温差变化及混凝土收缩对组合梁截面的影响

1、温差变化及混凝土收缩对组合梁截面的影响摘要：温度应力及混凝土收缩容易造成混凝土结构局部发生裂缝，甚至是严重裂 损。本文分析了温差变化及混凝土收缩对组合梁的作用机理，并与温差变化及混 凝土收缩对普通混凝土的作用机理进行了对比；简要介绍了组合梁截面温差应力 计算和混凝土收缩应力计算的方法。关键词：温差变化；混凝土收缩；组合梁；温差应力；混凝土收缩应力0.引言在实际工程中，当混凝土的收缩或温度变形受到外界约束条件的限制而不能 自由发生时，将在结构构件中产生“强制应力”，也就是收缩应力或温度应力1。 自然环境中的混凝土结构，长期经受自然界气温的变化和日照辐射等作用。由于 混凝土的热传导性能差，受环境气

2、温变化影响或在日照辐射等作用下，结构表面 温度的变化会在结构中形成较大的温度梯度，从而产生较大的温度应力，造成混 凝土结构局部发生裂缝，甚至是严重裂损，影响了结构的安全度和耐久性2。温差变化及混凝土收缩对组合梁的作用机理当结构受到温度作用时，由于材料的伸缩将导致结构产生变形和位移。钢与 混凝土材料的温度线膨胀系数几乎相等，混凝土的温度线膨胀系数为1.0 X 10- 5, 钢材的温度线膨胀系数为1.2 X 10-5。在相同的温升下，它们的温度变形基本协调， 可以不记由此引起的温度应力。混凝土的温度线膨胀系数为1.0X10-5，钢材的温 度线膨胀系数为1.2X10-5钢材的导热系数是混凝土的50倍

3、左右，当环境温度剧 烈变化时，钢材的温度很快就接近环境的温度，混凝土的温度则变化较慢，此时， 钢梁与混凝土之间就产生温差。虽然整个组合截面内力为零，但由于钢与混凝土 的变形存在相互作用，故在钢截面和混凝土截面上分别产生内力和应力。对于简 支组合梁，内应力会引起梁的挠曲变形；对于连续组合梁或者其他超静定结构， 由于支座的约束，会进一步引起次应力和次挠度。对于露天环境下的组合梁和直 接受热源作用的组合梁，需要计算温度应力。对于一般情况下的室内组合梁，温 差应力可以不予考虑。混凝土收缩引起的效果类似于混凝土温度低于钢梁温度的情况，其机理与温 差应力相似。组合梁是由钢材和混凝土两种不同材料紧密结合所组

4、成的一个整体， 混凝土的收缩、徐变等因素的影响必然导致组合截面上钢梁与混凝土板之间发生 应力重分布。不同的是，温差是短期作用，而混凝土收缩则是长期作用。温差变化及混凝土收缩对普通混凝土的作用机理在大体积混凝土中，由于表层混凝土的收缩值较内部混凝土收缩值为大，再 加之水化热使内部混凝土的温度比表面高；因此，如果把内部混凝土看作是相对 不变形的，它就将对试图缩小体积的表层混凝土形成约束，混凝土中引起强制拉 应力。如果内外变形差较大，也会造成混凝土的表面开裂。在配有钢筋的混凝 土构件中，由于钢筋具有和混凝土几乎相同的温度膨胀系数，因此单纯由于温度 变化不会在两者之间造成强制应力。但钢筋没有收缩性质，

5、因此它将对混凝土的 收缩产生阻碍作用，从而使混凝土受强制拉应力囹。截面的配筋率越大，这种强 制拉应力就越大，当截面中配筋过多时，甚至会使混凝土受拉开裂。组合梁截面温差应力计算露天环境下的组合梁，主要是桥梁结构，温差应力是设计时必须要考虑的问 题。桥梁结构中，组合梁截面的温度分布相当复杂，影响因素包括当地的昼夜温 差变化，以及钢和混凝土材料的导热系数等。同时，温度分布也与阳光的辐射以 及地面反射热量的情况有关，为简化分析，通常计算中可以采用心下假设：同一截面内混凝土板的温度完全相同，钢梁的温度也完全相同，整个 截面内只存在两个温度，温差仪由两个温度决定。沿梁全长各截面的温度分布情况相同。根据桥梁

6、设计规范，钢梁和混凝土桥面板间的计算温差一般采用1015C， 在有可能发生更显著温差的情况下则另作考虑。温差应力按弹性方法计算。许多学者采用不同的求解方法求解了组合梁的温度应力。周爱国6根据钢一 混凝土组合梁的受力特征，建立了混凝土板、钢梁上翼板、钢梁下翼板的纵向位 移函数和钢与混凝土之间的相对位移函数。考虑了组合梁沿梁高线性分布的温度 梯度作用，由弹性力学中应力与应变的关系，推导出组合梁的势能总方程。基于 能量泛函变分原理，得出了组合梁在温度效应下的控制微分方程及相应的边界条 件。若只考虑挠度位移函数，则该方程可退化为普通梁的变形微分方程。运用该 方法可以求解变温、温差和温度梯度作用下组合梁

7、的温度效应问题。周良等7 重点考察了钢一混凝土组合梁在任意温度分布作用下应力的计算方法。首先在指 出传统温度应力计算方法不足的同时，根据结合面变形协调条件和曲率相同假设， 推导出不考虑滑移时，矩形温差作用下组合梁应力的计算方法；接着采用有限元 理论，推导出任意温度分布下，组合梁温度应力的计算方法，并分别给出温度梯 度和矩形温差作用下的温度应力计算公式。孙海林等采用纤维模型编制了有限 元程序，利用MC90收缩和徐变模型对简支钢一混凝土组合梁在长期荷载作用下 的变形进行了分析，计算结果与试验结果相吻合。基于所建议的数值模型对影响 组合粱长期变形的收缩和徐变参数进行了分析，并根据徐变和收缩引起的长期

8、变 形的机制，建议徐变变形计算采用“有效弹性模量”的换算截面法，收缩变形采 用直接法计算，使得计算概念更为合理，且比现有方法与试验结果吻合更好。组合梁混凝土收缩应力计算设计组合梁时通常也需要考虑混凝土收缩引起的应力。混凝土的收缩与它的 组成、环境以及持续时间有关。美国混凝土学会（ACI）209委员会的研究表明， 素混凝土的最终收缩应变为3x10-44x10-4,甚至可达到1x10-3。对于钢筋混凝土 翼板，其中配置的钢筋可以阻止混凝土的收缩。因此在组合梁计算中，钢筋混凝 土翼板的收缩可按1.5x10-42x10-4来考虑，相当于混凝土的温度降低15 - 20 C。 我国桥梁规范中规定，对于整体

9、浇筑的钢筋混凝土桥面板，可按混凝土温度低于 钢梁1520C来考虑；对于分段浇筑的钢筋混凝士桥面板，可按混凝土温度低于 钢梁1015C来考虑；预制钢筋混凝土桥面板不考虑混凝土收缩影响。当收缩应变为时，相当于混凝土温度降低度/a，可以按照上述温度应力 的方法进行计算。需要注意的是，温度效应为短期效应，而收缩应力为长期效应， 所以计算中混凝土弹性模量应采用考虑长期效应的弹塑性割线模量代替，通常取 为 0.5Ec。参考文献1马跃.混凝土收缩及温度应力的控制措施J.浙江建筑.2001(S1): 49-51.陈肇元，崔京浩，朱金铨，等.钢筋混凝土裂缝机理与控制措施J.工程力 学.2006(S1): 86-107.曹可之.大体积混凝土结构裂缝控制的综合措施J.建筑结构.2002(08): 30-32.崔丽文.钢筋混凝土结构收缩温度应力的分析及构造措施J.混凝土 .2004(11): 69-71.柏挺，刘强，陈宏飞.浅析温度应力及混凝土收缩对组合结构的影响及处理 办法J.沿海企业与科技.2009(12): 131-132.周爱国.钢-混凝土组合梁的