杨 竣 王晓东

(1.汉嘉设计集团股份有限公司，浙江 杭州 310005； 2.中国联合工程公司，浙江 杭州 310052)

超长结构中的温度应力分析

杨 竣1王晓东2

(1.汉嘉设计集团股份有限公司，浙江 杭州 310005； 2.中国联合工程公司，浙江 杭州 310052)

以昆明某拟建工程为依托，分析了温度应力产生的原因，从梁、柱、楼板等构件方面研究了温度作用对构件产生的影响，并探讨了控制结构温度应力的措施，以避免结构由于温度应力产生过大的裂缝。

结构，温度，应力，裂缝

0 引言

混凝土是一种热胀冷缩的建筑材料，对于大跨度的混凝土建筑结构而言，由于温差较大所造成自身内部热量的变化，从而使混凝土收缩或者膨胀，造成温度应力。尤其是对于长度越长的结构，其约束较多，温差不易扩散出去。造成温度应力在整个结构中聚集，对于楼板来说，四边均被约束住，从而易造成结构产生温度裂缝。

1 工程概况

某拟建工程位于云南昆明某地，地下室2层，地上最高为4层，为一综合体商业建筑，采用框架结构形式，本工程设计使用年限为50年，考虑到建筑使用要求和外观的美观性，要求整个结构不设置伸缩缝。整个结构沿着纵向共134.1 m，主要柱距为7.8 m以及8.7 m；沿着横向跨度为75.1 m。本文主要考虑温度作用对整个结构的影响，因此不考虑地震作用的影响，其荷载组合也是以恒、活和温度应力组合为主。

2 结构温度作用的确定

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。因为日照具有方向性和直接性，所以建筑物的表面温度通常与空气温度不相同；所以日照温度对建筑物来说是一个非均匀分布的温度场。根据地勘报告，此建筑用地处，月平均最高气温为29.8 ℃，月平均气温最低为-7.5 ℃。而其年平均气温基本在17.5 ℃。据此确定，最大升温温差为29.8-17.5=12.3 ℃；最大降温温差为-7.5-17.5=-25 ℃。

除此之外，混凝土收缩也会引起温差。混凝土是一种脆性材料，其收缩将会在结构中产生拉力作用，而混凝土实际是一种高受压，低受拉的材料，因此，拉力会加速混凝土中的裂缝。通过不同的构造措施可以抵消或消除由于收缩所产生的温度应力作用。因此，本文着重讨论由于季节性温差造成的温差应力分布以及解决办法。

3 结构温度作用分析

利用SAP2000建立如下模型:梁柱均使用Beam单元，板采用壳单元。梁柱之间的线刚度按照实际工程模型输入。整个结构未设置伸缩缝，温差按照最大升温温差15 ℃，最大降温温差-25 ℃考虑。在SAP2000中温度荷载在各个不同的单元产生热应变，这些热应变是材料膨胀系数和单元温度变化的乘积。所以，在定义温度荷载时候，是通过在不同工况下使用温度梯度来实现的。在给单元指定温度的时候，必须先给出参考温度，再指定温度荷载，如本文所分析，取参考温度为平常温度17.5 ℃，则指定的温度荷载为32.5 ℃，通过此实现内外温差15 ℃的要求，对于降温温差同理可得。结构的弹性模量为3×1010N/m2，泊松比为0.3。热膨胀系数为1×10-5。本文拟从梁、柱和楼板等构件逐一分析温度作用对构件的影响。

3.1 梁

梁选取轴线1处、轴线5处、轴线9处、轴线11处、轴线16处、轴线21处和轴线27处的主梁，并且在每一层的同一位置选择相同的主梁进行比较，其内力分析如图1，图2所示。

框架梁的内力在每一层之间的不同位置相差不大。但是由底层到顶层，呈现逐渐递减的趋势，顶上两层的轴力较底层差异较大。

温度作用下的结构，处于同一层的梁，其受到的温差作用基本相同，又因为是位于同一层中，故受到的约束也是一致，故每一层所受到的温度作用下的轴力大致相同。而随着楼层数的增高，水平构件梁受到底部的约束作用减少，且整个结构的刚度是随着楼层的增高而降低的。即随着楼层数的增高，约束反而降低了。故在温度作用下，其所受到的轴力也是逐渐减少。这表明了温度作用主要是对结构的底部产生的作用较大，因此在进行温度作用分析的时候，可以假定结构在均匀温度作用下，只考虑底部两层梁的温度作用。梁的弯矩分析总体也是呈现出此规律，并且温度作用下，梁的不利弯矩总是出现在边跨位置，注意在实际设计时候，应加强梁的边跨配筋。

3.2 柱

框架柱的最大内力及位置见表1。

表1 框架柱的最大内力及位置

在温度作用下，柱子最不利位置在边跨处，因为其承受了较大的弯矩和剪力。易发生弯曲和剪切破坏。因此在设计时，对端柱应该放大其配筋比例，采取柱端加密，甚至全柱加密的方式，保证框架柱在温度作用下的安全。

并且本文在上述梁柱分析的情况下，通过改变梁柱的线刚度比，反映结构在温度作用下的内力分布规律。通过分析表明，梁柱线刚度的降低，将导致梁柱中温度内力减少，温度变形增加的趋势。这是因为作用在整个结构上的温度作用是确定的，但是梁柱线刚度减少，则表明梁柱之间的相互约束作用就越弱，所以，温度应力就越低。此分析也验证了温度变化和外界约束共同决定了温度效应的强弱。

3.3 楼板

楼板在温度作用下的最大的变形出现在楼板大开洞的第四层的中间位置，此处的位移矢量值为14.984 mm。此处楼板由于受中空开洞的影响，为三边约束楼板，受整个结构的约束作用较弱，故此处楼板的变形就越大。综观整个结构体系，温度作用在楼板中的分布规律见表2。

表2 楼板温度变形及拉应力极值

楼板受到周边约束作用越强，其温度应力就越大。降温温差作用将会在楼板内产生拉应力，对楼板的受力影响较大。本次工程设计，楼板面积在第一层较大，所受到的温度应力较大，到上面各层，中间位置空置有中庭，将楼板断开为几个部分，影响相对较弱。但从总体看来，在楼板有缩进和开洞位置处所产生的拉应力均较多，是在设计中应该着重考虑的部分。由温度产生的整体拉应力均已经大于楼板所用混凝土材料C35的抗拉强度标准值，这表明结构在温度降温工况作用下，基本处于带裂缝工作状态。本工程采用对楼板加强配筋的方式，来加强控制裂缝的发展。

4 控制结构温度应力的措施

1)加强关键构件部位的强度。

对于板构件来说，加强板厚对整个结构温度应力的控制不是很明显。但是，在分析和计算过程中发现，增加板的配筋，控制楼板的最小配筋率，并且在楼板边缘附近配置正负温度负筋，采取双向配筋方式等方法，能够有效的减少楼板受到温度作用所产生的裂缝；对于梁构件而言，本工程实例表明，结构在降温时候，梁中产生拉应力，最大梁的拉应力为4.2 MPa。故通过梁两侧所配的腰筋按照0.2%的配筋率构造配筋，即可满足温度应力的受力要求。框架柱受力较为复杂，但通过各种工况的比较表明，温度应力不是起控制作用的组合，按照地震作用等组合正常配筋即可满足要求。但应注意在柱子两侧按照要求，做好加密区的构造配筋要求。

2)更新施工方法，采取后浇带方式施工。

在施工过程中，在合适的时间合理设置后浇带的位置。通常应该将后浇带设置在收缩变形或者温度应力集中处，并且在可能情况下，在温度月平均气温降低的时候封闭浇灌施工。在施工过程中，以及施工后，应加强混凝土的养护。

3)楼板抗裂措施。

对于楼板而言，其受到的约束应力较大，针对此种情况，对于一些次要部位可适当开小洞，即可作为设备管线的通道口，又在一定程度上释放了约束应力。并且在约束较大的部位设置板底温度负筋，在整个板中配置抗裂钢筋，适当增大楼板的配筋率，均能够有效防止楼板的温度应力裂缝发展。另一方面，引起板裂缝的主要原因就是混凝土的收缩变形。混凝土硬化期间会不断释放水化热，引起内外温差较大，产生很大的温度拉力，可以通过在混凝土中掺添加剂，如采用纤维混凝土的办法，选用低热低碱水泥，加强养护等方法控制温度应力。

5 结语

本文通过对某实际工程在温度工况下的分析，重点讨论了结构构件(梁、楼板、柱)在温度作用下的应力分布规律和薄弱位置。并且在此基础上对内力较大的部位采取了加强措施，避免了结构由于温度应力产生过大的裂缝。当然，对于温度应力的预防和控制，不仅在于设计上予以重视，更要在施工上以及构造措施上加以控制，通过概念和先进的技术手段，解决超长结构中的温度应力问题。

[1] 郑毅敏,刘永璨.某体育场环形超长结构温度应力分析[J].结构工程师，2007(8):17-23.

[2] 彭 波,蔡宏儒.超长结构温度应力分析方法与控制措施[J].江苏建筑，2012(2):44-49.

On temperature stress analysis in super-long structures

Yang Jun1Wang Xiaodong2

(1.HanjiaDesignGroupCo.,Ltd,Hangzhou310005,China;2.ChinaUnitedEngineeringCorporation,Hangzhou310052,China)

Based on some planned project in Kunming, the paper analyzes the reasons for the temperature stress, researches the influence of the temperature effect on components from beams, columns, and slabs, and explores the measures to control the temperature stress of the structure, so as to avoid oversize cracks caused by the temperature stress.

structure, temperature, stress, crack

2015-05-20

杨 竣(1981- )，男，工程师； 王晓东(1981- )，男，工程师

1009-6825(2015)22-0037-02

TU311

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