结构温度效应

1、结 构 温 度 效 应黄吉锋 编写中国建筑科学研究院软件所基准温度场T0(x,y,z) 基准温度场的定义： 在不考虑任何荷载的情况下，结构在某温度场T0(x,y,z)作用下处于自平衡状态，如果结构的当前构型与其初始设计构型完全相同(点点重合)，则称T0(x,y,z)为该结构的基准温度场。 结构在基准温度场作用下：1）相对于初始构型没有任何变形；2）所有构件均不产生内力或应力。 基准温度场在理论上是存在且唯一的基准温度场T0(x,y,z) 对于混凝土结构，其基准温度场T0(x,y,z)可以近似取为混凝土的终凝温度场。 对于钢结构，如果在建造期间不产生装配应力，或者即便有装配应力但在本次分析中不考

2、虑，则结构建造期的温度场即可取为基准温度场。基准温度场T0(x,y,z) 如果钢结构中存在显著的装配误差、装配应力，并需要用等效温差场进行模拟，则在确定基准温度场时，应计入装配误差的影响。 比如一根初始设计长度为L的钢杆件，因为制造误差，实际长度为L+L，换算成等效基准温度的增量为： 或者说，为考虑此装配应力，基准温度还应叠加上该温度增量)(LLLTT基准温度场T0(x,y,z) 对于钢-砼混合结构，钢结构部分和混凝土结构部分的基准温度场分别按照钢结构和混凝土结构确定。温差场外部外部外部内部内部温差场 外围梁、柱、墙温差02TTTT内外温差场 顶层屋面梁、板温差02TTTT内外温差场 结构内部

3、构件温差0TTT内砼收缩的当量温差场 砼在龄期 t 的收缩应变 砼收缩的当量温差场 0)01. 0exp(1 sstssT温度应力调整及组合 因温度应力分析采用的是瞬态弹性方法 1）为考虑砼的徐变应力松弛 砼构件的温度内力可以 乘以折减系数0.3 钢构件不折减温度应力调整及组合 2）为考虑砼构件裂缝引起的刚度退化 砼构件的刚度可以乘以折减系数0.85 钢构件不折减 温度应力调整及组合 温度效应的组合贡献 正常组合的附加项：2 . 18 . 0TTTTTkS可以取分项系数可以取组合值系数温度梯度 所谓温度梯度，指的是温度场在构件截面方向的变化率。它在数值上等于构件内外（对柱）或者上下（对梁、板）

4、表面的温差与截面高度（或厚度）的比值。 温度梯度产生局部的附加弯矩，结构的顶层及外周构件往往存在明显的温度梯度。温差对结构的竖向错动效应 内外构件的温差不一致，造成结构的竖向错动变形 一般顶部的若干层连接内筒与边柱的框架梁，会产生较大的错动弯矩和剪力 底部若干层竖向构件（柱和墙）的轴力会出现明显的重分配（有的构件轴压比增大，有的构件轴压比减小）温差对结构的竖向错动效应错动弯矩明显轴力重分配明显温差对结构的竖向错动效应 针对温差引起的竖向错动效应，在设计上 对于顶部几个楼层的框架梁，配筋应该适当加强； 对底部几个楼层的柱和墙，轴压比应适当从严控制，以避免温度效应引起的轴压比超限。 可以通过对“外

5、表构件”做好“隔热”措施，以减小结构的外表构件温度与结构内部构件温度的差值。温差对结构的水平伸缩效应 由于水平构件（梁、板）的伸缩受到竖向构件（柱或墙）的约束，引发结构的水平伸缩效应。 哪里约束强，哪里温度应力大，这是特点，比如： 结构下部楼层的梁、板存在较大的轴拉或者轴压力，设计时宜考虑偏拉。 距离较近的两个剪力墙筒体之间的连接构件，温度应力显著。 对均匀的结构平面，平面中部构件的温度应力显著 引发筒体和框架柱明显的弯矩和剪力温差对结构的水平伸缩效应强筒体之间的水平构件，温度应力显著温差对结构的水平伸缩效应均匀结构平面的中部，温度应力显著温差对结构的水平伸缩效应 减小水平伸缩效应的措施 1）

6、砼低温入模，低温养护，尽量降低砼的终凝温度 2）设置后浇带(40m左右)，避开砼收缩应变的高峰发展期，从而有效释放大部分的收缩应力（最好60d后浇筑后浇带，不少于30d） 3）通过高湿度养护、减小水灰比和水泥用量、改善水泥和砂石骨料的质量、适当提高配筋率，均可减小砼的收缩应变 4）改善使用环境 PMSAP温度应力分析 温度应力分析是PMSAP程序的一个特色 PMSAP具有较为完善的温度应力分析功能，对多高层建筑中的梁、柱、支撑、剪力墙和楼板，均可计算其温度内力及变形，并且可以把温度内力考虑到构件配筋设计中。PMSAP温度应力分析 温度效应对结构的影响在实际工程中经常会遇到，可以按照前面讲过的方

7、法在结构设计中定量考虑； 但由于准确确定温差场的困难性，以及混凝土实际存在的收缩徐变、微裂缝发展等复杂情况，很多时候通过在构造上采取措施，来避免温度应力的不利影响。 但即便是构造上的定性的考虑，也需要设计者对结构在温度作用下产生的变形和内力有一个整体的、趋势上的把握，以明确结构上温度应力集中的部位，从而有的放矢的采取措施。PMSAP温度应力分析 温度应力的计算一般包括两个方面： （1）按照热传导理论，根据弹性体的热学性质、内部热源、边界条件、初始条件，计算弹性体内各点在各瞬时的温度，也即：决定温度场。在PMSAP中，我们不考虑这个问题，温度场需要由用户定义。 PMSAP温度应力分析 （2）温度

8、场知道以后，按照热弹性力学的理论，根据各物质点的温度变化求解其温度应力，也即：决定应力场，这是PMSAP要着重解决的问题。 PMSAP温度应力分析 PMSAP采用有限元法计算温度应力，构件的温度变化对结构的变形、内力的影响将等效为某种荷载的影响，或者说，任给一种温度变化，一定存在一种荷载，二者对结构的变形、内力的影响完全一样，这种荷载就称为“等效荷载”。 这样看来，如果能够将各种构件的温度变化的等效荷载计算出来，接下来的分析就与通常的分析完全一样了，所以说温度应力的分析，关键是要把各种构件温度变化的等效荷载弄清楚。 PMSAP温度应力分析 一维杆件的温度等效荷载 对一维杆件，首先定义它的局部坐

9、标系，局部系的x轴定义为杆轴,y轴和z轴定义为截面的两个主惯性轴。瞬时温度场在局部系中的分布函数可以一般地表达为：T=f(x,y,z)。一般而言，自由杆件在T=f(x,y,z)的作用下将同时发生伸缩和弯曲。在PMSAP中，我们考虑一种最常用的温度分布：温度在同一截面上不变化，只沿着杆轴线变化，也即T=g(x),这种温度分布将使自由杆件只发生伸缩。PMSAP温度应力分析 设温度沿杆轴线性变化： 等效荷载lxTTTJI)1 (221JIIIITTEANNN221JIJJJTTEANNNPMSAP温度应力分析 二维壳元的温度等效荷载 以三角形壳元为例进行说明。设三角壳所在平面为xy面，法线为z轴，同

10、杆件一样，我们只考虑形如：T=f(x,y)的温度场，这种温度场不使自由壳元发生弯曲，只使之发生伸缩。设三角壳的温度分布为： 其中： 是面积坐标，332211TLTLTLTiLPMSAP温度应力分析 等效荷载（等效体力部分）AxixxiAtfdALtfP31AyiyyiAtfdALtfP31PMSAP温度应力分析 等效荷载（等效面力部分）)6131(1)1 (10jiijijijiTTtELdsstLP)3161(1)1 (10jiijijijjTTtELdsstLPPMSAP温度应力分析步骤1）用PMCAD或者STS-1建立结构模型。2）进入PKPM的“PMSAP”主菜单，然后进入“补充建模”

11、，点取“温 度 荷载”菜单，在此定义各个楼层的各节点的温度变化值。3）执行“接PM生成PMSAP数据”4）进入“参数补充及修改”菜单，点取“参数修改-总信息”，按照需 要修改“温度荷载参数”，包括砼构件效应折减系数，温度荷载组合系数，弹性模量折减系数等。5）执行“结构分析与配筋计算”6）进入“分析结果的图形显示”察看计算结果，包括温度荷载产生的结构变形、构件内力以及考虑了温度荷载组合的构件配筋结果。全楼定义弹性膜指定节点温差PMSAP温度应力分析注意事项PMSAP温度应力分析注意事项：1）所有楼板均应定义成弹性膜2）剪力墙应采用细分模型3）混凝土构件的温度效应宜指定折减系数,一般取为0.3如果用温度模拟砼收缩，应作为一个独立工况，且相应温度工况的属性应指定为“砼收缩”5) 如果用温度模拟预应力张拉，也应作为一个独立工况，且相应温度工况的属性应指定为“预应力”PMSAP温度应力分析注意事项6）软件会自动增加温度工况的组合。不考虑温度前n种工况，考虑后变为2n种。用户可以调节地震、风与温度组合时的组合系数。7）温度对“砼梁” 产生的轴向拉压力，pmsap会自动按照偏心受拉或偏心受压进行截面设计。8）温度对“砼板” 产生的轴向拉力，pmsap会自动按照偏