孔玉琴　李正良

摘 要：本文就溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響、溫度類型、溫度應(yīng)力的特點(diǎn)、超長(zhǎng)高層建筑溫度應(yīng)力分析方法等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了綜述，對(duì)解決超長(zhǎng)高層建筑溫度應(yīng)力的技術(shù)措施進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)；溫度

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑得到了飛速的發(fā)展，隨之超長(zhǎng)建筑越來越多，但一般來說，結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)，溫度及收縮變形越大，約束內(nèi)力越大，往往引起結(jié)構(gòu)開裂，影響正常使用，所以超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度及收縮裂縫問題目前已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)研究的熱點(diǎn)。本文就此對(duì)有關(guān)內(nèi)容及相關(guān)的研究成果做一簡(jiǎn)述。

1 溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響

溫度及收縮應(yīng)力是引起超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因。從結(jié)構(gòu)本身來說，結(jié)構(gòu)的超長(zhǎng)將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩個(gè)方面的不利影響。一是連續(xù)澆筑的超長(zhǎng)混凝土構(gòu)件內(nèi)部自身的收縮和水化作用引起的混凝土構(gòu)件體積的不均勻變化使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力而開裂。二是外界環(huán)境溫度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件熱脹冷縮，由此引起的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的不均勻變形和位移對(duì)于超靜定的混凝土結(jié)構(gòu)可能引發(fā)較大的約束應(yīng)力，這種約束應(yīng)力對(duì)建筑物的影響主要在長(zhǎng)度和高度兩個(gè)方面。這兩個(gè)角度的不利因素對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的影響是溫度作用的主要表現(xiàn)形式。

2 溫度類型

置于自然環(huán)境中的工程結(jié)構(gòu)，經(jīng)受各種自然環(huán)境條件變化的影響。它與所處的地理位置、地形地貌條件、結(jié)構(gòu)物的方位、朝向以及所處季節(jié)、太陽輻射強(qiáng)度、氣溫變化、云、霧、雨、雪、周圍空氣等等有關(guān)，由此形成的工程結(jié)構(gòu)物的溫度分布也是很復(fù)雜的。但就混凝土工程結(jié)構(gòu)來講，由于自然環(huán)境條件變化所產(chǎn)生的溫度荷載，一般可分為年溫溫差作用、驟然降溫溫度作用和日照溫度變化作用三種類型。年溫溫差作用是由于年溫變化所引起的結(jié)構(gòu)物溫度變化。驟然降溫溫度作用主要是強(qiáng)冷空氣的侵襲作用和日落形成內(nèi)高外低的溫度分布狀態(tài)。日照溫度變化作用指同一天太陽照射在結(jié)構(gòu)的不同部位引起的溫度變化。

按作用的形式來看，溫差可分為均勻溫差和表里溫差兩類，因?yàn)樯郎貙?duì)結(jié)構(gòu)不利影響較小，這里考慮的主要是降溫溫差。均勻溫差是指混凝土全截面的溫度變化，它引起混凝土的均勻變形，易產(chǎn)生貫穿裂縫。年溫溫差就是一種均勻溫差。表里溫差是指混凝土表層和內(nèi)部的溫差，這是因?yàn)榛炷潦菬岬牟涣紝?dǎo)體造成的。日照溫差[1]等均會(huì)引起較大的表里溫差，會(huì)引起混凝土表面收縮而內(nèi)部膨脹，產(chǎn)生表面裂縫。驟然降溫介于兩者之間，可能引起兩種裂縫。

3 溫度應(yīng)力的特點(diǎn)

一是它與一般的荷載應(yīng)力不同。基本上應(yīng)力和應(yīng)變不再符合簡(jiǎn)單的虎克定律關(guān)系，即出現(xiàn)應(yīng)變大而應(yīng)力小，應(yīng)變小而應(yīng)力大的情況。二是因混凝土結(jié)構(gòu)的溫度分布是瞬時(shí)變化的，所以在結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力也是瞬時(shí)變化的，具有明顯的時(shí)間性。三是由于混凝土結(jié)構(gòu)的溫度荷載沿壁板厚度方向的非線性分布，故截面上溫度應(yīng)力分布具有明顯的非線性特征。

4 超長(zhǎng)高層建筑溫度應(yīng)力分析方法

有關(guān)溫度作用對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)影響的計(jì)算方法，主要有如下幾種：

4.1 溫度應(yīng)力的近似簡(jiǎn)化計(jì)算方法

該方法的主要思路是：假定基礎(chǔ)和地下室不變形，多層框架按兩層計(jì)算，計(jì)算時(shí)根據(jù)各柱的側(cè)移剛度將梁的溫度水平側(cè)移在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行分配，由柱上下端的位移差值確定固端彎矩，然后按二次彎矩分配法求得溫度引起的內(nèi)力[2]，該方法是目前框架結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力研究的基本思路之一，我們可以稱之為“分層法”。樊江[3][4]、謝靖中[5]用這種計(jì)算方法分別討論了框架結(jié)構(gòu)、超長(zhǎng)框架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力變形計(jì)算問題。另外一種計(jì)算框架剪力墻結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化方法是先整體后局部的連續(xù)化方法，這種思路由于計(jì)算的原因而進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，因此給計(jì)算結(jié)果帶來了一定的誤差。

4.2 有限元法

有限元法是應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透和綜合利用的邊緣科學(xué)，其物理實(shí)質(zhì)是用有限個(gè)單元體的組合代替連續(xù)體，化無限自由度的問題為有限自由度的問題。其數(shù)學(xué)實(shí)質(zhì)是用有限子域的組合代替一個(gè)連續(xù)域，化連續(xù)場(chǎng)函數(shù)的微分方程求解問題為有限個(gè)參數(shù)方程組的求解問題。有限元方法可以求解許多過去用解析方法無法求解的問題，是一種行之有效的現(xiàn)代分析方法。40年來，有限元方法經(jīng)歷了產(chǎn)生、發(fā)展、完善三個(gè)歷史時(shí)期，有限元理論與計(jì)算機(jī)科學(xué)的完美結(jié)合成為現(xiàn)代力學(xué)的重要標(biāo)志。其成功的另一標(biāo)志就是出現(xiàn)了大量的有限元分析的商品軟件。其中著名的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件如NASTRAN、ANSYS、ABQUS等已在全世界廣泛被應(yīng)用。有限元分析方法已成為近年來眾多科研設(shè)計(jì)人員用來解決溫度應(yīng)力問題的重要方法，并取得了許多成功的經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[6]采用SAP84結(jié)構(gòu)分析軟件通過計(jì)算一個(gè)五層超長(zhǎng)框架在季節(jié)溫差下的總體溫度內(nèi)力分布，進(jìn)行了多種計(jì)算模型的分析比較，研究了這類結(jié)構(gòu)在溫度荷載下的受力特點(diǎn)，討論不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)溫度內(nèi)力的影響以及溫度內(nèi)力的優(yōu)化和如何通過構(gòu)造措施減小超長(zhǎng)建筑的溫度內(nèi)力等問題，這些結(jié)果對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值。文獻(xiàn)[7]使用SAP，ANSYS等通用有限元程序計(jì)算大面積混凝土梁板結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，其中梁和樓板分別用三維梁?jiǎn)卧桶鍐卧獊砟M，且在分析多層框架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力時(shí)，梁板粘合引起的誤差僅在10%左右，所以用梁、板單元分別模擬結(jié)構(gòu)梁柱和樓板，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分也析是可行的，是目前應(yīng)用最多的一種模型。

4.3 局部構(gòu)件的溫度應(yīng)力計(jì)算方法

由于研究對(duì)象是建筑結(jié)構(gòu)中的局部構(gòu)件，計(jì)算工作量較小，為求得逼近理論解的結(jié)果，可以采用經(jīng)典理論方法或采用數(shù)值方法來確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度場(chǎng)的分布，從而得出較為精確的溫度應(yīng)力值。韓重慶采用彈性有限元的方法對(duì)大面積混凝土梁板結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力進(jìn)行了分析，采用季節(jié)溫差與當(dāng)量溫差的疊加得到結(jié)構(gòu)計(jì)算溫差，用SAP 、ANSYS 等通用有限元程序分析結(jié)構(gòu)在溫差作用下的應(yīng)力。文獻(xiàn)[8][9]等從日照和水化熱兩個(gè)方面考慮高層剪力墻結(jié)構(gòu)的溫度作用效應(yīng)，用數(shù)值方法求解墻體的溫度場(chǎng)分布，以及構(gòu)件水化熱反應(yīng)的等效溫差，溫度應(yīng)力采用有限元分析程序SAP90進(jìn)行計(jì)算。上述文獻(xiàn)所進(jìn)行的研究工作，還可以采用經(jīng)典理論方法或數(shù)值方法來確定構(gòu)件的溫度場(chǎng)分布，從而求解出接近理論解的溫度應(yīng)力值。

綜合分析上述文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)手算法計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果易于分析，適合于形式單一、布局規(guī)則的多層框架結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算，此方法還可進(jìn)行一般結(jié)構(gòu)溫度分析的前期估算工作。其存在的問題主要是計(jì)算粗糙，誤差太大，計(jì)算結(jié)果無法體現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，這些不足使手算法無法用于大型結(jié)構(gòu)的整體溫度應(yīng)力計(jì)算。局部構(gòu)件的溫度應(yīng)力計(jì)算法雖然能得到很理想的結(jié)果，但對(duì)于實(shí)際的復(fù)雜工程，若要對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，顯然有很大的難度，因而該方法只適用于理論性研究和局部構(gòu)件分析，很難用于解決實(shí)際工程的整體溫度應(yīng)力分析。而有限元分析方法具有計(jì)算精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)溫度問題的研究。

5 解決超長(zhǎng)高層建筑溫度應(yīng)力的技術(shù)措施

參考國(guó)內(nèi)外近幾年來一些有關(guān)溫度作用的工程設(shè)計(jì)和科研成果，可將超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度作用的處理方法概括為“抗”、“放”、“調(diào)”三種方式。

“抗”是通過提高混凝土的強(qiáng)度、提高鋼筋混凝土的配筋率達(dá)到提高結(jié)構(gòu)混凝土的極限抗拉、抗壓應(yīng)變，采用補(bǔ)償收縮混凝土，以預(yù)壓應(yīng)力抵消結(jié)構(gòu)混凝土工作時(shí)的受拉變形，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受溫度作用影響較大的部位。“抗”的主要措施有在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選擇的結(jié)構(gòu)布置形式、合理確定結(jié)構(gòu)承受的溫差作用、選用高強(qiáng)材料，采用專門的預(yù)應(yīng)力措施[10]、使用添加劑[10]減小混凝土溫度的變化和收縮、設(shè)保溫層等。

“放”是按規(guī)范的要求，通過設(shè)置永久性伸縮縫減小結(jié)構(gòu)混凝土溫度應(yīng)力的影響范圍，使結(jié)構(gòu)在較小的范圍內(nèi)任其變形?！胺拧钡闹饕胧┯性O(shè)置伸縮縫、層間橡膠支座使構(gòu)件變?nèi)岬取?/p>

“調(diào)”是“抗”、“放”兩種方法的綜合應(yīng)用。通過混凝土配合比設(shè)計(jì)和材料選用、外加劑摻入、合理留置施工縫和施工期間臨時(shí)的溫度縫(通常稱為后澆帶)以及在施工時(shí)控制混凝土后期干縮量；采用混凝土低溫入模、低溫養(yǎng)護(hù)，盡量降低混凝土終凝時(shí)溫度，減少水化熱和收縮；充分掌握混凝土的澆灌振搗技術(shù)及振搗時(shí)間；墻、梁構(gòu)件應(yīng)分層散熱澆灌[11]；在溫度應(yīng)力較大部位合理配置預(yù)應(yīng)力鋼筋同時(shí)加強(qiáng)薄弱部位。此外還可以通過支撐及邊界處理，減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束變形。

我國(guó)正在建造一些超長(zhǎng)高層建筑，為了保證超長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)在溫度作用下正常使用和建造的經(jīng)濟(jì)性，急需此方面研究成果。超長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型異常復(fù)雜，加之溫度作用問題的復(fù)雜性，造成超長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)溫度問題計(jì)算理論還不完善，也需要開展此方面的研究，以豐富高層建筑結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容。因此我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)超長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力問題的研究，為超長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)溫度問題的合理設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。應(yīng)用有限元分析方法，對(duì)整體超長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，給出溫度變化引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的范圍，將是目前超長(zhǎng)高層建筑結(jié)構(gòu)溫度問題研究的重點(diǎn)和方向。

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作者簡(jiǎn)介：孔玉琴（1979-），女，甘肅武威人，講師，在讀碩士，結(jié)構(gòu)工程。