孔玉琴　李正良

摘 要：本文就溫度對建筑結構的影響、溫度類型、溫度應力的特點、超長高層建筑溫度應力分析方法等相關內容進行了綜述，對解決超長高層建筑溫度應力的技術措施進行了總結。

關鍵詞：超長高層建筑；建筑結構；溫度

隨著我國城市建設的發(fā)展，高層建筑得到了飛速的發(fā)展，隨之超長建筑越來越多，但一般來說，結構越長，溫度及收縮變形越大，約束內力越大，往往引起結構開裂，影響正常使用，所以超長混凝土結構的溫度及收縮裂縫問題目前已經成為結構領域內一個研究的熱點。本文就此對有關內容及相關的研究成果做一簡述。

1 溫度對建筑結構影響

溫度及收縮應力是引起超長混凝土結構開裂的主要原因。從結構本身來說，結構的超長將對結構產生兩個方面的不利影響。一是連續(xù)澆筑的超長混凝土構件內部自身的收縮和水化作用引起的混凝土構件體積的不均勻變化使混凝土內部產生較大的應力而開裂。二是外界環(huán)境溫度變化導致結構構件熱脹冷縮，由此引起的整體結構構件之間的不均勻變形和位移對于超靜定的混凝土結構可能引發(fā)較大的約束應力，這種約束應力對建筑物的影響主要在長度和高度兩個方面。這兩個角度的不利因素對超長結構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)境中的工程結構，經受各種自然環(huán)境條件變化的影響。它與所處的地理位置、地形地貌條件、結構物的方位、朝向以及所處季節(jié)、太陽輻射強度、氣溫變化、云、霧、雨、雪、周圍空氣等等有關，由此形成的工程結構物的溫度分布也是很復雜的。但就混凝土工程結構來講，由于自然環(huán)境條件變化所產生的溫度荷載，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構物溫度變化。驟然降溫溫度作用主要是強冷空氣的侵襲作用和日落形成內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構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，因為升溫對結構不利影響較小，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部的溫差，這是因為混凝土是熱的不良導體造成的。日照溫差[1]等均會引起較大的表里溫差，會引起混凝土表面收縮而內部膨脹，產生表面裂縫。驟然降溫介于兩者之間，可能引起兩種裂縫。

3 溫度應力的特點

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

4 超長高層建筑溫度應力分析方法

有關溫度作用對超長結構影響的計算方法，主要有如下幾種：

4.1 溫度應力的近似簡化計算方法

該方法的主要思路是：假定基礎和地下室不變形，多層框架按兩層計算，計算時根據(jù)各柱的側移剛度將梁的溫度水平側移在節(jié)點上進行分配，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力[2]，該方法是目前框架結構溫度應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]用這種計算方法分別討論了框架結構、超長框架結構的溫度應力變形計算問題。另外一種計算框架剪力墻結構的簡化方法是先整體后局部的連續(xù)化方法，這種思路由于計算的原因而進行了一些簡化，因此給計算結果帶來了一定的誤差。

4.2 有限元法

有限元法是應用數(shù)學、力學及計算機科學相互滲透和綜合利用的邊緣科學，其物理實質是用有限個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)學實質是用有限子域的組合代替一個連續(xù)域，化連續(xù)場函數(shù)的微分方程求解問題為有限個參數(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，有限元方法經歷了產生、發(fā)展、完善三個歷史時期，有限元理論與計算機科學的完美結合成為現(xiàn)代力學的重要標志。其成功的另一標志就是出現(xiàn)了大量的有限元分析的商品軟件。其中著名的有限元結構分析軟件如NASTRAN、ANSYS、ABQUS等已在全世界廣泛被應用。有限元分析方法已成為近年來眾多科研設計人員用來解決溫度應力問題的重要方法，并取得了許多成功的經驗。文獻[6]采用SAP84結構分析軟件通過計算一個五層超長框架在季節(jié)溫差下的總體溫度內力分布，進行了多種計算模型的分析比較，研究了這類結構在溫度荷載下的受力特點，討論不同結構形式對溫度內力的影響以及溫度內力的優(yōu)化和如何通過構造措施減小超長建筑的溫度內力等問題，這些結果對工程設計和施工有一定的參考價值。文獻[7]使用SAP，ANSYS等通用有限元程序計算大面積混凝土梁板結構溫度應力，其中梁和樓板分別用三維梁單元和板單元來模擬，且在分析多層框架結構的溫度應力時，梁板粘合引起的誤差僅在10%左右，所以用梁、板單元分別模擬結構梁柱和樓板，進行結構的溫度應力分也析是可行的，是目前應用最多的一種模型。

4.3 局部構件的溫度應力計算方法

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

綜合分析上述文獻，可以發(fā)現(xiàn)手算法計算簡單，結果易于分析，適合于形式單一、布局規(guī)則的多層框架結構溫度應力計算，此方法還可進行一般結構溫度分析的前期估算工作。其存在的問題主要是計算粗糙，誤差太大，計算結果無法體現(xiàn)整體結構的溫度效應，這些不足使手算法無法用于大型結構的整體溫度應力計算。局部構件的溫度應力計算法雖然能得到很理想的結果，但對于實際的復雜工程，若要對其整體結構進行溫度場分析，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件分析，很難用于解決實際工程的整體溫度應力分析。而有限元分析方法具有計算精度高、適用范圍廣等優(yōu)點，目前已被廣泛應用于結構溫度問題的研究。

5 解決超長高層建筑溫度應力的技術措施

參考國內外近幾年來一些有關溫度作用的工程設計和科研成果，可將超長結構溫度作用的處理方法概括為“抗”、“放”、“調”三種方式。

“抗”是通過提高混凝土的強度、提高鋼筋混凝土的配筋率達到提高結構混凝土的極限抗拉、抗壓應變，采用補償收縮混凝土，以預壓應力抵消結構混凝土工作時的受拉變形，加強結構受溫度作用影響較大的部位?！翱埂钡闹饕胧┯性诮Y構設計時選擇的結構布置形式、合理確定結構承受的溫差作用、選用高強材料，采用專門的預應力措施[10]、使用添加劑[10]減小混凝土溫度的變化和收縮、設保溫層等。

“放”是按規(guī)范的要求，通過設置永久性伸縮縫減小結構混凝土溫度應力的影響范圍，使結構在較小的范圍內任其變形?！胺拧钡闹饕胧┯性O置伸縮縫、層間橡膠支座使構件變柔等。

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

我國正在建造一些超長高層建筑，為了保證超長高層建筑結構在溫度作用下正常使用和建造的經濟性，急需此方面研究成果。超長高層建筑結構整體計算模型異常復雜，加之溫度作用問題的復雜性，造成超長高層建筑結構溫度問題計算理論還不完善，也需要開展此方面的研究，以豐富高層建筑結構分析的內容。因此我們應該加強對超長高層建筑結構溫度應力問題的研究，為超長高層建筑結構溫度問題的合理設計提供基礎。應用有限元分析方法，對整體超長高層建筑結構溫度應力問題進行系統(tǒng)研究，給出溫度變化引起結構內力變化的范圍，將是目前超長高層建筑結構溫度問題研究的重點和方向。

參考文獻

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[4]樊江，陶燕.框架結構溫度應力的簡化計算及裂縫控制[J]工程力學增刊2000年I卷，419~424.

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[10]《混凝土結構設計規(guī)范》GBJ10·89，北京，中國建筑工業(yè)出版社，1989）.

[11]顧渭建,賀小崗. 超長無縫高層建筑溫度場分析研究,建筑結構學報, 2005.10 ,Vol.26,No.5，36~39.

作者簡介：孔玉琴（1979-），女，甘肅武威人，講師，在讀碩士，結構工程。