传导问题，只有当构件变形受约束，温度作用才以力的形式表现出来，才产生结构设计问题。所以，导热状况不同，约束内力计算结果差异明显，要特别注意导热计算正确与否将直接影响结构计算及结构设计的正确性。建筑物的环境温度由空气温度加上太阳热辐射在建筑物表面产生的日照温度组成。建筑物的表面温度通常与空气温度不相同；而因为日照具有方向性和直接性，所以，日照温度对建筑物来说是一个非均匀分布的温度场。温度作用通过线膨胀来反应，对于规则的平面结构，温度应力分布比较均匀；对曲面结构，温度应力分布则比较集中，一般上部结构、杆件的温度应力较小，下部结构特别在支座处温度应力较大，这是由于上部结构的杆件在温度作用下可以自由的向曲面伸缩，而不受约束，温度应力得到释放。而下部结构、杆件的变形受到支座的约束，温度应力无法释放，因而产生很大的温度应力。由温度作用产生的应变为=αt，当建筑物的变形受到约束是相应的截面内的温度应力为σ=E=Eαt。式中：α为材料的温度线膨胀系数；E为材料的弹性模量。

3、工程实际中一些释放温度荷载的处理方法

在实际工程中，温度应力对结构的影响非常大，因此工程设计中必须对结构进行相关处理，采取相应措施以保证结构安全。混凝土设计时，由于温度作用是个缓慢的实施过程，因此考虑徐变变形引起的构件应力松弛；结构约束的相对性，温度作用对结构产生的直接影响是变形。地下、地上的温度变形是不一样。在结构整体工作下，变形协调通过竖向构件来完成。这一协调过程实质就是变形变化量小的地下部分约束了地上部分的温度变形，因此，这种约束是相对的。温度作用影响是可控的。控制温度作用的影响，就是要首先减小温度变形，着眼点应是控制结构长度或结构工作温度变化量。对于超长结构，可以利用后浇带来实现。由于温度计算的复杂性以及模型简化的相对性，所以计算结果更多的是参考作用，构造措施和正确施工更为重要。钢结构设计与混凝土设计对应温度设计这块存在着一定的差别，首先，钢结构在温度作用下结构一般需处于弹性工作阶段，一般认为结构构件根据温度变化对应伸缩，不存在徐变变形，因此不存在应力松弛；其次，钢结构需与下部结构协调工作，且两者存在一定的温度差；因此工程设计中，钢结构与混凝土所考虑的温度差一般在5-10℃。在结构设计中对较大跨度的结构，一般采取一定的措施来减小温度应力的影响。如：1、采用部分弹性支座（如橡胶支座），减少支座对结构的约束，部分释放温度应力；

目前国内采用此种方式较多，且技术非常成熟；分析计算时把橡胶垫板看做一个弹性元件，其竖向刚度Kz1和两个水平方向的侧向刚度分别可取为Kx1和Ky1：Kz1=EA/d1, Kx1=GA/d1, E为橡胶垫板弹性模量；G为橡胶垫板抗剪弹性模量；A为橡胶垫板面积；d1为橡胶垫板厚度；当橡胶垫板搁置在下部混凝土柱上时，还应计算橡胶垫板与支承结构的组合刚度。2、采用完全释放温度作用的做法来释放温度应力，如设计释放水平位移的限位支座；此技术也比较成熟，但是结构所能释放的位移量有限，一般限位支座可释放的水平位在100mm以内；3、释放部分温度作用即选择合适的温度合拢整体结构，设计明确结构合拢温度；合拢温度一般为结构计算温差的即最高温度和最低温度的中间值，一般以20℃左右为宜。同时主体结构安装完成后应尽快安装保温隔热层，减少太阳暴晒。结构构件因为温度变化所产生的变形相对来说较小，所以微小的结构变形，可以释放较大的温度应力。钢材及混凝土的线膨胀系数约ɑc=1x10-5/℃，因此结构由于温度的变化所产生的结构伸缩相对较小。对于上部钢结构、下部混凝土结构的结构形式，上部结构方案计算中应根据规范及力学知识，采用简单计算的方式模拟输入下部混凝土结构的刚度进行计算，以释放结构温度荷载作用；待施工图阶段再根据下部实际结构情况输入下部结构进行整体计算。对于常规结构笔者认为以材料的自身强度来抵抗且温度作用对其影响较小，采用特殊支座处理起来再经济上和时间上更加浪费，且结构自身的刚度完全可以消化此部分的温度作用。

4、结论

温度荷载作用对结构影响非常大，结构设计应该重视温度作用的影响，采用适当的结构措施处理好温度应力。常规结构跨度不大的结构可采用结构自身抵抗处理；对大跨度、大体积结构，应采用释放温度应力的方式来解决，方法主要有结构分缝、弹性支座、滑动支座等等，以使结构更加安全、经济、合理。

参考文献

[1] 樊小卿温度作用与结构设计.[J]建筑结构学报，1999.

[2] 章熙民等编热传学.[S].北京：中国建筑工业出版社，1985.

[3] （GB50009-2012）建筑结构荷载规范.[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.