温度作用与结构设计.docx

1、温度作用与结构设计温度作用与结构设计一、 前言GB50009-2012把温度作用正式列入建筑结构荷载规范，但它未提及结构设 计中如何加以考虑。SATW等程序虽包含温度效应计算内容，但对温度内力计算时必须先行解决 的杆件截面内温度场问题，程序并没有涉及，而是由用户自行定义。1 、常见思路确定合拢温度：若取年平均气温、武汉地区为 16C温度变化幅度：武汉地区、夏季37 C-16 C =21C、冬季16 C- (-5 C)=21C 温度内力计算时结构计算简图与其它永久、可变荷载相同2、问题建筑物不同部位(地上与地下、室内与室外)的环境温度并不相同。因此， 不能简单认为气候温度就是环境温度。同样环境下

2、，结构部位不同、保温隔热措施不同、构件的计算温度也不同。 因此，不能简单把环境温度取作构件温度。结构支座作为几何约束它的位移为零，作为温度约束它的位移并不为零。 因此，只有把温度约束转换为几何约束，才能用对荷载作用的结构计算简图进 行温度内力计算。二、 环境温度取值1 、环境温度组成以太阳为热源，环境温度可由日照温度 ts和空气温度te组成。日照温度ts是太阳辐射作用直接在物体表面产生的温度，它是一个非均匀温度场，可由下式计算：p太阳辐射吸收系数。可参照“民用建筑热工设计规范” GB50176附录I水平或垂直面上的太阳辐射照度。可参照 GB50176附录三、附表口 e外表面换热系数。取川? K

3、空气温度te受太阳间接作用的影响，它是一个均匀的温度场。环境温度（又称综合温度）tse二ts+te室内ts=O。因此，室内环境温度tse=te2、环境温度的取值室外空气温度 夏季50年一遇最高日平均温度。可参照GB50176付录三、 附表。冬季50年一遇最低日平均温度。可参照GB50176付录三、 附表或“采暖通风与空气调节设计规范” GBJ19室内空气温度 夏季 空调设计温度冬季采暖设计温度计算日照温度时，建议太阳辐射照度计算值，取日照辐射时段内太阳辐射 照度的平均值。太阳辐射照度可参照 GB50176附录三，附表。三、结构的温度内力1、导热微分方程的解无内热源的导热微分方程at a2t9

4、t ax2 &y2 az2其中 a热扩散率(川/s ),表征材料的温度传导能力铝 X 10-5 m2 /s ;钢筋砼 X 10-7 m2 /s (1/124 );泡沫砼 (p =627kg/m3 ) X 10-7 m/s (1/326 );木材 x 10-7 m/s (1/600)。以日为周期的温度变化可表示为：平均温度 +脉动温度 bx-_-T +-WWA 平均温度T以日为温度变化周期，温度变化幅度小、周期短、影响范围十分有限(脉 动温度影响深度钢筋砼，加气砼砌块)。忽略非稳态项影响，则导热微分方程简 化为：护t 沪t 护t -4- + 0ax3 九2(1)墙、板稳态导热情况下，墙、板在平面

5、内温度均匀稳定，只沿厚度方向发生变化。因此，墙、板所对应的导热问题应是一维稳态导热如上图所示，墙、板厚度为3、表面温度分别为 t 1和t 20导热微分方程：d2t2 二 0dy2边界条件 ty = 0 - t 1 , ty = 5二七2求解得截面内温度分布 - 由温度作用产生的应变 E二a吐a材料的线膨胀系数。GB50009第条、表变形受约束时截面内的应力a = E E = a Et由应力积分，单位宽度上作用的约束轴力 N和约束弯矩MC5 1N = I a dy = - a E 6 (ti + 如 J o 2M 二 J 口 (丫 - yjdy - a E 6 2 (t2 - ti)这就是用位移

6、法求解结构温度内力时所需的构件固端内力(2)梁、柱稳态导热情况下，梁、柱沿轴线方向温度均匀稳定，只在截面内发生变化。因此，梁、柱所对应的导热问题应是二维稳态导热。如上图所示，高、宽为b、a的梁、柱，三边温度为ti、一边温度为t2导热微分方程: H办2卜二0ay2求解得截面内温度分布:变形受约束时，同理可得杆件两端的约束轴力N和约束弯矩M8a2(t2 - 占 1 (2n + 11 nb帀审(ch -0n二伽4讥h a应该指出，结构力学教材中固端梁温度内力计算公式是一维的公式，它并不满 足二维的边界条件。二种算法温度场的比较2、多层材料覆盖下构件的温度分布结构构件表面通常覆盖有砂浆层、装饰层，外墙

7、还有保温、隔 热层，屋面往往还铺设有防水层。因此，就热传导讲结构构件它是 由多层材料选合而成的复合构件。它的温度分布可以上述单一材料 构件的导热微分方程介为基础，通过传导过程中的物理特性来得到。（1）墙、板对于一维稳态导热，传导过程中热流量不变，经推导可得对应每 一次对流换热或传导的温度降：R.Mi 仕外_七内R外+丹+十R；斗+ R“ + R内其中：|i二广口；t外、t内一室外和室内的环境温度（或综合温度）；R外、R内一构件外、内表面对流换热热阻；夏季 R外二 0, 05mk/w;冬季 R外二 卅；- _*；同一第i层材料的导热热阻，5 iRi = T& i第i层材料的厚度（m扎i第i层材料

8、的导热系数（W/m K详GB50176附录四。 已知、j及，就可以得到各层材料的界面温度。例：某建筑物夏季室外环境空气温度为C, 室内空调设计温度为 26C,屋面太阳辐射的日照温度为 23C。屋面做法，各层材料导热 系数入、相应的换热及导热热阻、各层材料的截面温度变化等如下：厚度&（ m导热系数k （ w/m K）热 阻R （怦? K /w ）温 度降C界面 温度C夏季外 表面热交换地砖26水泥砂 浆找平层布二膏防水层水泥砂 浆找平层100厚保温层150厚钢筋砼板20厚粉刷内表面 热交换由上述计算可见：a、 结构构件的温度场，可由构件所处的环境温度，通过多层材 料的热传导来得到。b、 在内、外

9、环境温差C情况下，钢筋砼屋面板表面温度差只 有C,两者差别明显。c、 结构温度内力计算所用的温差应该是构件受力部分表面温 差，不是内、外环境温差，更不是冬、夏的气候温差。(2)梁、柱y+对于多层材料组成的梁、柱截面二维稳态导热问题，可以把其他 各层材料的厚度按热阻等效换算成杆件受力部分材料的厚度。 当温度变形受约束时，同理可以对实际受力部分的约束应力积分得到作用于 截面上的轴力N和弯矩M二 a B t (a； 一 自 J (g - bi) +4a? (t2 - ti)gy 1 厶 .(2n + 1)nbn = (2n + 1)3sh (2ri + 1) nbJT (2n + 1) n引 cos

10、 a a(2n + 1) nbs ch a(2n + 1) n aicos 4a2 (2 _ ti)aE (2n + 1) TT b2 cha a(2n + 1) n b2 (2n + 1) n b| sh ooZ (严-11 - (2n + 1)3sh 1a(2n + 1) n bi a /+ chfl一莎* (2n + 1) n aiCOS sha(2n + 1) n a；cos 四、结构的支座约束1、结构支座的计算简图结构在荷载作用下，底部支座的计算简图通常按固端或不动铰考 虑，即作为几何约束支座在水平方向无位移。 实际地下室底板或顶板 在温度作用下有变形，即作为温度约束支座在水平方向有

11、位移。这时 若仍采用原荷载作用的计算简图，则上部楼层温度变形计算时，应扣 除基础的温度变形，这就像基础沉降内力计算一样，产生次应力的是 沉降差而不是绝对沉降量。在材料相同情况下，上述变形差可以用温 度来计量。因此，上部各层的计算工作温度应是该层实际工作温度与 结构底端实际工作温度之差。例:2、地下室各层之间的热传导地下室平面的长、宽尺寸一般远大于地下室层高，因此在地下室 底板、顶板及室内空气等热传导问题计算时， 可把地下室近似视为由 多层介质组成的一维热传导问题。3、地下室板底土体温度取值土中温度波峰值衰减系数如下:x( m123456ux( m789101112u由上表可见，在土中达一定深度

12、后，地表温度变化对地下的影响可以忽略不计，这时土中的温度就是地面上的年平均温（武汉地区为C）。若取u二，这个深度为。五、杆件截面设计1、设计状态建议按正常使用极限状态设计， 即只验算变形和裂缝。 这由于杆 件出现裂缝后温度应力得到了释放，结构约束状态改变了。 正常使用极限状态的荷载效应，应按标准组合进行设计。2、设计工况设计工况可分为使用阶段和施工阶段。 施工阶段相对使用阶段讲 是短暂的和临时的。 因此，施工阶段环境遇到最不利情况的可能性相 对要小很多。 为与这种工作状态相协调， 建议对施工阶段环境温度取 值作如下调整：空气温度 夏季 历年最高日平均温度的平均值冬季 历年最低日平均温度的平均值

13、计算日照温度时，太阳辐射照度计算值取日平均值3、设计内力由于温度作用是一个缓慢的实施过程，应考虑砼徐变变形引起 的构件应力松弛。因此，设计内力应是上述计算内力乘以应力松弛 系数。应力松弛系数建议取。4、设计参数温度作用效应的组合值系数取。 环境的空气温度、太阳辐射照度、以及建筑材料热物理性能等计算参数可参照“民用建筑热工设计规范” （GB50176、“采暖通风与空气调节设计规范” （GBJ19）。5、计算程序温度作用计算计量的是杆件的轴向变形。因此选用的程序必须能考虑超高或超长方向杆件的轴向变形。对于超长的平面，计算过程中不能采用刚性楼板假定。六、结构各部位温度内力的分布规律1、多层结构中温度

14、内力一般集中在顶层和底层。多层结构中环境温度变化最大部位是结构顶层和底层。 而温度内力由温差产生，结构中温差越大的部位温度内力应越大。例：结构中部各层板的温度内力（冬季工况）总层数第i层板的最大轴力（KN/n）123456787层66-21-67813447611405层611-679050611403层6-6924262438正由于温度内力的分布在结构竖向有这样的分布规律， 因此，有些对结构温度作用的简化计算就仅对受影响楼层（顶层、底层）作局部计算。2、楼板平面内的温度变形是两端大、中间小，而温度内力相反是中间大、两端小 楼板平面内的变形量L可用下式表示:AL 二 a在口和At定情况下，随L增大而增大。因此楼板平面内的温 度变形是两端大，中间小。楼板的温度内力来自于墙、柱抗侧移产生的剪力，它由两端向中 间随墙、柱数量的增加不断累加。因此楼板平面内的温度内力是中间 大，两端小。正由于此，楼板温度应力的配筋也应该是中间多、两端 少，而不是现在常见的双层双向均匀配置的钢筋网。以武汉国际会展中心底层框架梁、柱夏季工况的内力为例：环境温度：室外空气温度C、日照温度 23 C。室内空气温度26C。地下室板底土体温度C梁轴力梁号1234567891011N(KN3101033141315151585164917102222255928142818柱剪力梁号1234567891011N (KN