探讨温度对土木建筑结构影响

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探讨温度对土木建筑结构影响

摘要:土木建筑结构的温度效应的探讨具有重大的学术价值和潜在的工程应用背景,是当前建筑结构设计中探讨的热点课题。文章探讨温度对土木建筑结构的影响,针对温度的控制和防止提出了相应的混凝土结构温度工况改进措施。

关键词:土木工程 建筑结构 温度效应

1. 引言

热胀冷缩是建筑物的普遍特性,对于建筑结构而一言,不同体型、不同平面形式以及不同时段温度产生的内力大小是不同的。从时段角度可以将建筑物所受温度作用划分为4个阶段。若从温度荷载起因的不同又可将温度作用区分为3种温度荷载类型。一座建筑物从施工到投入使用,结构所承受的温度作用在各阶段是不同的,相应的温度效应影响也会随之发生改变,只有在充分分析各个阶段结构所承受的温度荷载类型、温度变形特点后,才能找出最不利的时段和最不利的温度效应进行分析。下面将分析温度对建筑的作用和温度荷载类型,提出适合所选模型的具体最不利温度工况。

2. 温度对建筑结构的作用

2.1 主体结构处于施工阶段

对于常见的现浇整体结构而言,竖向一般采用分层施工,而同一层结构平面通常为一次性浇注。结构混凝土在施工过程中,混凝土硬化失水干缩,以及水泥水化过程中因为水化升温及随后的降温冷缩,使楼层平面内产生了温度收缩应力。楼层平面中的梁板收缩变形受到竖向构件的约束将产生拉应力,主体结构中的竖向构件(剪力墙和柱)由于梁板的变形而受到推、拉力。当建筑平面尺寸较大、竖向构件约束较强时,这种温度收缩可能引起楼层结构平面内梁板受拉,甚至达到混凝土的极限拉应变而发生混凝土开裂,影响到建筑物的正常使用。

2.2 主体结构刚刚封顶,围护墙体尚未砌筑

在这一时期,主体结构处于通透状态。考虑此阶段为短期状态,以及日照温度变化的周期,胜和结构混凝土热交换比较缓慢的特点,除顶部楼盖受太阳直射外,主体结构可以认为处于均匀温度场中,因此可把主体结构视为固接于基础之上的,悬臂结构。对主体结构竖向构件而言,处于建筑物内部的柱、剪力墙,此阶段温度变化较小,可以认为处于均匀温度场中。对于结构周边的柱、剪力墙,在温升热胀(或降温冷缩)时受到楼层梁柱约束将产生压(拉)应力。而对于边跨的梁板相当于支座下沉,在楼层平面内产生不利影响,此阶段竖向温度应力的影响相对于其它儿个阶段是最不利的。

2.3 建筑装修己完成,但尚未投入使用

在这一阶段,建筑围护墙体己经砌筑完成,并且外围装修及屋顶保温隔热层都已做好,结构内部处于自然通风状态。此时,主体结构混凝土施工过程中的收缩变形也己经完成80%以上.按第二阶段中的分析,除在底层受到基础约束而产生不利的收缩应力外,主体结构受大气温度变化影响不大。由于高层建筑主体结构完成、装修已作,结构承受的竖向荷载已施加至80%以上,考虑工期及施工工艺关系,该阶段混凝土的徐变变形也己完成了大部分,从而使结构混凝土中的温度收缩应力水平降低。此阶段主体结构水平及竖向温度收缩应力的影响和第二阶段相比,要小得多,但对于顶层影响还是较大的。

2.4 建筑物投入使用后

建筑物投入使用后,由于使用功能要求,室内通风保持恒温,而建筑物外装修面及屋顶保温隔热层的存在,使主体结构对短期、周期性的日照温度变化敏感程度下降,温度作用的影响较小。而这时结构混凝土的水化热降温冷缩和硬化过程中的失水干缩变化己基本完成,其收缩变形最不利影响在建筑的底部楼层,但由于徐变存在己使其收缩应力水平大大降低,温度变化的影响则主要是季节性的室内外温度变化。

3. 温度荷载类型

建筑物的内外表面之间,还不断地以辐射、对流和传导等方式与周围空气介质进行热交换,因此建筑物处于十分复杂的换热过程中,由此形成的结构温度场分布也是很复杂的。但就混凝上结构而言,由于自然环境条件变化而产生的温度荷载,一般可分为以下3种类型。

(1)季节温差。指结构闭合阶段的施工期温度与使用阶段温度之差,它是山极缓慢的季节气温变化所致。

(2)骤降温差。主要是强冷空气的侵袭作用和日落后夜间形成的内高外低温差。

(3)日照温差。指同一天太阳}!砚射在结构的不同部位引起的温差。

4. 温度工况设计

4.1 结构温度计算基本参数取值

根据建易网标准:采暖通风与空气调节设计一规范规定,工程温度计算基本参数如下:

(1)温度计算基本参数取值:夏季室外日平均气温为35.6℃;冬季室外日平均气温为-12℃(北方地区)。

(2)室内温度计算取值二:正常工作情况(有空调):夏季28℃,冬季18℃;非正常工作情况(无空调):夏季35,6℃,冬季2℃。

(3)结构混凝土终凝温度取值(浇注后浇带时结构的温度取值)10℃-25℃。可取:冬季的混凝土终凝温度为T凝=10℃;夏季的混凝土终凝温度为T凝=25℃。

4.2 温度工况

综合分析几种温度荷载及其计算方法后,本节将确定温度工况,从而为进行温度应力计算提供基础。

(1)施工期间构件的计算温度取混凝土终凝温度。冬季T =10℃;夏季T =25℃

(2)正常使用阶段构件的计算温度依据线性分布法确定。线性分布法假定:构件温度场呈线性化分布,结构的内部构件,由于不受气温变化的直接影响,构件处于均匀温度变化场之中,构件各部分温度相同。对于外围构件(屋盖及外墙),其中面温度T中等于构件内外表面温度的平均值,可用下式求得:

T中=(T外+T内)/2

5. 结语

混凝土结构的温度应力,实际上是一种约束应力,当结构物由于温度变化而产生的变形能自由地伸缩时,不会产生温度应力,只有当结构物的温度变形受到约束时才会产生温差应力。这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物内部某一构件单元中,因纤维间的温度不同,所引起的应变差受到约束而产生的应力:外约束应力是结构或体系内部各构件,因温度不同所产生的变形差受到约束而引起的应力。


[正文图表略.]
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