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钢框架-钢筋混凝土筒体结构温度效应研究


湖南大学 硕士学位论文 钢框架-钢筋混凝土筒体结构温度效应研究 姓名:洲辉辉 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:汪梦甫 20080504

硕十学位论文





温度作用一直是高层建筑无法回避的问题,由于高层钢框架.混凝土核心筒结 构其竖向由钢与混凝土两种不同建筑材料组成,而钢与混凝土两种材料在物理、 力学性能上存在差异,在温度作用下两者会产生不同的变形反应,相应会产生附 加内力,这种累积的变形差可能会影响结构的安全性和适用性。然而要准确计算 高层建筑结构温度应力存在着困难,当前研究和设计人员常采用简化的计算方法, 但这些简化方法经常缺乏整体的考虑,同时得出的结果很粗糙。在我国高层建筑 结构设计中甚至不考虑温度作用,只作些构造处理。 本论文基于以上背景,从热物理和热传导的基本理论出发,讨论了温度分布 规律、温度荷载的计算方法,考察了高层建筑结构中温度变形和温度内力计算的 实用方法,给出了建筑生命期内不同时期的可能温度工况。然后以大连世界贸易 大厦为基本模型,利用有限元程序SAP2000对其进行温度效应分析,通过计算给 定温度工况对上述模型的影响,从中探讨和确定高层混合结构在温度作用下的不 利工况,给出了高层混合结构由于温度变化造成结构梁柱、楼板、剪力墙内力的 变化范围,分析结构中不同构件的变形与内力规律。对于个别工况,探讨了改变 柱截面、梁截面及设刚性加强层时变形和内力变化情况。最后针对以上的分析成 果,对可能出现的问题提出了探讨性建议。

关键词:高层混合结构;施工过程;变形差;温度荷载;温度应力;竖向变形;
侧向变形



Abstract

The

problem

that

the

temperature

affects

on

the

high。rise

buildings

is

unavoidable.Since the steel frames and

concrete core?wall

structures ls

made up o士

deformation and the additional two different materials in vertical direction,different
under the temperature load?。I-hls internal forces will be produced when the structure kind of different

deformation

accumulation

may

affect
to

the

security

and

the

serviceabilitv of the structure.HoweVer it is difficult
stress
use

calculate the temperature

ofhigh.rise

curfent researchers and deslgners building structure accurately.The
are

the simplified methOds the simplified methods.The results obtained by
our

Vefy

rough.In

country,the

temperature effects

are

not

considered in the made?

high。rise

structufal design and only some constructure measures Based
on

are

rules of temperature the above backgrounds,this paper discussed the

also suⅣeyed distribution and the computing methods of the temperature loads,and the practical computing methods stress.The possible temperature
are

of the

the珊al def0珊ation
occur

and the temperature

cases

which may
as

in the lifespan 0f the building

is giVen given.Dalian world trade building

the fundamental modelto finish the

temperature effects innuence 0f

finite analysis by using the
case On

element
is

pro鲈am SAP2000?The
and
the

temperature

the

analysis

presented

most

disadvantageous temperature

case

is discussed.The Variation scopes ot the
are

Intemal

forces in beams,columns and slabs

proVided.At last,in the
are

construct process 0t

the steel frames and concrete core—wall some suggestions
to some prOblems.

proposed correspondlng

Key

Words:

High.rise difference;

hybrid

structure;

Construction

process;

Displacement Lateral

Temperature

load;

Vertical

deformation;

deformation



硕十学位论文

插图索引
图1.1混合结构平面图………………………………………………………………………4 图2.1变形示意图…………………………………………………………………….11 图3.1太阳辐射强度日变化曲线……………………………………………………….15 图3.2作为日照面方位函数的阳光照射强度………………………………………………16 图3.3气温日变化曲线…………………………………………………………………….16 图4.1标准层平面图…………………………………………………………………….41 图4.2方案A第十施工段计算模型………………………………………………………48 图4.3方案A第十阶段结构整体变形图………………………………………………61 图4.4方案A各施工阶段结构在不同温差下筒体顶部最大侧向变形值曲线….48 图4.5方案B各施工阶段结构在各温差工况下简体项部最大侧向变形值曲线..49 图4.6方案B各施工阶段向阳面在各温度工况下筒体顶部的竖向位移值曲线..49

图4.7方案B各施工段外钢框架在各温度工况下顶端最大侧向变形………….50
图4.8方案B外钢框架在各温度工况作用下顶端最大竖向变形…………………50 图4.9施工阶段季节降温作用各层变形值曲线………………………………………….51 图4.10不同地区施工时期季节升温作用下各楼段位移值…………………………。52 图4.11工况1下各层梁位移矢量最大值曲线……………………………………54

图4.12工况1下各层梁轴力最大值曲线………………………………………一56
图4.13工况1下各层弯矩极值曲线………………………………………………57 图4.14工况2和工况5下结构框架、筒体各楼层的竖向变形…………………61 图4.15工况2、工况5下各楼层处钢框架与简体最大变形的差值曲线……….61 图4.16工况2、工况5下各楼层梁轴力极值曲线………………………………62 图4.17工况2、工况5下各层柱最大竖向位移值………………………………63



钢框架一钢筋混凝十简体结构温度效应研究

附表索引
表1.1不同高层建筑的定义…………………………………………………………1

表1.2世界在建、拟建超高层建筑…………………………………………………..3
表1.3中国混合结构高层建筑实例…………………………………………………………6 表3.1各种温度变化表………………………………………………………………一27 表3.2结构设计中的设计温度变化...……………………………………………………30 表3.3室外温度逐时变化系数…………………………………………………………31 表4.1计算模型柱的基本数据………………………………………………………42 表4.2各城市温度计算基本参数………………………………………………….43 表4.3各代表城市的温度荷载计算数据……………………………………………44 表4.4施工后期季节降温工况各层段降温值表……………………………………51 表4.5施工阶段线性递减施加温度荷载………………………………………………52 表4.6整体结构变形极值…………………………………………………………53 表4.7工况1下梁内力极值………………………………………………………………………55 表4.8工况1下柱子位移极值………………………………………………………一57 表4.9工况1下柱中内力极值…………………………………………………………..57 表4.10工况1楼板应力极值………………………………………………………59 表4.11工况1简体剪力墙变形极值………………………………………………………59 表4.12工况1筒体剪力墙应力极值……………………………………………………60 表4.13工况2、工况5下结构整体变形极值……………………………………60 表4.14工况2、工况5下梁轴内力极值…………………………………………………62

VⅡ

湖南大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其
他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1、保密口,在 2、不保密团。 (请在以上相应方框内打“/”) 年解密后适用本授权书。

作者签名: 导师签名:

f月≯了日
f月2j日

硕上学位论文

第1章绪论
1.1高层建筑
1.1.1高层建筑的定义
高层建筑是指层数较多、高度较高、结构较复杂的建筑。但是,到目前为止, 世界各国根据自己国家的实际情况对高层建筑的划分并不统一。下表列出了一部 分国家和组织对高层建筑高度的规定【11。
表1.1不同高层建筑的定义 国家或组织 高层建筑的判定原则 大于等于9层,分为四类: 第一类:9—16层(最高到50m) 联合国 第二类:17—25层(最高到75m) 第三类:26—40层(最高到100m) 第四类:40层以上(高度在100m以上时,为超高层建筑) 前苏联 美国 法国 英国 日本 德国 比利时 住宅10层以上,其他建筑为7层及以上 22。25m,或7层以上 住宅8层及以上,或大于等于31m
24.3m

11层,31m 大于等于22m(从室内地面算起) 25m(从室内地面算起) ‘高层民用建筑设计防火规范》GB50045.95:大于等于10层或大于等于24m

中国 ‘高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3.2002:大于等于10层或大于等于28m

‘民用建筑设计通则》JGJ37.87:同GB50045.95

大于100m超高层建筑

1.1.2高层建筑的发展
高层建筑何时开始出现难以考证,同时也没有多大意义。大规模高层建筑始 于20世纪,二次世界大战以前高层建筑虽然有所发展,但受到设计计算理论和建 筑材料的限制结构构件笨重、布置不灵活。二次世界大战以后,特别是由于轻质 高强材料研制成功、新设计理论取得成果、抗风和抗震结构体系得到发展、新的 施工技术和设备不断涌现。特别是电子计算机的广泛应用,为迅速发展高层建筑 提供了条件。20世纪30年代为高层建筑发展的第一个高潮时期。这一时期的主

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效应研究

要特点是砖石高层建筑逐渐停止建造,钢结构高层建筑首先得到发展,同时钢筋

混凝土高层建筑开始出现并缓慢发展,结构体系则以框架结构为主,但出现了框 架结构的原始形式。20世纪40年代的经济大萧条及第二次世界大战终止了第一 次高层建筑的热潮,直到二次大战结束后十多年高层建筑的建造才开始复苏并掀 起了第二次建造热潮。战后钢结构焊接技术的应用推广,高强螺栓和其它高强、 高性能建筑材料的使用,建筑设施、设计、施工技术等的巨大进步,大大促进了 钢结构及钢筋混凝土结构高层建筑的充分发展,不仅建筑物高度不断取得突破, 而且涌现了全新的建筑、结构形式。20世纪60~80年代,仅200m以上的钢结 构建筑就建造了46幢,其中著名的有1969年建造的美国芝加哥汉考克大厦(带 斜撑的外框筒结构体系),100层、高344m;1973年建造的纽约世界贸易中心双 塔楼(框筒结构内设粘弹性阻尼装置),高412m,110层;1974年建造的芝加哥
西尔斯大厦(束筒结构),高442m,110层。这一时期一个主要特点是混合结构

体系高层建筑得以产生并迅速发展。在国内解放前,我国高层建筑甚少,在上海、 广州、天津等城市,由国外设计建造了少量高层建筑。新中国成立后,50年代我 国开始自行设计建造高层建筑,如北京的民族饭店(14层)、民航大楼(16层) 等。1975年广州白云宾馆(剪力墙结构33层、112m)的建成,标志着我国自行
设计建造的高层建筑高度开始突破100m。1985年建成的深圳国际贸易中心(筒

中筒结构、50层、160m)是80年代最高的建筑。90年代我国高层建筑进入飞跃
发展的阶段。1995年发布的世界最高的100栋建筑中上海金茂大厦、深圳地王大 厦(81层、325m)和广州中天广场(80层、322m)分别列为第4、13和14名。

在高层建筑发展过程中其所采用结构体系发展具有多样化和复杂性。高层建 筑结构主要有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、底层大开间上部剪力墙 即框支剪力墙结构和简体结构等。70年代以前,我国高层建筑多采用钢筋混凝土 框架结构、框架一剪力墙结构和剪力墙结构。进入80年代,由于建筑功能以及高 度和层数等要求,筒中筒结构、筒体结构、底部大空间的框支剪力墙结构以及大 底盘多塔楼结构在工程中逐渐采用。在这个时期,结构体系由单一的框架结构向 剪力墙结构、框架一剪力墙结构、框架一核心筒结构、筒中筒结构、带转换层结构 等方向发展。同时由于混凝土和钢材强度等级不断提高,钢筋混凝土高层建筑的 高度也不断提升。这一时期的一个特点是开始进行高层建筑结构的抗震研究并取 得了初步成果,由此推动了地震区高层建筑的发展。90年代以来,除上述结构体 系得到广泛应用外,多筒体结构、带加强层的框架一筒体结构、连体结构、巨型结 构、悬挑结构、错层结构等也逐渐在工程中采用。为适应结构体系的多样化,结 构材料向多样性发展,80年代以前高层建筑主要为钢筋混凝土结构。进入90年 代后,由于我国钢材产量的增加,钢结构、混合结构逐渐采用。如金茂大厦、地 王大厦都是混合结构。此外,型钢混凝土结构和钢管混凝土结构在高层建筑中也



正在得到广泛应用。高层建筑结构采用的混凝土强度等级不断提高,从C30逐步 向C60及更高的等级发展。预应力混凝土结构在高层建筑的梁、板结构中广泛应 用【2’3】。表1.2为世界在建、拟建的部分超高层建筑。
表1.2世界上部分在建、拟建超高层建筑

我国高层建筑早期多为单一用途,为适应建筑功能需要,向多用途、多功能 发展,高层建筑平面布置和立面体型日趋复杂。结构平面形式多样,如三角形、 梭形、圆形、弧形,以及多种形式的组合等亦多采用。高层建筑立面体型亦有丰 富的变化,立面退台、部分切块、挖洞、尖塔、大悬臂等,使高层建筑的刚度沿 竖向发生突变。由于建筑功能的改变,使结构体系、柱网发生变化,因此主体结



钢框架.钢筋混凝十筒体结构温度效应研究

构要发生转换,即由上部剪力墙结构到下部筒体框架或框架剪力墙结构的转换; 或主体结构由上部小柱网、薄壁柱到下部大柱网的转换。结构体系的转换及立面 体型变化丰富的结构在地震区建造难度较大,还有待于进一步深入研究,并经历
强震的检验【4,5】。

1.2混合结构
1.2.1混合结构的定义
混合结构是指由不同材料的构件共同组成的结构,如砖与混凝土组成的砖混 结构,钢与混凝土组成的混合结构。在工程界,习惯上把混合结构特指为混合结
构。图1.1是典型的外钢框架一钢筋混凝土筒体结构平面图。







外钢I框架

混凝土

核心筒







1—L



图1.1混合结构平面图

混合结构的形式多种多样,有钢框架一钢筋混凝土核心筒、型钢、钢管混凝土

框架一钢筋混凝土核心筒、巨形框架一钢筋混凝土核心筒等。考虑到国内实际已经 积累的工程经验,中华人民共和国行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》
(JGJ3.2002)中规定:混合结构指由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土简体

所组成的共同承受竖向和水平作用的高层建筑结构【1’61。本文所研究的混合结构采
用文献『61中的定义。

1.2.2混合结构的特点 结构的组合主要是指抗侧力结构的组合。混合结构典型的组合是外框架采
用钢结构,内筒采用钢筋混凝土结构,形成钢框架一混凝土内筒体系。有一些超高 层建筑中的钢框架是由钢管混凝土柱及钢梁组成,而且还设置伸臂桁架,形成带 伸臂桁架的钢框架一混凝土内筒体系。也有一些超高层建筑中的钢框架,对部分主 要柱子采用钢骨混凝土巨型柱,并与其余钢柱及钢梁组合成外框架,形成巨柱框



硕士学位论文

架一混凝土内筒体系。还有一种是由钢框外筒和混凝土内筒组成的筒中简体系,这 种体系在实际工程中应用较少。 混合结构是综合利用钢结构和混凝土结构的优点而形成的一种新型建筑结构 体系。钢结构轻质高强、布置灵活,适用于办公楼等建筑。而钢筋混凝上结构经 济性好,防火隔音性能佳,通常用于楼梯井、电梯井等核心筒。核心简便于采用 滑模施工,钢结构却为工厂制作、现场安装。因此,它从自重轻、施工速度快方 面,优于混凝土结构:从造价方面,它优于钢结构。统计分析表明,高层建筑采 用混合结构的用钢量约为全钢结构的70%,而施工速度与全钢结构相当,在综合 考虑施工周期、结构占用使用面积等因素后,混合结构的综合经济指标优于全钢 结构和混凝土结构的综合经济指标,是一种符合我国国情的较好的高层建筑结构 形式。其主要优点归纳如下【7’8】: 1.2.2.1侧向刚度大于钢结构 混合结构由于采用钢筋混凝土剪力墙或核心筒作为主要抗侧力结构,其侧向 刚度大于一般的钢结构,相应的水平位移也小。 1.2.2.2结构造价优 根据我国的国情,钢筋混凝土结构的直接造价低于钢结构。混合结构钢材用 量小于钢结构,又可以节省部分防火涂料费用,因此,混合结构的造价基本上介 于钢结构和钢筋混凝土结构之间。 1.2.2.3施工速度比钢筋混凝土结构快 混合结构的施工特点,是常将混凝土核心筒安排先行施工,随后将筒体施工 进度也安排快于周边钢结构的安装,同时在混合结构中的梁、柱采用钢结构,楼 板结构采用压型钢板上浇筑混凝土。因此,混合结构的施工速度可快于钢筋混凝 土结构,施工周期也相应缩短。 1.2.2.4结构面积小于钢筋混凝土结构 由于采用钢柱,相应的柱截面小于钢筋混凝土柱,又由于混合结构中钢柱承 担较少的水平剪力,其截面甚至可小于钢结构中的柱子,故与钢筋混凝土结构相 比较,可减小柱子所占用的建筑面积,便于使用。 1.2.2.5发挥钢管混凝土柱的作用 近几年来,国内部分混合结构工程中已采用钢管混凝土柱。由于采用了这种 柱,既提高了柱的承载力,又提高了柱的抗侧刚度和相应的结构侧向刚度,也有 利于提高柱的防火能力。



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1.2.3混合结构的发展
混合结构高层建筑在20世纪70~80年代得到迅速发展,短短10年时间就建 成了18幢高度200m以上的这种结构的建筑,但主要分布在非地震区或低烈度区。 最早的混合结构高层建筑为1972年建造的美国芝加哥Gateway
II

Building,随后

为1973年建造的法国巴黎的64层的麦纳一蒙帕纳斯大楼(Mantaparnasse)大楼,
捷克的Guezla大楼以及新加坡的海外联合银行中心(Overseas
Union Bank Center)

这一时期内最高的混合结构建筑为1989建造的香港中银大厦,70层、高369m。
我国己建成的混合结构如表1.3所示。
表1.3中国混合结构高层建筑实例

1.3混合结构温度效应研究现状
前面已经提到,在西方发达国家,由于人们对混合结构的抗震性能持有怀疑



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态度,而且在美国的阿拉斯加地震和日本的阪神地震中,均发现了混合结构大量 破坏的情况,所以西方发达国家很少在超高层建筑中使用混合结构。在日本混合 结构也只是大量的应用在中高层办公楼和住宅建筑中,房层不是很高,温度对它 的影响并不大,所以在国外对混合结构的整体温度效应研究较少。同时由于混合 结构震害表现比较严重,国外对混合结构的构件、节点和连接方式等的抗震性能 研究较多【9?121。 在国内,混合结构广泛应用于超高层建筑中。在混合结构超高层建筑中,竖 向为两种不同建筑材料组成,由于混凝土特有的收缩性能,以及两者对温度的反 应差别,使结构在建设和使用过程中会遇到变形差的问题,这种累积的变形差非 常可观,这种变化反过来又改变了筒体和外围框架的内力。在中华人民共和国行 业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3.2002)中规定,对于混合结构只 提及了“竖向荷载作用计算时,宜考虑柱、墙在施工过程中轴向变形差异的影响”, 并未就温度效应有所规定。然而,我国地域宽广,气候差异很大,作为建筑它长 期暴露在气候环境中,受环境温度、日照、寒流等影响,这种温度效应值得探讨。 国内外对混凝土结构温度问题的研究已开展了多年,取得了很多成果,但仍 有许多问题未圆满解决,需要继续研究。经检索近年来的期刊库及中外学术论文 数据库,所得有关混合高层结构温度应力分析的文献不多,其大多数只是对温度 应力的定性分析或简化计算方面的研究【13乏01,而针对整体结构进行系统数值分析 的文献很少。刘兴法总结了国内外研究成果,结合国内有关规范,以理论分析与 试验研究为依据,应用工程力学方法进行分析,论述了日照与骤降温差和水化热 等短时温度变化引起的温度荷载与温度应力。在他指出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,因纤维问的温度不同,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。张嵩,金玮,赵鸣等人在有关温度场及其温度内力计算理论的基础上,对温 度场的分布、理论依据、简化假定、计算过程及高层建筑结构的竖向整体温度内 力、局部温度内力的计算方法进行了综述和评论。文献f191采用弹性有限元分析 方法,对大面积混凝土梁、板结构温度应力进行分析,计算模型分别选用梁、板 单元来模拟实际结构中的梁、板等结构,这也是目前分析框架结构常用的一种模 型,季节温差与收缩当量温差叠加得到结构计算温差,采用通用有限元分析程序 分析结构在温差作用下的应力。文章【201着重讨论了混凝土徐变对大面积混凝土 结构温度应力的影响,季节温差和混凝土收缩都是随时间变化比较缓慢的作用, 由于徐变的存在,结构中的实际应力会远远小于弹性分析的结果,论文通过对完



钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效应研究

全约束混凝土构件进行理论计算,发现不考虑混凝土徐变应力是考虑混凝土徐变 应力的5.2倍(夏季)或5.7倍(冬季)。文献f21】从杆件入手,使用FoI汀RAN 语言编制计算机程序,并将程序推广到计算高层框架结构在多种温差作用下的温 度内力。文献f221从日照和水化热两个方面考虑高层剪力墙结构的温度作用效应, 用数值方法求解墙体的温度场分布,以及构件水化热反应的等效温差,温度应力
采用有限元程序来进行计算。

上述文献所进行的研究工作,因其研究对象是针对于高层结构中的局部构件, 计算工作量较小,故可以采用经典理论方法或数值方法来确定构件的温度场分布, 从而求解出接近理论解的温度应力值。这种研究方法虽然能得到很理想的结果, 但对于实际复杂工程,若要对其整体结构进行温度场分析,显然有很大的难度。 因而,以上方法只适用于理论性研究和局部构件分析,很难用于解决实际工程的 整体温度应力分析。另外一条研究温度应力的思路是先整体后局部分析的连续化 方法,将剪力墙(或简体)抽象为一根悬臂梁,框架结构与之铰接,在整体计算 分析时,假定框架柱抗侧移刚度和框架梁、楼层面板的转动刚度可忽略不计,则 计算模型可简化为楼层面板铰接于剪力墙上,为便于计算分析,进一步将实际温 度场分解为均匀温度场和楼面板局部温度场【231。在整体计算分析完成后,求出框 架梁、楼面板受到的水平约束力以及剪力墙实际发生的侧移和转角变形,再以此 作为框架的约束条件,进行框架结构的局部分析,求出框架梁柱由于温度变化所 产生的附加内力。文献f241采用这种方法计算双筒高层建筑水平温度收缩应力, 但为了简化计算,舍去了框架梁的弯曲刚度、框架柱的侧移刚度等二阶以上的微 量,给计算结果带来了一定的误差【2量261。近年超长结构在设缝问题上的争议较为 激烈,国内有一部分学者专门针对超长结构进行了温度应力分析,得出了一些有
用的结论【27?3¨。

本文将在现有研究的基础上,应用有限元分析方法,对高层混合结构温度应 力问题进行探讨性研究,给出温度变化引起结构变形、内力变化的范围,希望对 工程实践有所价值。

1.4本文工作
综上所述,在混合结构广泛地应用到我国超高层建筑的今天,本文拟对其进 行整体的温度研究,主要集中在以下几个方面:
(1)高层建筑结构整体非稳态温场的分析。

(2)建立符合高层混合结构建筑实际结构点的结构有限元分析模型,解决高 层结构温度应力问题采用简化模型计算误差过大的缺陷。 (3)完善温度作用和温度取值的计算原则,给出全国主要高层建筑集中地区 的温度计算工况。


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(4)通过计算给定温度对混合结构高层建筑的影响,探讨混合结构在温度作 用下的不利工况,给出建筑由于温度变化造成结构的梁、柱、筒体的变形和内力 规律,以便于混合结构高层建筑的施工和设计。



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第2章结构中温度作用计算原理及方法
2.1理论基础
2.1.1温差应力
对于建筑物而言温度作用所产生的应力实际上为约束应力,当结构物由于温 度变化产生的变形受到约束时所产生的应力,即称为温差应力。反之,如果结构 物能自由地伸缩时,则不会发生这种温差应力。这种约束应力大体上可归为两类: 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,所产生的应变差受到约束而引起的应力。外约束应力则是结构 或体系内部各构件因温度不同所产生的不同变形受到约束所产生的应力【32,331。 就本文所分析的建筑结构来说,温差应力具有下列特点【34?35】: (1)它与一般荷载应力不同,基本上应力和应变不再符合简单的虎克定律 关系;出现应变小而应力大,应变大而应力小的情况。与普通荷载应力符合应力 与应变成正比规律的情况不同,但是平面变形规律仍然适用。温差应力则与平面 变形后所保留的温度应变和温度自由应变差成正比。。 (2)由于混凝土结构的温度荷载沿壁板厚度方向的非线性分布特征。故截
面上温度应力分布具有明显的非线性特征。 (3)环境温度是随时间变化,所以结构的温度分布、温度应力值也是瞬时

变化的,具有明显的时间特性。 上述三个特点,在分析确定结构的温度荷载与温度应力时,要充分考虑到。 这一点对大部分习惯于荷载应力分析的工程技术人员来说,分析结构的温差应力 则要复杂一些。但目前对温差应力的分析,也有了比较简明的计算方法。下面从
温度变形的本原上定量的说明温差应力。

如图2.1所示的悬臂梁,承受均匀温差△p(升温为正,降温为负),梁将产
生自由伸长,此时梁内不产生应力。 梁端自由伸长值(自由位移):

△£一a三△p.£=竺一a△p


^,

(2.1)

上式中a为线膨胀系数(1/℃);△p为温差(℃);L为悬臂梁的跨度(m):
£为轴向应变。

10

硕士学位论文

△L_Q L△e

图2.1变形示意图

如果两端嵌固,则梁的自由变形受到阻碍,完全不能发生位移,梁内便产生 约束应力,其应力数值由以下两个过程叠加而得:

1)假定梁呈自由变形,梁端变形址=以钇;
2)施加外力P,将自由变形梁压缩回到原位,产生的应力即为变形约束应力。

根据外力P的作用,位移址一鲁,P一型笋,则将自由变形压回到原位的压
应力,即约束应力为:

‘,l—I一一曩一一?一£(|n口
仃。!。一丝坠,一坐丝丝.一E以日
A LA



(2.2)

~Z.二,

上式中,o为约束应力(Pa);P为外力(N);E为弹性模量(Pa);A为横截面
面积(Ⅱr)。

自由变形直观上为梁端实际变形反与约束变形幺之和,但是,由于变形有正

负号,科学的表达应该是梁端的实际变形反等于约束变形晚与自由变形址之代数
和。若用相对变形表达,则梁端的实际变形为:

”¨以日;詈+跳口
仃一qE一跳pE

(2.3) (2.4)

其中,仃即所谓温度应力,是结构物由于温度变化产生的变形受到约束而产 生的应力。上式中仃及△日都带有正负号,如拉力为正,升温差为正,反之均为负 号。从上可知,在只受温度荷载作用下,因为变形受到约束,实际变形总小于自 由变形,因而升温时为负,降温时为正。结构物往往由于温度降低受拉而开裂。 前面是通过简单的力学模型对温度应力的概念进行了说明,要想从本质上理解需 要运用传热学原理方面的知识,可参考文献【18,341。

2.1.2结构温度应力与变形的关系
假定分析的结构物是一个由无数多个微小立方体连接组成的连续、均质、弹

1l

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效应研究

性的结构物,则当结构物承受某种不均匀温度变化作用时,各微小立方体由于体 积微小,可视力一个点,该点呈均匀受热(冷)。如果结构物没有内外约束,则小 立方体变成一个膨胀(收缩)的另一相似微小立方体,不引起应力,只有变形。 但实际上,既可能有外约束,也可能有内约束,由于温度分布不均,一般产生弹 性约束,则各点,即各微小立方体的实际变形由两部分组成,一是约束应变,二
是自由温度相对变形。 2.1.2.1空间问题 1.弹性约束条件

‘一三[q一∥(q+吒)]+a丁 £y‘i【q一∥【吒+吒)J+胡。 £y一昙[q一∥(吒+吒)]+a丁 乞一丢[吒一p(q+q)】+叮
~。面~。互岛
1 1

(2.5)

由于小立方体自身的温度是均匀的,所以只有约束剪应变,没有自由剪变形:

s弦。面%。互k
1 1

(2.6)

£荔。丽k。云k
2.全自由条件

全自由条件下,无约束应力,有最大变形。
q?仃,一呸-0

岛=k一吃z 0
£j一£v一£z一口丁

g掣;三y巧t£弘?三y声?£。一三%一o iy巧。£弘。互y声。£a。i%。o
g掣2

3.全约束条件 全约束条件下,无变形,有最大应力。 在式(2.5)中,令占,一£,?£:?0则得:

‰=q=q一呸一篇
可见,最大应力与结构物几何尺寸无关。 由于各点原位不动,承受均匀压缩或拉伸,没有剪应变,没有剪应力:

(2.7)

硕士学位论文

£可。互yF。£弦。jy户2£。5互坛‘u £可一丢yF一£弦?三y户一£。一—三坛一o ~一k-吃t 0
全约束条件下结构物的最大应力与长度无关,与伸缩缝间距无关。即任意长 度不留伸缩缝其应力达到最大值是一常数。 2.1.2.2平面问题 1.弹性约束条件

‘一昙(q一∥q)+a丁 旷吉(q一暇)+口r
1 1

(2.8)

~。丽%。三岛
2.全自由条件 全自由条件下,无约束应力,有最大变形: £,一£,一£一一口z 3.全约束条件 全约束条件下,无变形,有最大约束应力:
(2.9)

‰。q‘q一百
k?0
E,一£,一0

E口Z

£。.:!y。,。o ~2了%。u
此状态下,结构物的最大应力与长度无关 2.1.2.3一维问题 1.弹性约束条件
£。里一口Z



(2.10)

2.全自由条件 全自由条件下,无约束应力,有最大变形:
仃t 0

(2.11)
占一aZ

3.全约束条件

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效应研究

全约束条件下,无变形有最大约束应力:

‰‘E口Z
£=0

(2.12)

由上述可知,结构物最大应力与长度无关,并且很容易计算。所以有些工程 的设计,用上述公式对温度应力作简单估算。但实际计算情况显示,这种做法过
高地估算温度应力【35,361。

2.1.3建筑材料的热物理参数值的选择
2.1.3.1比热 比热是指某物质的单位质量(或重量)温度升高或降低一摄氏度所吸收或放

出的热量,常以c表示,单位是灯/(姆‘K)或灯/(船?℃)。普通混凝土的比热一般 在840~1050灯/(船‘℃)之间,建筑钢材的比热一般在460~465,/(姆。K)。
一般而言,材料的比热是随温度而略有变化的,但在建筑实践中常将材料的
比热看成是不随温度变化的。 2.1.3.2导热系数

导热系数是表示混凝土材料导热难易程度的热物理量,其单位为M(小.℃), 和Ⅳ/(朋?K)。导热系数越小,隔热性能越好。普通混凝土的导热系数一般在1.4~

3.6Ⅳ/(册‘K)之间,建筑钢材中合金钢导热系数一般为15w/(肌。K),碳素钢导热
系数一般为49.8w/(肌?K)。
2.1.3.3热膨胀系数

热膨胀系数定义为单位温度变化导致材料单位长度的变化。普通混凝土的热 膨胀系数大约为(6~13)×10‘6/℃,一般取10×10。6/℃。建筑钢材大约为11.3~
14.5×10。6/℃。

2.1.4气象环境因素的数学模型
引起高层建筑结构中温度效应的因素主要有太阳辐射、风速变化、日气温变

化和年气温变化等。这些因素中,太阳辐射是主要热源,是产生温度波动的主要 因素,其值大小与空气质量密切相关。风速的作用会使结构表面对流换热增强, 起到降低表面温度的作用,外界气温变化引起的日气温温差对结构温度场时程变 化有明显影响,年温度变化是长期缓慢的作用,一般使结构整体产生均匀的温度 变化。这些因素随时间不断变化,其综合作用使结构外表面不断产生热交换,并 通过热传导将其影响传至结构中的各点。因此,结构中各点的温度处于一种动态 热平衡状态,各点的温度是时间的函数。该函数是由多个可变因素综合决定的。 要全面考虑各可变因素的影响比较困难,实际上也不可能,因此一般重点考虑影

14

硕上学位论文

响比较大的主要因素。实践和研究表明,短时的太阳辐射、大气温度变化对结构 的影响比长期年温差产生的影响大,且产生的温度应力也较大。因此,将太阳辐 射、日气温变化和风速作为主要考虑和需要确定的气象因素,分别对太阳辐射最 大值、气温温差最大值以及最小风速值进行概率统计,得到它们的日变化模型和 概率分布模型,为进一步计算的设计工况值做准备。
2.1.4.1太阳辐射 太阳辐射即日照作用,它对建筑物的作用不仅是很强烈的,而且是随时间、

日照的方位不同在变化着。到达建筑物表面的太阳辐射强度随太阳高度角的大小 而变化,同时受到大气透明度的影响。直接辐射强度与太阳高度角、大气透明度 成正比。散射辐射强度与太阳高度角成正比,与大气透明度成反比。高纬度地区 的太阳高度角小,且太阳斜射地球表面,太阳光线通过的大气层较厚,所以直接 辐射较弱;而低纬度地区则恰好相反,太阳直接辐射较强。高海拔地区(如西藏 及云贵高原等地区)由于空气稀薄,且空气中的水蒸气、尘埃较少,故直接辐射 强而散射辐射弱。太阳辐射强度和太阳辐射总量与大气透明度、云量分布、大气 压力、地理位置、季节等因素有关,是影响结构温度场的主要因素。太阳辐射强 度在一年中随季节不断发生着变化,在一日中到达地面的太阳辐射强度也是随着 太阳时的变化而不断改变。对于地面上的工程结构物来说,出现日最大太阳辐射 总量时的天气状况一般为云量相对较少、空气比较洁净、大气透明度较好的时候。
我国《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019.2003)【37】附录四中给出了不同 纬度处、不同透明度等级条件下的夏季太阳总辐射强度。 加0 ∞0 ∞0 印O 们0 一。{邑越嘿接驿医杉 加O
0 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00

时间
图2.2太阳辐射强度日变化曲线

图2.2是北纬30度,在大气透明度等级为一级情况下水平面的太阳总辐射强度 日变化情况。由图2.2可以看出,在上午10时至下午14时之间是辐射强度最大的时 间段,过了14时以后辐射强度逐渐减弱。

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效应研究

对整个建筑物不同面而言,太阳辐射强度也是随着时间变化的,如图2.3所示

加 ∞

巳 \ 日 。

∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 如 ∞ 加 ∞






暖 攘 辑 医 斗《

2:00

4:oo

6:00

8:00

lO:00

12:oo

14:00

16:00

18:00

20:OO

一天中的太阳辐射时间

+水平屋顶+南墙面+东墙面*西墙面
图2.3作为日照面方位函数的阳光照射强度

2.1.4.2气温

一年中每天的昼夜气温变化,除了某些日子发生天气气候的突变以外,一般 都较为一致。实测结果表明【401,日气温变化大致可分为三个阶段:自早晨6时至
午后14时为升温阶段;自午后14时至午夜24时为迅速降温阶段;自午夜至次日

早晨6时为缓慢降温阶段。升温阶段和降温阶段的过程符合正弦曲线的走势。以

(丁一瓦。。)/(k一瓦;。)为纵坐标,以时间h为横坐标进行分析,见图2.4。
1.2 l

0 0 4



12

16

20

24

时间(小时) 图2.4气温日变化曲线

2.1.4.3风速

风速的变化是随机的,但又有一定规律性。从理论上讲,我们假设风速等于

16

硕士学位论文

零时,可得到日照升温的最不利温度场。当然,实际上风速不可能保持为零。在 陆地上,一般风速以午后为最大。日落前的16时至19时地面开始逐渐冷却,气层 趋于稳定,因而风速急减。入夜后风速基本稳定,一直到次日日出后因近地气层 不稳定而风速又迅速增大。10时至11时即达到峰值附近,11时至16时是全天风速 最大的时间段。考虑到夏季的天气状况下风速越小对结构的温度作用越大,因此 对夏季日风速最小值这一项就不再进行概率统计其代表值,直接认为日风速最小 值为静风状态,即风速为零。

2.2温度内力的常用计算方法
对高层建筑温度内力的考虑,主要是在两方面:其一是由不同构件间的温差 所引起的整体温度内力,这部分温度内力是连接构件如梁、板对构件的变形差进 行约束产生的内力;其二是由外表构件自身的内外表面温差所引起的局部温度内 力。对于这两方面的研究,已有一些进展。本节从简化假定、计算过程等方面对一 些整体温度内力和局部温度内力的计算方法进行综述和评论。

2.2.1整体温度内力
高层建筑的竖向整体温度内力是由于不同的竖向构件的温度变形受到约束而 引起的。这个问题对一般多层建筑,由于竖向变形小,影响不明显而常常被忽略。 但对于高层建筑尤其是超高层建筑而言,竖向变形差的累积效应使之不容忽视。 为解决该问题,国内外工程界提出了一些实用的计算方法。
2.2.1.1迭代法

迭代法的思路:内外竖向构件的竖向温差将引起变形差,而它们之间的连接 构件又必然会对该变形差产生约束作用。约束的效果一方面在连接构件中产生附 加内力,而另一方面由于附加内力的反作用,则使内外竖向构件的变形差减小。 变形差的减小又反过来减小了连接构件中的附加内力。如此反复循环,当前后两 次计算所得附加内力的数值相等时,此时的变形差即认为是实际情况下的变形差。 在假定自由竖向变形差作为最初的竖向构件变形差后,最终即可得出实际的变形 差,并在迭代过程中用弯矩分配法或角变形移法对每个节点进行弯矩分配。 当所研究的为对称结构、而又不考虑太阳辐射对结构正晒面的直接作用时如 季节温差、骤降温差作用,迭代法是较为适用的,计算方便,收敛也快。但对我 国的大部分南方地区而言,起控制作用的温差不是有风而无日照时的内高外低的 温差,而是考虑太阳辐射和室外气温综合作用时内低外高的温差。此时结构正晒 面和背晒面存在较大温差的。因此即使是对称的结构,作用的荷载也是不对称的。

17

钢框架.钢筋混凝十筒体结构温度效戍研究

2.2.1.2微分方程法

此种方法认为构件的实际位移是被约束的变形和其自由位移的代数和:



雅~ 棼Ⅶ~罄 堕~
式中,t(工)是作用于内竖向构件上的剪力的等效分布约束力。
考虑边界条件:

1.基底无竖向位移
2.顶点无约束,可自由变形

可求得内外竖向构件的竖向实际变形,再结合横梁抗推刚度,最后可求出连 接构件及内外竖向构件的温度内力值。 微分方程法由于本身方法的局限性,计算工作量大,一般对二跨或三跨的对
称结构比较合适。该法在求解微分方程的边界条件中,由于将作用在竖向构件上

的、起约束作用的剪力进行了连续化,则在结构顶点无约束位移。而实际上横梁
的剪力是离散地作用于内、外构件上的,不可避免的在顶点有约束位移。这些误

差使得该方法计算精度会有所降低。
2.2.1.3等代箱体法

等代箱体法将高层建筑视为一悬臂矩形箱体结构,而将正、背晒面间的外侧 面结构视为箱体的侧翼。在非线性温度分布作用时,箱体即会发生弯曲侧移,并
因横截面上纤维的温度不同,因而在整个结构中将发生温度应力。 为进行求解,等代箱体法有三个基本假定: (1)变形之后构件仍保持平截面。

(2)截面上的内力应满足静力(弯矩和剪力)平衡。 (3)材料服从虎克定律,即盯=£E。 等代箱体法实质上是从对箱形桥墩的温度内力计算演变而来。由于高层建筑
的尺寸远较一个箱形墩大,原适用于箱形桥墩的指数分布温度曲线是否还能适用

于高层建筑,以及一些内部构件如框架柱、楼板、内筒等的存在使高层建筑是否 仍可用箱形横截面来模拟,值得进一步探讨。
2.2.1.4数值法

数值法又分为有限元法和差分法两种【18l。有限元法计算整体温度内力时将连 续的结构体离散化为有限个单元,并将同样离散后的温度作用分别作用到各个单 元上,将温度作用加到荷载列阵中,最后通过总刚的拼装和方程的求解得到整体

18

硕十学位论文

温度内力。这种数值分析的方法,可分析比较复杂的结构与温度作用情况。同时 整个结构划分可以人为地控制,所以可满足所需要的计算精度。故而适用于微机 运算,是当前流行的、精度高的方法。在下一节中专门对有限元法进行了说明。 差分法实际上是解析法的一个分支。它是用差分方程来替代解析法中的微分 方程,用差分法来求得所需要的结果,从而使解题更加方便,其精度也可以与有
限元法那样可人为控制。

2.2.2局部温度内力
局部温度内力是由于外表构件自身内外表面的温差所起的变形差受约束而产 生的内力。这种局部温度内力,或是由于竖向外表构件的内部纤维彼此约束而产
生,或是由于梁、板等连接构件对节点的约束所产生的。 2.2.2.1完全约束法 这是一种简化的方法,一般也仅在初步估算柱截面大小时才用。它假定外表

构件的温度梯度呈线性分布,并假定在局部温差作用下楼层处的节点无侧移及无 转角。从文献【40】可知,此时竖向外表构件处于纯弯状态,其温度弯矩 M:-口o‘△r?E?w:。 由于梁、柱的实际尺寸,不可能使节点完全做到无侧移、无转角,也不会产 生不受任何约束的自由变形,实际的情况应是介于这两种情况之间。若需进一步 提高精度,则可在考虑梁、柱的相对刚度后,适当地减少柱的抗弯刚度来考虑这
种影响。 2.2.2.2有限元法 计算局部温度内力同样也可以采用有限元法。由于有限元是将结构离散为有 限元,它们除在节点处有联系外就彼此独立,所以在计算局部温度内力时,只需 将温度变化剧烈的外表构件细分为若干个单元,即可用如同计算整体温度内力的

方法求得局部温度内力。

2.3有限元方法
2.3.1有限元方法理论概述
美国学者Clough于20世纪50年代提出有限元方法(Finite
Element Method,

简称FEM)时,是基于结构力学中的矩阵位移法,随后被证明在数学上是分片插 值的一种逼近法。当单元划分得充分小时,可以逼近精确解。有限元方法自应用
于工程以来,已经得到愈来愈广泛的推广,求解的对象涉及弹塑性、流变、动力、

非稳态渗流,温度场和流固耦合等复杂的问题【38“11。

19

钢框架.钢筋混凝十筒体结构温度效戍研究

2.3.2温度应力场有限元法求解的步骤
2.3.2.1结构离散化

所谓离散化,是将所分析的结构分割成有限元单元体,使相邻单元仅在节点 处相连接,分析对象由这个单元结合体代替原有结构。一般来说,结构的有限元 离散化包括三方面的内容:结构本身的离散化、作用于结构上力系的离散化和结 构边界条件的离散化。其中结构离散化涉及单元类型的选择、组合形式的确定等 问题。任何工程结构及其构件实际上都是三维弹性体,都应作为三维问题进行分 析研究。但是在工程实践中,在保证分析结果满足工程要求的前提下,根据结构 构件的几何尺寸形状和受力特点进行简化。在建立有限元模型时,选择相应类型 的单元进行模拟,以达到简化分析模型的目的。由于实际结构中梁板等构件三个 方向上的尺寸通常不在一个数量级内,若按三维实体元进行分析,势必需要非常 细的网格划分,用普通的PC机根本无法完成计算,故分别用梁、板单元来模拟
梁和楼板。但由于这两种单元的节点自由度不同,无法考虑柱的扭矩,因此计算

会有一定的误差,在分析多层框架结构温度应力时引起的误差在10%左右【331。
2.3.2.2单元分析 单元分析即求得单元节点力与节点位移的关系,计算单元刚度矩阵。 在杆件结构中,杆件的节点力与节点位移之间的关系可用结构力学的方法,

通过平衡(应力与外力)、协调(位移与变形)和物理(应力与应变)关系求得。

{厂)一【Ⅳ№}。

(2.14)

式中{厂)是单元内任一点位移列阵,{6)。为单元结点位移列阵,fⅣ1为形函数
矩阵。

在连续体(非杆件)结构中,单元节点力与结构位移之间的关系式(单元刚 度矩阵)一般很难用结构力学的方法推导出来,而是假设位移插值函数,再用虚
功原理来推导。

利用几何关系,导出用结点位移表示单元应变的关系式:

㈠=【B】{6)。 式中{s)是单元内任一点应变列阵,『B1是单元应变矩阵。
利用物理关系,导出用结点位移表示单元应力的关系式:

(2.15)

{口}=【D】({£}一{£。))+{‰)一【D】【B】{6)。一【D】{£。}+{‰}

(2.16)

式中{仃)是单元内任一点的应力列阵,fDl是单元材料有关的弹性矩阵,{‰)


.20

硕J:学位论文

是单元初应变列阵,而{%}是单元初应力列阵。
利用虚功原理,导出单元上结点力和结点位移间的关系式, 即单元刚度方程

{尺)。暑【K】。{6)。,式中【K】。为单元刚度矩阵,它由下式算得:

【K卜肌BnD】【曰】妣纰
2.3.2.3以节点为隔离体,建立平衡方程

(2.17)

在有限元计算中不必逐个节点建立平衡方程而是通过集合单元刚度矩阵为整 体刚度矩阵来完成。得到

【K№)一{尺}
2.3.2.4施加荷载 等效结点热荷载详见下节。 2.3.2.5引入边界条件

(2.18)

未经引入边界条件时,刚度矩阵是奇异的。从力学角度来看,这是由于没有
边界约束的结构可以产生刚体位移,因而在一定的荷载作用下无法确定其位移的 大小。代入边界条件求解未知结点位移并进行单元分析。

2.3.2.6求解方程

当物体各部分温度发生变化时,物体将由于热变形而产生线应变口(r一瓦),
上式中Q是材料的线膨胀系数,丁是弹性体内任一点现时温度值,瓦是初始温度

值。当弹性体的温度场f丁l已知时,就可以求得弹性体各部分的热应力。
物体由于热膨胀只产生线应变,剪切应变为零。这种由于热变形产生的应变

可视作物体的初应变。计算热应力时只需算出热变形引起的初应变,求得相应的 初应变引起的等效结点热载荷£,然后按通常求解应力一样解得由于热变形引起

的结点位移{6},再依次由{6)求得热应力{仃)。也可以将热变形引起的等效结点
热荷载£与其它荷载在一起,求得包括热应力在内的综合应力。计算应力时应包
括应变项

{仃)一p】(㈦一‰})
其中{‰)是由于温度变化而引起的温度应变,对于三维问题:

(2.19)

{£o}一a p一瓦)【1
求解热应力问题的泛涵表达式如下:









or

(2.20)

~(6)2职扣)【D】”…。㈨一阿㈣砟
将求解域R进行有限元离散,从6兀,-o可得到有限元求解方程:
21

钢框架.钢筋混凝土筒体结构温度效应研究

【K№)一{尺}
的等效温度荷载,即:

(2.21)

跟不包括温度应变的有限元求解方程区别的是荷载列阵中包括温度应变引起

{p}一{p,}+{肼}+{^}
的荷载项。

(2.22)

其中{p,)和{办)是体积荷载和表面荷载引起的荷载项,{p‘}是温度应变引起

{氏}2;{以卜墨科B九D㈧如
初应变形式出现的温度荷载项{%}外是完全相同的。
2.3.3等效结点热荷载
2.3.3.1平面问题的等效结点热荷载

(2.23)

由此可见,结构热应力问题和无热荷载的应力分析问题相比,除增加一项以

结构若考虑温度改变的影响,应力、应变关系包含温度应变。于是在等效荷

载中还需加上热荷载,即式(2.23)中{氏}项。
对于平面问题,若将结构剖分成有限元三角形的集合,等效结点热荷载为:

{氏)。一爪BnD№}蚴
式中,对于平面应力问题:{‰)一口丁【1


(2.24) (2.25)


o】r

对于平面应变问题:{£。}一(1+JLl)口丁【1

or

(2.26)

吲州※引
1 ∥ 1 0 0 0 1一肛 2

【。卜南
可推得:

∥ 0

”褊[岛c1%c,k c。】r脾

(2.27)

如果温度丁的分布函数为已知时,上式中的积分可用数值积分求得。 对于丁为线性分布时,则有:

硕上学位论文

其中互,乙,乙分别是结点i,j,m处的温度,此时

{氏}‘-等[岛q¨k
{氏)I一训耵【D】㈨眦,嘶小)
式中{£。}-口r【1
1 1

盯蚴-三(互+乃+乙)△

(2.28)

2.3.3.2轴对称问题的等效结点热荷载 对于轴对称问题,三角形环单元e中结点i上由于温度改变引进起的等效热 荷载为:
(2.29)

o】r

考虑到: 6}
0 0 q

『噩1。上 ‘¨ 2△ 式中Z。生+包+垡O,j『,臃)
r ,


0 q

(f,j『,朋)

(2.30)





【卟踹

工一 —1




jL
1一p



1一p




jL
1一p



1一p

(2.31)


jL
1一p

jL
1一p









!二丝
2(1一p)

㈨;半黪≯卜加, 舯^?揣
小岛+正)警_(包+例l+巧+t)△/3
田’cj乃咖出_cfF(五+乃+t J△/3

㈦32,

上式中两个积分通常可用数值积分方法求得,或简单地取近似的表达式:
(2.33)

式中F=(‘+。+_)/3

㈨。_掣期
万;争+魏+等
1 o o

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效戍研究

(2.34)

2.3.3.3空间问题的等效结点热载荷 若物体离散为许多个四面体常应变单元的集合,由于温度改变,计算荷载
时还应加上热载荷,即

{以)一塞{以}‘一耋Ⅲ【E】r【D】{£。}出方出
式中

(2.35)

{£。)一口丁【1



o】1
1 1 o o

在四面体单元中,由于矩阵的元素都是常量,上式可写成

{见.}。=陋】rp】a【1

若温度分布采用线形模式,则上式的积分为

o】r以眇出 以陋出。言[互+乙+已+乙]y
[B卜[E B见彤】

(2.36)

式中霉,乙,乙,乙为结点f,j『,历,p处的温度改变,进而代入【B】和【D】表达式,
即: (2.37)

其中:






O 0




【垦】暑专

O c| o di



ci


di


(t,i,mt p)

di

1 一1

p一叫


0 一1





例一踹

一1

—1

p一叫肛一叫
1 o







—1

p一叫肛一叫


一,上

肛一叫








1一孔墨卜 生膨













肛一p









些耻。

1一敌墨卜

肛一弘

硕士学位论文

由此,

{氏}‘-兰嵩铲
×[包cj喀一岛一c,一d,屯%厶一%一c,一dP】
2.4

㈦38,

SAP2000中温度效应求解功能
在本文分析部分将用到有限元软件SAP2000,其是美国computer
and

structures

Inc.(CSI)公司开发的通用结构分析软件,已有近四十年的发展历史。

从CCTV新楼到奥运工程的“水立方”、“鸟巢"等一大批国家重点项目都体现了

SAP2000的强大分析功能。该程序采用有限元法计算温度应力,它将温度变化转 化为单元等效节点荷载或单元的基本载荷两种形式进行温度应力计算。当有限元 模型建立后,将各温度工况按单元荷载输入到工况形式中,通过对结构构件施加 温度荷载即温度变化,再通过有限元法计算温度变化下对象构件会产生热应变, 最后得出整体变形。在分析过程中材料的热膨胀系数由材料的本身性质决定,可 以在材料的分析属性数据中来定义。单元的温度变化是由单元参考温度到单元荷 载温度的改变。它可以根据材料的属性和温度变化计算出构件温度应力。利用
SAP2000进行结构温度分析关键是模型的正确性和温度荷载的确定。

2.5小结
本章详述了温度应力、热传学等理论基础,将温度应力分为内约束应力和外 约束应力。由于结构中温差应力、应变的特殊性,它们不再符合虎克定律,在第 一节部分从构件空间、平面、单向约束方面分析了温差应力与变形的关系。针对 当前常用整体温度内力计算方法有迭代法、解析法等代箱体法和数值法,局部温 度内力分析方法有完全约束法和有限元法,第二节部分对以上方法一一进行了讲 述和比较,提出了它们分别的应用范围。最后对本文所应用到的有限元法和等效
结点热荷载问题进行了讲述。

钢框架.钢筋混凝十筒体结构温度效应研究

第3章温度荷载及其对S+RC混合结构作用
置于自然环境中的工程结构,经受各种自然环境条件变化的影响,其表面与 内部各点温度随时都在发生变化,由于结构不同部位不同构件的温变不同,同时 不同建筑材料对温度的热物理性质不同,所以就会在结构中形成整体和局部的温 度应力。通常引起建筑物温度变化的原因有两个方面:一是混凝土材料在内部水 化热反应,二是环境温度影响。本章就建筑物温度作用机理、形式、及建筑材料 的温度特性入手,对高层混合结构生命周期各阶段温度影响作出了系统的分析, 得出了针对于S+RC混合建筑生命周期中最不利分析工况。

3.1温度荷载
在本文第一章的理论基础部分对建筑材料的热物理性质和建筑温度场的环境
影响因素进行了分析,并对相应取值做了统计确定和最不利假设。下面我们对建 筑结构的温度变化加以量化。

在建筑结构设计中考虑温度变化的影响,桥梁结构物、圆形贮仓筒、冷却塔、 烟囱、高耸塔状结构的设计规范中早有规定,但以往只考虑变化缓慢的年气温变 化荷载以及定值的工作温度荷载。近二十年来,因内外工程结构的实践证明,仅
仅考虑年气温变化荷载是远远不够的。因为对许多工程结构来说,在这种温度荷

载下,结构只产生温度位移,不会发生温差应力。通过大量试验研究证明,短时 的变化急剧的太阳辐射引起的结构温度变化和骤然降温(日落降温、寒流等)引 起的结构温度变化,对混凝土结构的影响比长期缓慢的年气温荷载影响更大【2引。 太阳辐射等引起的温度变化将产生相当大的温差应力,致使混凝土工程结构发生 严重裂损。为此,本节将详细论述这种短时变化的温度荷载,介绍有关试验研究 资料,提出工程实用的计算方法。并介绍国内外有关温度荷载的设计规范条文与
说明。

3.1.1温度荷载的分类、形式、特点
温度荷载是由于温度变化导致结构的杆件或节点产生变形,由于杆件或节点 的变形受到限制,因此温度荷载能使结构内部产生次应力。置于自然环境当中的 结构体系要经受各种自然环境条件变化的影响,经过大量的调查研究表明,短时 的、变化急剧的太阳辐射引起的结构温度变化和骤然的降温(包括日落降温和寒 流等)引起的结构温度变化要比长期的、缓慢的年气温荷载影响更大。太阳辐射 等引起的温度变化荷载将产生相当大的温度应力。结构的表面与内部各点的温度

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随时都发生变化,它与结构所处的地理位置、气温变化、云、雾、雨、雪等有关。 在工程结构物的内外表面处还不断的以辐射、对流和传导等方式与周围空气介质 进行热交换,因此结构物处于复杂的热交换过程之中,由此形成的工程结构物的 温度分布也是十分复杂的。 就结构物来讲,由自然环境条件变化所产生的温度荷载一般可以分为以下四
种类型:

(1)日照温度荷载:日照温度变化主要是太阳辐射作用所致,其次是气温变
化的影响,后者相对于前者来讲要小的多,再次之是风速的影响。 (2)骤然降温温度荷载:骤然降温温度变化主要是指强冷空气的侵袭作用和

夜间形成的温差分布。
(3)年温温差温度荷载:年温变化则是指缓慢的气温变化所致。 (4)昼夜温差荷载:白昼与黑夜之间的气温变化。

上述四种温度荷载都是自然环境条件变化所造成的,难以消除。工程结构物 由于日照、骤然降温、年温变化等产生的温度荷载,其特点各不相同,见表3.1
所示。
表3.1各种温度变化表

3.1.2日照温度荷载
工程结构物的日照温度变化比较复杂,影响的因素主要有以下几个方面:太 阳的直接辐射、气温变化、风速以及地理纬度、结构物的方位和朝向等条件。因 此,工程结构物由于日照温度变化引起的表面和内部温度变化是一个随机变化的
复杂函数。表面温度变化具有明显的谐波曲线特性,但又随着朝向的不同而有明 显的差别。其中既有太阳辐射引起的局部性,又有热传导的不均匀性,难以直接

求得函数解,只能进行近似的数值解。但从工程应用角度考虑,为了求得日最大 表面温度而忽略了风速的影响。这样我们从设计控制温度荷载考虑,影响工程结 构表面温度的因素实际上可以简化为太阳辐射与气温变化。通过大量的现场观测 资料的统计分析,可求得简明的工程结构表面温度的半经验理论公式,并能求得
沿壁板厚度方向的温度分布曲线。

当构件某一方向出现非线性温度梯度时构件发生弯曲变形,截面上相应地产 生了非线性温度应变,这一非线性温度应变被截面的平面变形所约束,产生了温

钢框架.钢筋混凝七简体结构温度效戍研究

度作用内约束应力。根据铁路系统设计单位研究的结果可知,在最不利气候条件 下,矩形构件截面的控制温度分布如下式:

乃一瓦P叫
表面的温度差;e为自然对数;a为指数,一般可取10。

(3.1)

式中乃为非线性分布的最大温差,实际上为日照作用下构件向阳与背阳两侧

为了便于计算,作以下简化处理及基本假定: (1)认为高层建筑外部热条件的主要因素是太阳辐射,太阳辐射强度峰值出 现在当地时间的正午,太阳辐射热与室外气温的波动周期均为24h,确定太阳辐射
强度时,不考虑房屋朝向及高度不同所带来的差别。

(2)认为结构上最不利温度分布是受太阳辐射的正晒面与背晒面的温度差

(毛一乞)(沿结构宽度线性分布),假定沿混凝土厚度的温度变化为(f1一f2)e一指数
曲线(其中e为自然对数,a为温度变化衰减系数,采a=5.72m’1)。斜晒时按两正
交方向正晒计算,然后叠加。

(3)日照下的室外温度以“室外折算综合温度”f,表征,它等于太阳辐射等效
温度峰值乞.呱与出现该值时相应室外气温f。之和(因为室外热作用包括太阳辐射

与气温等,它们均非谐波,其峰值一般不在同一时刻出现)。 室外气温对每一栋高层建筑的所有外墙,数值相同,仅随时间变化。太阳辐 射强度则不仅随时间而变,而且随外墙部位不同有显著差别。在同样的太阳辐射 强度作用下,由于外墙材料性质、表面状况(主要是颜色和粗糙程度)的不同, 表面所能吸收的热量亦很有差别。这种差别以外墙表面对太阳辐射热的吸收系数 表示。按前述简化处理手段给出室外折算综合温度表达式:

乞一屯.舳x+0+0P+q.w一二二盟+0P+q.w


,,

(3.2)

aw

式中岛.嘶-太阳辐射等效温度峰值(℃);0一出现屯.一值时刻相应的室外气温 (℃);0,一室外气温昼夜平均值(℃);B矿出现太阳辐射等效温度峰值时刻的

室外气温波动值(℃);.,叫一太阳辐射强峰值(Ⅳ/所2);£-结构外表面对太阳辐射
热的吸收系数;口。.结构外表面热转移系数(Ⅳ/朋2?K);以上都按文献【37】取用。
视室外折算综合温度为由平均值及波动值两部分组成,其相应传热过程也是 由两部分叠加:一是按稳定传热计算,另一是按单向谐波计算。据此可给出受太 阳辐射的正晒面结构外表面温度峰值f1的计算公式:

(3.3)
aⅣ+S

式中Ro.结构总热阻(m2.K例),其按下式求得:

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R。土+鱼+土


(3.4)

Qw

入aB

S.材料蓄热系数,单位为(W/m2?K);

s。压磊7丽

,P一太阳辐射强度昼夜平均值(Ⅳ/肌2),根据纬度按文献【37】采取;
‰.一?室外气温最大值(℃),根据经纬按文献【37】附表1取用;
6一壁厚(m);

七.修正系数,根据最大室外气温与太阳辐射等效温度峰值出现的时间差及n值 按文献f371采用; 背晒面结构外表面温度等于正晒面结构内表面温度或室内气温,其值按民用 建筑室内、外空气计算温度采取。

3.1.3骤降温差
骤降温差一般有以下两类型,一是工程结构物在冷空气侵袭作用下,使结构 外表面迅速降温,结构物中形成内高外低的温度分布状态,二是在超高温的影响, 由于冷暖气流等因素致使结构外表面温度迅速下降,此时结构物内表面在空调或 采暖设施作用下温度几乎没有什么变化,由此在内外表面形成较大的温度梯度。 之后随着热传导的慢慢深入,内外温差逐渐弱化,直到相关构件达到静态热平衡。 传热过程造成了构件内外表面达到各自变温极值的“时间差”,这种热传导“滞后 性”以及骤降温差的快速变化均加大了建筑外围构件外表面破损开裂的可能性。这 种温度变化,一般只要考虑气温变化和风速这两个因素,可以忽略太阳辐射影响。 这种降温温度荷载其变化较日照温度荷载要缓慢一些。变化过程约为20h左右,比 日照温度变化作用时间长些。在这两种降温温度荷载中,冷空气侵袭作用引起的 结构物降温速度,南方地区平均降温速度为l℃/h,最大降温速度为4.0℃/h, 比日照升温速度10℃/h要小得多。但有时强冷空气作用下建筑物外部整体降温幅 度较大。 每一地区的室外温度存在一个极端变化的限值,冬季极端最低温度平均值和 夏季极端最高温度平均值可由采暖通风与空气调节设计规范查得,则骤降温差等 于极端气温与平均气温之差,其计算公式如下:

△丁;%中一砗中=萼墨一萼粤=堑粤
3.1.4年温度变化

(3.5)

年温度变化又叫作季节温差,指结构闭合阶段(浇注后浇带或结点焊接)的施 工期温度与使用阶段温度之差,它是由极缓慢的季节气温变化所致。故在考虑年温 对结构物的影响时,均以结构物的平均温度为依据。我国铁路系统则规定以最高与

钢框架.钢筋混凝七筒体结构温度效J电研究

最低月平均温度的变化值作为年温变化幅度。 室外大气温度是随季节变化的,夏季温度高,外部竖向构件的温度伸长远大 于室内。冬季温度低,外部竖向构件的温度缩短远大于室内。无论冬季夏季内外 部竖向构件部会产生变形差异,结构愈高,此差异就愈大。问题是设计计算中究 竟采用什么样的最高及最低设计温度。当前比较成熟的方法有以下三种: 一种方法是先确定设计用大气的相当稳态温度,然后用图解法构造部分外露 柱截面的等温线,再求出柱截面的温度梯度及平均温度【451。大气相当稳态温度为:
冬季为50年一遇的最小日平均温度,夏季为空调设计用的温度。此法较繁琐。 另一种方法是为结构设计规定一个最高及最低设计温度变化范围。一些国家

的设计规范采用了这种方法,如下表3.2所示。表中所谓“受到保护的结构”,即
构件表面有装饰层或隔热层。
表3.2结构设计中的设计温度变化

就一般情况而言,工程设计时无法确定施工的确切时间,则应考虑冬季和夏
季两种不利工况。这是因为,冬季施工时混凝土终凝温度较低,到夏季投入使用

时温度变化较大。同样,如在夏季施工,终凝温度较高,在冬季投入使用时,经 历的温度变化也很大。季节温差最简单的计算方法是由结构正常使用时结构构件

中面计算温度T中与混凝土终凝温度h之差来计算,即可表征为: △z=砩一&
在应用中考虑施工过程中的结构混凝土自身收缩作用,需将混凝土收缩等效

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温差与季节温差叠加。

还有一种方法是用公式计算建筑结构外露构件横截面的平均温度变化【45】

△‘。。一k。。一岛。之o.5(f一.,+‘)一fo。 △fmi。一o.5(ki。.,+毛)一‰
式中f峨.,-室外夏季最高温度;f1一室内温度;f。¨。一室外冬季最低温度。

(3.6) (3.7)

k,‰分别为夏季及冬季施工时,构件施工当时的温度,在相似工程记录资料
的情况下可凭经验确定,在资料和经验不足的情况下也可按下式确定:
fo,一0.&乞7+0.2乞1 %,一O.8乞l+O.2乞7 (3.8) (3.9)

式中乞,.7月份室个平均温度;乞,-1月份室外平均温度。 设计计算时可根据实际工程具体情况选用上述任何一种方法。

3.1.5昼夜温差
日落后夜间形成的内高外低温差,即昼夜更替引起建筑物外表面温度发生周
期性变化。当建筑物投入正常使用后,由于工作环境的需要,室内温度通过空调

保持恒温,日落后气温下降,造成建筑内外之间内高外低的温差,从而导致结构
内部构件与外围构件之间产生不协调的温度应变。如应变受构件之间的约束从而 引起温度应力。对日照温度改变我们只关心在一个昼夜周期内气温变化的最大值。 依据文献f461,夏季空气调节室外逐时温度的计算公式为
t讯I

t岬+§&r (℃);twp为夏季空气调节室外计算日平均

式中:k为室外计算逐时温度, 温度,

(℃);p为室外温度逐时变化系数;址,为夏季室外计算平均日照差,可

按下式计算:

卟毪
表3.3室外温度逐时变化系数

(3.10)

式中,f喟为夏季空气调节室外计算干球温度(℃),按文献【37】第2.2.7条采用。

在一天24h中,凌晨5时室外气温达到最低值,而在下午14时达到一天中的气

31

钢框架一钢筋混凝七筒体结构温度效虑研究

温峰值,这两点对应的温度差即是昼夜温差。

3.1.6混凝土收缩转化为等效温差
现浇混凝土由于硬化干缩和水化热降温冷缩发生收缩现象,文献【421综合分 析大量试验资料,指出现浇混凝土由于内部所含水分的蒸发将产生收缩应变,累 计极限值可达(2~4)×10。4,其中主要影响因素有:水泥成分、细度、骨料材质、 级配、水泥含量、水灰比等,同时混凝土收缩的形成和发展与混凝土龄期密切相 关,考虑各种影响因素的混凝土收缩应变值可表征为:

£y(f)=£;。M。。M2…M。(1一e删‘)
其值等于3.24×10一;M,,M:,…,M。为考虑各种非标准条件的修正系数。
混凝土温差自由应变为:

(3.11)

式中:£y(f)为龄期t天混凝土收缩应变;£;为标准状态下的混凝土极限收缩值,

£。一以互
式中:a=10’5为混凝土线膨胀系数,单位为℃。1
因此混凝土收缩当量温差为:
△丁;£y/口

(3.12)

(3.13)

3.1.7温度荷载简化计算方法
由于气象条件变化有明显的时间特征,因此工程结构的温度荷载是一个随时
间而变化的函数,在几何上是多维的,所以求解这种温度荷载很复杂,若要求得

出一个严格的函数解是几乎不可能。现有各种计算方法求解的结果无论是在物理
上还是数学上都具有一定的近似性,且每种方法在适用前提、计算精度、复杂程 度上都不同。 下面介绍当前国内外常用的四种方法。我们可以根据工程不同地区、不同实

际情况选择使用。 3.1.7.1等效稳态传热 在国外,关于温度场分布的一种确定方法是将周期性非稳态传热近似为等效
稳态传热【4踟。该方法认为由于时间滞后和波幅衰减的影响只有缓慢变化的温度波

才能渗入到构件相当深的内部,若以只延续了几个小时的温度峰值作为钢筋混凝 土构件的外表设计温度峰值就会太保守,所以用一个等效的稳态外界温度来代替
外表面温度。

确定等效稳态温度后,就可以仿照流网的概念,用图解的方法确定等温线和 温度梯度,也即墙体内部各点的温度,因此可得到作为温度作用的平均温度和温
差值。

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实际的传热过程是周期性的非稳态传热,且由于温度的升降是连续而非瞬时 的,所以在温度升(降)到极值时刻,是温度波传递的结束时刻,而非开始时刻 实际的温差及平均温度值均将大于按等效外界温度所确定的数值。 对于我国地域广阔的实际情况,由于南北气候差异极大,所以构件外表温度 的取值方式也大不相同。在我国的北方,冬季室内外的温差远大于夏季,此时构
件的外表温度可取无日照而有风的日子的最低气温。而在我国的南方地区,由于

气温普遍较高,则应取夏季时有日照而无风的日子,用室外空气和太阳辐射对外

表构件共同作用的一下综合温度来作为该构件的外表温度,如断=(f,+乞}),式
中:p为外表构件对太阳辐射的吸收系数,,,为太阳辐射强度,f,为室外气温,伍 为换热系数。再通过热传导方程和边界条件,求出构件的平均温度和它的温差值。
3.1.7.2

Fourier一维热传导方程的理论解

州‘脚(-压卜(唇+蛳)
表面的距离;f为时间。 3.1.7.3指数曲线法

㈦…

式中,A为结构计算壁板的表面温度波动的波幅;∞为圆频率;a为计算点距

指数曲线法是一种半经验半理论的求解方法【4引。它采用的指数形式来表示温
度的分布。

t一“一f2)?分叫J

(3.15)
,.

式中,f.、f2分别为结构正、背面外表面的温度,a为指数。 该式是从一维半无限体在周期热作用下,对热传导方程解函数的简化而来。

瓦¨e。压萄n卜x压】
其值按民用建筑室内外空气计算温度值采用。

㈦16)

式中的以需经经验统计得出,约为10左右。构件外表温度tl采用室外折算综合 温度,考虑了气温、太阳辐射、结构外表面对太阳辐射的吸收及结构外表面的热 转移等因素。背晒面结构外表面温度t2则取正晒面结构内表面温度或室内温度,

这种方法的温度分布是一条贯经整个结构的、经验性的指数曲线。当高度和 宽度为厚度的10倍以上时,方可近似为一维传热1421。尽管由于指数的衰减极为迅 速,在应用本简化方法时我们要注意分布曲线选取和适用范围,以免产生过大的
误差。

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3.1.7.4线性分布法

线性分布法是工程实践中最常用相对简单的方法,这种方法将计算所需知道 的温度作用以极简单的形式表示。当计算整体温度内力时,取整体温差如下:

.个f(取一%)/2 l(珥一廷)/2
气温。

(无空调) (有空调)



式中,取,n,如分别为室外、无空调时的室内、有空调时的室内的月平均
外表构件内外表面的局部温差则取为△f一2△Z。该方法假定温度梯度是线性

分布的,且外表构件的内表面和整个结构的内部构件等温,而砑,h均由当地的
最冷月、最热月平均温度给出。由于温度分布的确定和外表温度的取值均有近似,

运用该方法进行计算显然具有一定的近似性。 前三种方法能较详细地给出在某个构件内的温度场分布。但考虑到本文的研 究方向是对整体建筑进行温度应力分析,由于结构体型复杂,构件数量庞大,若 对每个具体构件都进行温度场的数值计算,未免计算量太大很难实现,同时也背 离了本论文的主要研究目的。故此本文采用第四种计算温度(温差)的方法。线
性分布法虽然是一种近似方法,但我们所关心的问题是建筑在长期的温度荷载作 用下的应力情况,即使是短期的骤降温差也只考虑温度场趋于稳定后的温度作用。 因此,采用线性分布法近似计算结构的温度荷载不仅可以大大减少计算工作量,

计算结果也能满足工程设计的精度要求。这种方法是可行的,并且具有一定实际
意义的。

综上所述,通过对温度作用的时效性,以及在各个时段内温度作用的特点分
析,选用合适的温度荷载计算方法便可以确定出作用于结构的温度工况从而开展 温度应力分析。

3.1.8温度荷载与常见荷载的组合探讨
建筑结构的温差荷载比较复杂,有自然环境条件引起的日照温差荷载、年温 温差荷载、寒流降温温差荷载;有施工工艺条件引起的水化热温差荷载、蒸气养 护产生的温差荷载以及采用冻结法施工的温差荷载等;还有结构使用功能产生的 温差荷载,例如核反应堆的温差荷载、冷却塔的温差荷载、贮料筒的温差荷载、 高烟囱因高温烟气引起的温差荷载等。目前,随着火电厂除尘埃技术的发展,这 种温差荷载已高达150℃左右。为此对于各种混凝土工程结构,必须视其结构的具 体情况,确定其温差荷载的组合状态,在设计计算时予以综合分析并进行切合实 际的温差荷载组合。此外,还要考虑温差荷载与外荷载的组合问题,并根据对结
构的作用,考虑一定的组合系数。

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3.1.9国内外有关温度荷载的规定
国内外现行标准中有关温度荷载的考虑大多都出现在桥涵设计规范中,在建 筑结构方面的相关规程还处于探讨阶段。本节将一一介绍现行各国设计标准中有 关温度荷载的规定,由此也可了解各国在混凝土结构的温度荷载方面的试验研究
与应用状况。 3.1.9.1英国桥梁规范

英国是对温度荷载最为重视的国家,英国桥规BS一5400中关于温度荷载的规 定,是迄今为止国外关于桥梁结构的温度荷载规定中最为详细的。在总则中,考
虑了气温、太阳辐射、逆辐射等的每日和季节变化因素。 1.荷载与荷载效应

将桥梁的整体温度变化称之为“有效桥梁温度”,并在规定的时期内,将有一 最小和最大以及与之有联系的有效桥梁温度的变化幅度。
2.最高和最低气温 桥址处的最不利气温可根据桥梁所处的地理位置处的等温线图求得。在桥梁 的温度伸缩缝处,温度按50年周期气温设计,在施工期间,则可按50年周期的气

温设计施工安装温度。50年周期气温的计算值由等温图查得的最低气温增加2℃, 等温图查得的最高气温减少2℃,予以调整。对于高于海平面的地区的气温调整,
应按每增加100m,将最低气温降低0.5℃和最高气温降低1℃予以调整。此外,还 考虑最低气温的偏差调整。 3.最高和最低的有效桥梁温度 对不同构造类型的桥梁结构,最高和最低的有效桥温,可分别根据最高和最

低气温表查得。并考虑铺面层厚度予以调整。 当结构被约束时,为确定由于温度约束而引起的荷载效应,分别以最高、最 低有效桥梁温度作为计算伸胀、收缩的依据。
4.温差

桥梁内部的温差效应可由下述温差推导,由于太阳辐射和其它效应引起的结 构顶面受热时的正温差;由于逆辐射和其它效应引起的结构项面散热时的负温差。 并考虑铺面层厚度对温差的影响。 温差与有效桥梁温度的组合,当1、2类桥梁结构的有效桥梁温度高于25℃以 及3、4类桥梁结构的有效桥梁温度高于15℃时,应考虑最大温差与有效桥梁温度 同时存在的情况。另一方面,当1、2类结构的有效桥梁温度低于8℃,3类结构的
有效桥梁温度低至4℃以及4类结构的有效桥梁温度低至2℃时,应考虑最大负温差

与有效桥梁温度同时存在的情况。 计算温度效应时,结构钢材和混凝土的热膨胀系数可取用12×10巧/℃。但混凝

钢框架.钢筋混凝士筒体结构温度效应研究

土采用石灰岩集料时,可取用6×10巧/℃。 根据BS.5400规范规定有混凝土桥面板的混凝土桥梁的温差值,当梁高大于
1.5m时,无铺面的正温差T1=15.4℃,T2=4.5℃,T3=2.0℃,负温差Tl=13.7℃,
T2=1℃,T3=0.6℃,T4=6.7℃。

结构类型:1类为钢桥面板的钢箱梁,设有40mm铺面层;2类为钢桥面板的钢 板粱;3类为混凝土桥面板的钢筋梁、板梁;4类为有混凝土桥面板的混凝土梁或
混凝土箱粱。 当铺面层厚度减为50mm时,正温差T1=17.8℃,当有防水层时,T1=23.6℃, 此时负温差与铺面层厚100mm差不多。 3.1.9.2日本道路桥梁设计标准 设计中采用的温度变化范围以下面的值为标准:在混凝土结构中温度变化的

范围,根据不同地区的平均气温确定,一般情况下温度升降可采用15℃。 根据桥面板和其它部分的温度差计算断面内的应力时,温差以5℃为标准;温 度分布在桥面和其它部分内分别认为是均匀的。 对混凝土箱梁,规定顶底板面的温差为5℃到15℃。
3.1.9.3美国有关方面的规定 美国预应力混凝土学会和预应力后张法学会出版的《预制节段筋梁桥的设计

与施工手册》中,箱梁横断面的温度分布,只考虑箱梁的翼线板温度分布比截面
的其它部分高10℃。美国的P.C.HOFFMAN等对宾夕法尼亚运输研究所的一座拼装 式预应力箱梁桥进行现场观测观测到的最大表面温差为28.3℃,与新西兰规范中 的推荐值32℃相近。比上述的PCT.PTI提出值10℃大两倍。美国的PCT和PTI提出 值是偏低的。 3.1.9.4瑞士桥梁规范

分别考虑了季节温变化和日温变化对结构物的影响,并强调指出,为了防止 意外的裂缝,除了按规定选择荷载验算外,还要求按SIA一162规定根据断面的温 度梯度的不同分布作用,并配置必要的钢筋。
3.1.9.5我国铁路桥涵设计规范中关于温度荷载的规定 在我国《铁路桥涵设计基本规范》TB 10002.1.2005/J460.2005中第4.4.4条款 规定如下:

桥涵结构和构件应计算均匀温差和日照温差引起的变形和应力,温差应按当 地气候条件与建造条件确定,线膨胀系数(1/℃)按下列取值:

0.000 011 8

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钢筋混凝土和混凝土 石砌体

0.000 01 0.000 008

涵洞和跨度在15m以内,矢跨比不小于1/4的石拱桥、最冷月均气温不低于 .20℃时,气温变化的影响可不考虑。 对于钢桥,应考虑历年极端最高和最低气温;对于圬工桥则视构造的式样、 尺寸和当地外界气温等条件按规范附录E的“钢筋混凝土、混凝土和砌石矩形截面 杆件计算温度图解”确定构件的计算温度,外界气温根据桥涵所在地区按规范附录 “全国一月份平均气温图和全国七月份平均气温图”确定。 均匀温差系从构件合龙时的温度算起。对于刚架、拱等超静定结构、预应力 混凝土结构、结合梁等,应考虑混凝土收缩的影响,但涵洞可不考虑。混凝土收 缩的影响,可按降低温度的方法来计算。

3.2温度对S+RC混合结构的影响
温度(温度荷载)对多层建筑结构影响不大,这是因为多层建筑结构材料多 用砖砌体,自重荷载相对较大、结构又不高,所以温度作用造成的竖向构件温度 变形差异甚小。虽温度作用能使建筑结构产生水平方向的变形(伸长或缩短), 在一定约束条件下,此种变形差可引起较大的结构内力。但此种约束内力可借助 于适当地设置温度缝或采用其它措施(如活动支座等)得以减小或消除。但当结 构高度超过一定尺度后,在高层建筑结构的设计、施工中,就不得不考虑温度作 用了。对于高层S+RC混合结构而言,它不但会出现一般高层建筑温度影响,同时 竖向又为两种不同材料建成,故温度作用在竖向体现得更明显。高层建筑不同体 型、不同平面形式以及不同时段温度荷载所产生的内力、变形大小是不同的。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也是不同的,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。本节结合所研究的混合结构特点,从建筑主体结构施工到建筑物投入使用, 温度作用大致可分四种状态。

3.2.1结构处于施工阶段
混合结构的施工跟常规高层建筑有所不同,一般混凝土核心筒采用滑模法先 行施工,然后在核心筒上安装自爬式塔吊,吊装外围钢结构框架。根据实际情况 钢框架与混凝土简体间隔层数为10~15层,如金茂大厦间隔层数为15层,香港 新世界为10层,世茂国际广场12~15层。同一层结构平面通常为一次整浇。此 时结构处于通透状态,受外界环境温度和日照的影响非常大。特别对于筒体的垂 直度控制精度的影响比较大,如在1977年10月20号,某施工单位对一80米高

37

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效应研究

的钢混结构烟囱顶部水平位移达20~75mm,计算当时条件下的风振位移只有 20mm左右。对于混合结构中混凝土构件而言,混凝土温度收缩变形的最不利叠 加构成楼层结构平面内的最大温度收缩应力。楼层结构平面中的梁板降温收缩受 到竖向钢构件的约束产生拉应力,主体结构竖向构件剪力墙和柱受到梁板变形产 生的推力。对楼层结构平面,这是属于大尺寸结构混凝土温度收缩应力问题。当 结构平面尺寸较大,竖向构件约束较强,则可能引起楼层结构平面内板受拉达到 混凝土板极限拉伸应变而开裂,从而影响使用。在主体结构筒体竖向由于分层(分 段)施工,使得结构混凝土水化后期冷缩和失水干缩变形的影响只在某一高度范 围内,即分段收缩变形模式。因为混凝土的水化热降温度变形和硬化过程中的失 水干缩都具有先快后慢的特点,按主体结构构件大小混凝土水化两周基本完成大 半,达到混凝土龄期后其收缩变形和强度基本完成。按有关资料分析达到混凝土 龄期时,结构混凝土的水在热降温度变形和失水干缩变形可完成60%~80%,说 明其变形引起的温度应力影响基本在混凝土龄期时段内,按现在国内常见主体结
构施工进度,基本在四、五层之内。此外这种混凝土的收缩变形对民用建筑小构

件而言两三周可完成50%~60%,而每次施工到下一层时,结构混凝土都是在前
一层基础上浇筑的,这对前一层的结构混凝土的收缩具有补偿作用。因此考虑分

层施工、施工层间周期及混凝土水化过程和干缩硬化的特点,主体结构竖向混凝
土失水干缩和降温冷缩影响只在有限的几层之内,施工过程中对主体结构竖向温 度应力影响不必单独考虑。另外由于混合结构体系竖向受力结构由两种不同材料

构成,其热力学系数相差较大,在内外同样的温度变化下两者会产生变形差。这
种变形差是暂时的,但它会影响结构的施工质量,在下章的分析中我们将会看到,

这种温差变形将对楼层补偿、找平精度带来很大的影响,同时还会影响简体上预 埋件的准确定位、筒体垂直度等。这对后期外钢框架的施工会带来诸多的不便。 像这种混合高层结构的施工周期大多有1~2年的时间,这就意味着施工过程会跨 季节。而在季节温差较大的地区,如我国北方地区,年温差达40度以上,虽然是 缓慢变化但整体升降温如此之大给建筑结构造成的影响是不容忽视的。 综上,要特别注意日照对框架.简体体系施工阶段的影响,包括简体垂直度、 筒体和外框架顶部侧移、竖向变形。整体倾斜容易引起施工单位两个疑问:
(1)是否是施工质量问题;

(2)如属温度变形,那截面应力有多大?在进行安装偏差、风振位移、自振
振幅等的分析时是否也应考虑温度的影响?

3.2.2主体结构刚刚封顶
这一时期主体结构形态上处于稳定的、通透的状态,筒体和外钢框架不再增 高。考虑此阶段为短期状态、影响主要是日照的作用,且日照温度变化周期性及

硕上学位论文

结构混凝土热交换较缓慢特点,除顶部楼层受太阳直射外,主体结构可认为处于 均匀温度场中,可把主体结构视为固接于基础上的悬臂结构。当大气中有短时升 温较快或骤然下雨降温时,由于屋面结构楼板较薄,并且还未作保温隔热层,则 顶部楼层(1~2层)受大气温度变化直接影响,可能短时温降(或温升)较大, 构成了温度应力敏感区。考虑结构混凝土自身的收缩变形性能,在楼层平面内结 构混凝土产生短时不利的收缩(热胀)变形,这种变形受到竖向受力构件柱、墙 的约束,在顶部楼层结构平面内梁板中产生不利拉(或压)应力,对竖向构件剪 力墙和柱则产生水平推力。底部楼层接近基础,其收缩变形受到的约束较强,相 应的收缩应力也较大。结构顶部及底部楼层为温度收缩应力敏感区,亦即是按现 行规范结构设计的构造加强区。对主体结构竖向构件而言,处于建筑物内部的柱、
墙,此阶段同样温度变化较小,可认为处于均匀温度场中。但对于结构周边的柱、

墙则同样有受大气温度变化影响直接的问题,周边柱、墙升温热胀(或降温冷缩) 时受到楼层梁板约束产生压(拉)应力。而对于边跨梁板相当于支座下沉,在楼 层平面内产生不利影响,应当说此阶段竖向温度应力影响相对其它几种来说是较
大的。

3.2.3建筑装修完成尚未投入使用
这时建筑外墙装修完成,屋顶保温隔热层已修,结构内部处于自然通风状态。

主体简体结构混凝土施工过程中的收缩变形已完成80%以上,此时除在底层受到
基础约束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。而由于高

层建筑主体结构已完成、装修已作,结构承受的竖向荷载已施加80%以上,该阶
段混凝土的徐变变形也已完成大部分,从而使结构混凝土中的温度收缩应力水平

降低。当大气有温度升降时,短时室内外会有一定的温差,但由于保温隔热层及 立面装修的存在,这种温度变化对主体结构的影响不大。该阶段主体结构水平及
竖向温度收缩应力的影响和上阶段相比要小得多。

3.2.4建筑物投入使用后
建筑物投入使用后,由于使用功能要求,室内通常保持恒温,而建筑物外装 修罩面及屋顶保温隔热层的存在,使主体结构对短时、周期性的日照温度变形敏 感程度下降,温度变化影响较小。而这时结构筒体混凝土的水化热降温冷缩和硬 化过程中的失水干缩变化已基本完成,其收缩变形最不利影响在底部楼层,但由 于徐变存在已使其收缩应力水平大大降低。若考虑温度变化的影响则主要是季节
性的室内外温度变化。

在建筑结构中,混凝土温度变化对混凝土材料的影响相对钢来讲是较为复杂。 结构混凝土的温度收缩应力主要由结构混凝土的温度变化及收缩引起的。当结构 混凝土在发生降温及收缩变形时,受到边界条件约束,使其内部产生拉应力,当

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效席研究

其达到或超过混凝土的极限抗拉强度(或达到混凝土板限拉伸应变)时就会在结 构中产生裂缝。实际工程中明确的非荷载作用及基础不均匀沉降引起的结构混凝 土的裂缝,大多数与温度收缩变形有关。

3.3小结
综上所述,我们明确了前述的这样一些概念,在温度作用下结构位移与应力 的分析及结构设计,可按照下列步骤进行: 第一,确定环境温度作用下结构构件的相当稳态温度及在此情况下的设计平
均温度;

第二,确定部分暴露在室外的竖向构件截面内温度分布的规律、温度梯度及
平均温度;

第三,确定构件的温度变形及变形差异; 第四,确定构件温度变形差异引起的构件内力,并与其它作用(重力荷载、
徐变及收缩作用,湿度变化作用,风荷载,地震荷载等)引起的内力进行合理组 合,然后进行结构设计。

需要强调的是,要想精确计算温度变化在高层建筑结构中产生的变形与内力 是甚为困难的,温度作用不但与多变的环境温度有关,而且与建筑结构的材料、 截面尺寸有关,与温度在构件截面内的传播规律有关,与结构体系类型及结构构 件之间的连接方式有关,与结构构件的刚度有关;此外还有个与重力荷载、徐变、 收缩、温度变化、风荷载、地震荷载等作用效应合理组合的问题。 不论从理论分析还是从实际观测,当建筑结构达到一定高度后与其它作用一 起考虑温度作用不仅是重要的而且是必要的,同时也是可能的。

硕一l:学位论文

第4章实际混合结构的温度效应分析
本章在前几章的理论、方法分析的基础上,针对不同城市气候条件,分别确定
相应的温度荷载,并借助有限元软件SAP2000,对大连世界贸易大厦实际结构模型 在施工和使用两个阶段下进行整体温度应力分析。

4.1实际工程概况
大连世界贸易大厦总高度242m,有北方珠穆朗玛之称,是目前大连市最高

的建筑。大连世界贸易大厦的方案设计由中国建筑东北设计研究院、韩国熙山建
筑师事务所、美国纳德尔建筑师事务所合作完成。扩大初步设计、施工图设计由 中国建筑东北设计研究院独自完成。该工程采用钢筋混凝土核心筒.钢框架结构体

系。大厦塔楼50层,其上有一塔楼,塔楼顶端高201.9m。裙楼为8层,局部9
层,裙楼顶面高度为39.2m。塔楼与裙楼连为一体不设缝。在塔楼顶设有钢管结

构装饰塔架,塔架与主塔楼采用相同装饰材料,为主楼向上部空间的延伸,塔顶
高度为243.00m。塔楼平面最外侧轴线尺寸为37.40m×38.30,塔楼9层以上主要 使用功能为写字楼,标准层高3.8m。塔楼中间为18.20m×13.30m的核心简,塔楼

沿四周外部设框架柱.内筒与外柱之间形成大的办公空间,其南北方向跨度
9.90m,在东西方向跨度12.60m。
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且字。

图4.1标准层平面图(mm)

由于该建筑具有跨度大,楼体高,平面结构布置、形式相对常见等特点,对 其进行温度效应分析,不仅可为该类建筑设计、施工提供详尽的温度效应数据,
41

钢框架.钢筋混凝土简体结构温度效应研究

还可为其他类似建筑考虑温度作用提供参考。建筑的详细资料请参阅该建筑设计 施工图纸及计算书,结构标准层平面图如图4.1所示。

4.2计算模型
表4.1计算模型柱的基本数据

参照大连世界贸易大厦【49】设计了一个钢框架.钢筋混凝土核心筒体系模型,基

本层平面布置见图4.1。模型总52层,层高均为3.8米。钢框架梁和柱材料为Q345 钢,核心简混凝土分别采用C50、C40、C30外筒厚度为600、500、400,内筒厚
度沿楼高依次为400、300、200。钢框架梁截面为焊接工字形,主梁250×700×25×12, 次梁依不同跨度分250×600×20×12和150×400×16×10两种。楼板采用1mm厚压 型钢板上浇100mm厚C30混凝土,柱数据见表4.1。针对每个方案运用SAP2000

有限元分析程序建一套阶段计算模型,外钢框架、柱采用BEAM单元,内混凝土 核心筒及楼板采用SHELL单元。钢框架与钢筋混凝土核心筒体通过钢连梁连接, 钢连梁与简体为铰接,与外框架为刚接,不考虑筒体剪力墙的开洞。

4.3温度作用计算工况
根据上一章对温度荷载所进行的综合分析,本节将确定该计算模型的温度工
况,从而为进行温度应力计算提供基础。

为了所选工况具有可比性,除大连外,参考各城市气候条件,还选择了几个 我国混合高层结构相对较集中的代表城市,如:重庆、广州、武汉、长沙、上海
等。依照中华人民共和国标准:《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019.2003)

(1951~1980年,30年统计数据)工程温度计算基本参数如表4.2。 表4.2中夏、冬季室外日平均气温分别采用夏、冬两季空气调节室外计算干 球温度【371。有些数据参照中国气象科学数据共享服务网中的“中国地面国际交换 站气候资料日值数据库"得出。 室内计算温度值分正常(有空调)和非正常工作(无空调)两种情况按照我
国节能要求取为:

正常工作情况:夏季26℃,冬季20℃。 非正常工作情况:夏季29℃,冬季5℃
42

硕士学位论文

混合结构内筒混凝土终凝时(含后浇带时为后浇带浇注时结构的温度)钢节 点焊接时结构的温度,按施工实践经验其值一般在5到25度之间。根据该工程实 际情况可取: 冬季的混凝土终凝时间为&=5℃;

夏季的混凝土终凝时间为&=25℃
依照第三章所提供的方法对本工程进行温度荷载计算,其中外围构件是指直 接暴露于大气中受日光照射的构件,包括有楼盖、外围简体、剪力墙等,内部构 件是指结构内保持恒温的构件,包括楼板、梁、柱等。考虑到结构外围的幕墙作 用,构件计算过程如下: 结合本工程的实际情况,由式3.13混凝土收缩的当量温差温度为△T=一5℃。 昼夜温差计算:

‘(14)一o(5)一f叩+卢(5)△f,一(f叩+卢(14)M) 一(卢(14)一卢(5))△‘

.f0.52一O.471玉立


一,





0.52

.6.4‘C

现将各城市温度荷载计算数据用表格列出,如表4.3所示。

钢框架.钢筋混凝土简体结构温度效应研究

表4.3各代表城市的温度荷载计算数据(℃) 夏季室内温度 冬季室内温度

闭合温度

夏天正常情况(有空调)

外围构件中内部构件中面外围构件中内部构件中面外围构件中面内部构件中 面温度 大连 长沙 郑州 广州 哈尔滨 重庆 上海 武汉 西安 宁波 厦门 香港
28.4 35.8 35.6 33.5 30.3 36.5 34.0 31.9 35.2 34.5 33.4 32.4

温度
28.4 35.8 35.6 33.5 30.3 36.5 34.O 31.9 35.2 34.5 33.4 32.4

面温度
3.0 8.5 6.5 12.5 .4.5 11.O 8.5 7.5 6.0 8.5 13.O 14.O

温度

温度
.4.5 1.0 .1.0 6.5 .12.0 3.5 1.0 0.O .1.5 1.0 8.O 9.O

面温度
5.0 5.0 5.0 8.0 5.O 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 10.0 10.0

加 O 加 O 加 0 加 O 加 0 加 0 加 0 加 0 加 O 加 O 加 0
20

硕士学位论文

续上表

非正常季节温变(夏.冬) 外围钢框架内部钢框架

非正常季节温变(冬一夏) 内部筒体

内部简体外围钢框架内部钢框架

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效应研究

续上表

对上表中工况进行定义、说明: 1.季节温变(冬.夏) 工况l:季节温差(冬季结构闭合(混凝土终凝、钢结点最终焊接)温度至夏

季构件计算温度)+混凝土收缩等效温差,室内为夏季正常工作环境,即有空调作
用。 2.季节温变(夏.冬)

工况2:季节温差(夏季结构闭合温度至冬季构件计算温度)+混凝土收缩等 效温差,室内为冬季正常工作环境,即有空调作用。
3.夏季骤升温差

工况3:夏季遭遇极高气温天气,外围构件迅速升温。
4.冬季骤降温差 工况4:冬季遭遇极低气温天气,外围构件急速降温。 5.非正常季节温变(夏.冬)

工况5:季节温差(夏季结构闭合温度至冬季构件计算温度)+混凝土收缩等 效温差,室内为冬季非正常工作环境,即无空调作用。
6.非正常季节温变(冬.夏) 工况6:季节温差(冬季结构闭合(混凝土终凝、钢结点最终焊接)温度至

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夏季构件计算温度)+混凝土收缩等效温差,室内为夏季非正常工作环境,即无
空调作用。 7.施工阶段日照温差

工况7:施工阶段由于日照作用使得向阳面与背阳面产生温度变化。此时向
阳面由于在日照作用下温度升高,而背阳面保持不变。 8.施工阶段季节温差 工况8:施工阶段季节温差 此时的温差为非整体分段式结构温差,以主体施工完后但外还未安装保温隔热层 时为最不利。其结构降温温度荷载分段不同,并假定结构在施工期均匀降温,即 总降温在各施工层段从低到高为线性递减分布。 9.使用阶段日照温差

工况9:在使用阶段日照使建筑物的不同立面产生温差,由于计算的复杂性 没有在上表统一给出,以工程所在地大连地区为例,室内为24℃,向阳面计算温
度为32℃,背阳面26℃,两侧面27℃。

现代高层混合结构幕墙一般都是采用玻璃外墙,其采用镀膜玻璃、LOW.E玻
璃、热反射玻璃、中空玻璃等玻璃处理技术以减少太阳透过玻璃的直接辐射,另 外还采用铝塑复合材料、断热桥型材等高热阻材料应用技术。这将使隔热达到很

好的效果。以广州地区为例夏季日照温差引起向阳面幕墙外表面温度升高到近 58℃,由于幕墙的隔热、和断桥作用外围钢结构温衰减接近35度左右,因此可以 不考虑使用阶段日照对建筑结构层的温差作用。另由于屋面保温层的存在,屋面
结构层温度变化也相对较小。故此工况在本文中不加详细分析。


4.4结构整体温度应力分析
本节将对大连世界贸易大厦计算模型的不同阶段按上一节所设计的几种温度 作用工况进行温度应力分析。

4.4.1结构处于施工阶段
4.4.1.1施工价段日照温差

此种工况计算以高层建筑集中的上海地区东经121度29分、北纬31度14分为 例,将建筑物的南立面即A.C(图4.1)立面定义为向阳面,根据工程实际取两个
具有代表性的施工方案:方案A:核心筒施工超前外钢框架15层如图4.2所示。方

案B:核心筒施工超前外钢框架10层。以每三层作为一个施工段,施工方案A依次 建立十个分析阶段模型:stagel...stagelO,stagel表示框架施工到第10层简体 施工到25层时的结构,其余每增加三层类推,施工方案B同理建立12个阶段分析 模型。由上节工况7可知,向阳面外围钢构件和超前施工的筒体在太阳照射下升温

钢框架.钢筋混凝土简体结构温度效应研究

15.5为了体现温差随时问的变化情况另取12℃、10℃、8℃三个计算温度。由于在 施工过程中针对结构收缩和徐变会逐层找平,本文工况中没有考虑自重作用。 经分析得各阶段模型钢框架和钢筋混凝土筒体顶部的变形,结构整体变形图 如图4.3。

图4.2方案A第十施工段计算模型

图4.3方案A第十阶段结构整体变形图

1.钢筋混凝土核心筒体变形 方案A筒体最大侧向变形发生在向阳面顶部筒体的中点即B点处(图4.1),过程 中最大侧移达到30mm,最小也大于10mm,方案B早期变形相对较小只有近6mm,
35 30

名25 E

20

理15

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O l 2 3 4 5 6 7 8 9 10

施工阶段 图4.4方案A各施工阶段结构在不同温差下筒体顶部最大侧向变形值曲线

48

硕十学位论文

后期最大变形跟方案A差不多,过程最大侧向变形亦达30mm。简体截面变形中间
略大于两端,这是因为内简剪力墙相对外围墙体较薄,从而造成中部变形大于周 边。方案A、B简体的简体顶部最大侧向位移分别见图4.4、图4.5。

一昌一靼jlf锹
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0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ll 12

旆工阶段
图4.5方案B各施工阶段结构在各温差工况下筒体顶部最大侧向变形值曲线

7 6 5 4 3

^善v掣蘸制

2 1 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 lO 11 12


施工阶段 图4.6方案B各施工阶段向阳面在各温度工况下简体顶部的竖向位移值曲线

从上图4.5曲线可以看出随着施工的进行侧移值先减少再增加,这是由于前几 阶段随着结构整体高度的递增外钢框架的嵌固作用增强,整体抗侧刚度增大;随着
结构高度进一步的增加,到第六个施工段时外钢框架的嵌固增强对结构整体侧移的

影响相对变小,而计算高度增加因素作用增加许多,使得最终侧向位移逐渐增大, 此时外钢框架高95m、核心筒高152m。简体顶部背阳面的侧移在各点上大致相同,
比相应向阳面小O.6mm左右。由此可见如在施工监控过程中不考虑适当调整的话整

体累积误差会很大,从而影响建筑的施工质量、以及后期电梯等设备安装工程的施 工。两施工方案在各施工阶段向阳面简体顶部的竖向变形大致相同,如图4.6,与 侧移值相比竖向变移相对较小,但由于筒体向阳面与背阳面竖向变形不一样,对控 制筒体上预埋件的施工精度也会造成影响。 2.外钢框架的变形

49

钢框架.钢筋混凝士筒体结构温度效应研究

在各温差工况作用下两方案相同施工段外钢框架的最大侧移、竖向位移基本相 等。框架项部最大侧移值发生在C1柱处,最大竖向位移值发生在C5与C6柱处。 其值分别如图4.7、图4.8所示。
25

20

量15
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龄10 制


O l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

施工阶段
图4.7方案B各施工阶段外钢框架在各温度工况下顶端最大侧向变形
30 25

含2


趔l 映 制l
5 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

施工阶段
图4.8方案B外钢框架在各温度工况作用下顶端最大竖向变形

3.结论

(1)施工过程中由日照引起的简体和框架的变形是暂时性的,在施工过程中 对因构件自重、混凝土收缩、徐变而产生的变形的楼层优化补偿并未考虑日照变 形的影响,正因它只在结构成形过程中存在的特殊性,它会影响施工过程中优化 补偿和构件施工投测的精度。施工中对垂直度的监测必须考虑日照引起的变形, 建议在监控过程中实时测量建筑物向阳面与背阳面的温度变化,依两者温差修正 投测结果。同时在本分析模型中并未考虑筒体剪力墙开洞,由于实际洞口的存在 将削弱体系的抗侧刚度,故在实际变形可能还会更大。

硕上学位论文

(2)温度作用是高层建筑不可回避的问题,对于高层建筑施工周期较长,一 般在1.2年左右,故还应系统的考虑其它温度工况,如季节温差等。 (3)外钢框架的轴向变形值较大,在控制楼层标高与构件水平度时值得特别
注意。

(4)以上未分析结构在温差工况下的应力分布,对于混凝土筒体因混凝土导
热系数较小,产生的自约束应力不能被忽视。 4.4.1.2施工阶段季节降温工况 以大连地区施工期从夏季延续到冬季,总降温为39℃,假设在施工期内均匀

降温,即在结构层从低到高以每三层为施工单位段线性递减施加温度荷载,如下
表4.4所示。
表4.4施工后期季节降温工况各层段降温值表(℃)

0.0
、_,



—10.0 —20.O 一30.0



制 姆 擎

斗< 蟥 匠 —40.0 鲥
—50.0

楼层

图4.9施工阶段季节降温作用各层变形值曲线

从上图我们可以看出,简体顶部最大竖向缩短45mm,钢框架最大缩短42mm。 在相应楼层筒体的变形稍大于钢框架,但差值不大,大约在3mm左右,筒体跟 外框架为两种截然不同的材料组成,但它们的温度线膨胀系数相差无几,C50的 混凝土跟Q345的钢设为相同的线膨胀系数。这是由于分析时考虑由于施工阶段 变形约束相对较小,我们只对其季节温差作用下的变形进行研究。 构件可以较自由的收缩和伸长,同时本工程楼板采用的是压型钢板上铺 100mm混凝土的形式,故楼板对梁的约束作用相对较小。这种变形发生在施工阶 段,而且过程较长,发展较缓慢,故在结构中引起的内力相对较小。同时我们还 要注意到在哈尔滨这种季节降温温差达54度,它对结构产生的变形影响将更大,

51

钢框架.钢筋混凝土简体结构温度效应研究

在这种年季节温差较大的地区,一般为我国的北方地区,如长春、吉林、黑龙江 等,在此类地区兴建超高层混合结构时要加以注意。
4.4.1.3施工阶段季节升温

季节升温工况以大连、重庆两地区为例。同上面所说明,对结构依结构层从
低到高以每三层为施工单位段线性递减施加温度荷载,见表4.5。
表4.5施工阶段线性递减施加温度荷载(℃)

40 35

—30

曼25
j四20

彗::
5 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

楼层段号

+大连钢框架+大连简体十重庆钢框架_卜重庆简体
图4.10不同地区施工时期季节升温作用下各楼段位移值

从上可以看出,在工程所在地大连楼层顶部的位移近26.4mm,未考虑混凝
土的收缩作用。

4.4.2结构处于使用阶段
4.4.2.1工况1.使用阶段季节升温

工况1计算建筑物从冬季施工到夏季正式投入使用的过程中,结构受季节温 差作用的温度效应。以大连、长沙、香港三地为分化例,具体温度作用为:外围 钢框架构件温度变化分别为21.2℃、24.9℃、20.2℃,内钢构件温度变化分别为 19℃、19℃、16℃,内混凝土简体温变分别为14℃、14℃、11℃(在此考虑了混 凝土收缩等效温差)。下面将针对整体结构和各种单元构件进行温度效应分析。

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该建筑结构在工况1这种升温的季节温差作用下,整体上发生膨胀变形。结
构在三个地区的季节升温最大位移值如下表4.6所示:
表4.6整体结构变形极值

单位:mm

就工程所在地大连地区,结构总体变形引起的钢框架节点位移的变化范围在
最小值0mm与最大值46.7mm之间,简体的竖向变形也在0mm到30.4mm之间, 由于结构对称,且所加温度荷载也对称,故结构在水平面上只有很小的膨胀变形,

从底部到顶部这种水平的变形也只有几个毫米。钢框架跟简体为铰接,所以钢连 梁约束较小,在温度作用下应力较小。其中,最大的节点位移发生在简体的顶部
外边缘处。 1.梁温度效应分析 梁构件是结构中承受水平温度作用的主要构件之一。梁在不受外界约束的条 件下若受到均匀的温度变化,梁将处于各方向应变都相同的常应变状态,这是一 种自由的热变形,梁并不产生内部应力。只有当梁受热又受外界约束时,梁不能


自由变形,梁内才会产生温度内力。在工况1升温作用下,结构中梁构件的温度 变形和内力极值计算结果列于表4.1、表4.2中。需要说明的是,当有限元计算完 成后,对梁或杆系单元的输出计算结果位移包括两个方面:位移的输出结果包含
单元节点位移矢量的大小,以及位移矢量在X、Y、Z三个坐标轴方向的位移分

量;力的输出结果则提供了内力和应力两种形式,以便工程技术人员针对所研究 的具体问题选用合适的力的形式。由于目前建筑结构设计中梁的设计一般习惯采 用内力作为设计形式,因此本文本着服务于工程设计的研究目的,选取梁单元的 内力输出结果进行温度效应分析。 (1)钢梁变形:观察SAP2000后处理模块做出的三维梁单元位移图可以我 们可以发现,在工况1升温作用下,结构52层横向最边梁节点处,即C1,C4轴 (图4.1)的两端点处温度变形最大,位移矢量大小为47mm,此点的位移矢量在 x、Y、Z三个方向的位移分量分别为lDxl-2.8mm,IDY|-3mm,IDz|-46.78mm。 梁单元的最小位移矢量出现在结构第一层平面横向中轴线的中部,DS=1.2mm。
由于该建筑对横向、纵向中轴都对称,故梁位移值都是对称相等的。从梁位移图

中还可以分别找出结构出现x、Y、z三个方向位移分量极值位置,lDxlm。x=2.8mm,

钢框架.钢筋混凝土筒体结构温度效应研究

IDYIm。。=3mm,IDzIm。,=46.7mm,分别出现在顶层c1~c4轴两端节点,c5轴两
端节点和C2轴两端。随着楼层位置的增高,建筑底部对上部构件的约束作用逐 渐减小,即楼层越高,构件的温度变形越接近于无约束状态下的自由变形。在整 体上把握结构水平梁构件的温度变形发展规律后,可进一步就各个楼层平面内的 梁构件进行分析。逐一观察每一层梁的温度位移矢量和位移矢量在X轴、Y轴、 Z轴三个方向的位移分量,发现各层梁的温度变形趋势大致相似,结构每一层内 梁的变形都是由两部分组成的,第一部分是本层梁因温度升高而引起的变形,这 一部分变形只与该层的温度变化、布置形式、以及与之相连接并协调工作的楼板、 柱和剪力墙有关,它不受其它层构件的影响,可以认为是相对层间变形。另一部 分变形则是从下部相邻层竖向构件传递至该层的累积变形,即牵连位移(刚体变
形)。 信60


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楼层

+大连地区+长沙地区+香港地区
图4.11工况1下各层梁位移矢量最大值曲线

由上图可以看出梁的矢量位移几近直线,这是因为该混合结构平面布置双向 对称,各层梁X、Y向位移相对较小,且在全楼高上差不多相等,同时梁端的位移 绝大部分由Z分量引起,Z分量上的位移又是跟楼层高度成正比的,故矢量位移近 似为曲线。外钢框架在面内受到的约束较小,且在高度上没有什么很大的变化, Z方向的位移分量除了梁本身沿其梁高方向较小的膨胀外,下部竖向构件传递上 来的累积变形是其主导变形。由于柱网向南、北两向外部的梁本身所受约束很小, 自由变形发展充分,这些位置都会出现较大的竖向变形。 从上图我们还应注意到在以长沙地区的气候条件,这种混合结构项层的竖向 变形达到55mm,这将会给正常使用带来很大的影响。 综上所述,总结工况1升温作用下梁温度变形的分布规律如下: 1)最大温度变形出现在结构主体最高楼层的横向边缘处; 2)随着楼层增高,从底部到顶部,各层平面内的梁变形逐渐增大;

硕上学位论文

3、各楼层内的梁变形分布规律大致相同。即沿两对称轴方向位移对称,端部 出现最大位移矢量的极值,竖向位移分量则主要取决于下部竖向构件传递上来的
累积变形。

(2)梁内力:在表4.2中列出了在工况1升温作用下,结构中梁构件内力极值 的大小。在有限元建模时,选用空间三维梁单元来模拟结构中的梁构件,对于三 维梁单元,每个节点输出6种内力,它们分别为轴力、垂直剪力、水平剪力、扭矩、 水平弯矩、垂直弯矩。对于此种混合结构,由于中间与外围为不同材料组成,由 上面的分析我们知道在温度作用下两者会产生变形差,如在工况1作用下顶部两者 变形差达到17mm,这种变形差会在连梁中产生较大的剪力,并在刚接端产生垂 直弯矩;梁在周边只有柱的约束,这种约束是较小的,所以温度对梁的影响主要 体现在轴力、剪力和垂直弯矩这三种内力形式上,这与梁温度内力产生的机理有 关,以工况1梁内力计算输出结果为例(见表4.7),发现在6种内力形式中,确实 是轴力、剪力与垂直弯矩起主导作用。故在下文中将只对梁的轴力和垂直弯矩(以 下简称弯矩)进行内力分析。
表4.7工况1下梁内力极值

从工况1梁内力分布图中可以看出,在所有梁构件中,最大轴力出现在建筑第
1层平面的c 5轴梁内。由于结构底部受地面基础的约束作用最大,梁因温度升高

而产生的膨胀变形受到柱子和剪力墙的约束也就最大,因此梁内产生很大的轴向
压力。尤其C 5轴外有两个柱子对其构成约束作用,相对于其它纵向轴线而言C


轴线上梁长度最长,沿其轴线的柱,以及轴线端部的筒体结构,都加大了对梁温 度变形的约束作用。相对于纵向梁而言,横向梁因其长度较短,梁内轴力相对较 小。图4.12描述各层梁轴力极值随楼层位置的变化曲线,从图中轴力极值的变化 规律可以看出:随着楼层的增高,各楼层面内的梁轴力是逐渐减小的。造成这种 梁轴力递减趋势的原因正是由于楼层越高,水平梁构件受到底部的约束作用越小, 梁因约束而产生的温度内力也必然随着约束的消弱而减小,此结论再次验证了温 度效应是温度变化与外界约束共同作用的结果。各楼层面内的梁轴力分布情况与 第一层梁有相同的特点,大致表现在以下几个方面: 1’)各层的纵向C5、C6轴梁轴力都较大,第1层至第52层梁的轴力极值都出现 在该连续梁内。 21纵向梁的轴力大于横向梁的轴力,不仅因为纵向梁长度大于横向梁,也因

钢框架.钢筋混凝土筒体结构温度效应研究

纵向柱和剪力墙的约束远大于横向。 3)顶部两层由于层内外柱对梁的约束作用相对减弱,因此轴力相对减小很大。







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图4.12工况1下各层梁轴力最大值曲线

当三维梁单元上作用有均匀温度变化时,若梁两端没有外界约束,梁只发生
沿其轴向的伸缩(暂且忽略沿单元坐标轴另外两个方向的变形)而没有温度内力。

若梁的两端被完全固接,梁的轴向变形被限制,从而产生轴向力(压力或拉力), 但并不会产生弯矩。但当梁的端点被弹性约束时,即梁能在一定的范围内变形但 又不能完全自由变形时,梁内不仅产生轴力,同时会出现弯矩。在实际工程中, 梁柱交点、梁梁交点、梁与剪力墙交点都属于弹性连接。以梁柱交点为例,柱子 对梁的温度变形起着一定的约束作用,但并非理想状态下的完全固接,柱子本身
既要温度变形又受到梁对它的约束反作用力。因此,梁端和柱端都将产生弯矩内力,

而弯矩的大小与柱梁刚度比有关,柱梁刚度比越大,弯矩越大,反之弯矩越小。
在工况1作用下,梁构件的弯矩极值出现在第1层C4轴两相邻柱间的边梁上,

引起此处弯矩突增的原因是:上面所撑柱子因升温膨胀而产生的变形对转换梁的 作用相当于竖向荷载作用,必然会引起很大的弯矩,这是一种特殊的情况,在其 它楼层中不会出现。同时相对于其它梁这种梁为两端固结,图4.13描述了各层梁 弯矩极值随楼层变化的趋势。
通过逐一观察各层梁弯矩分布图,可以总结出以下几条规律:

(1)从4.13曲线可以看出弯矩极值先减小再缓慢增加,前几层减小的是因为 底下几层基础和柱的约束大,从而在两端固接的梁内引起大弯矩,随着楼层的增 高,外柱对梁的约束逐渐减小,到了第7层左右这种温度下柱的变形已形成稳定, 所以在7层左右出现最小的弯矩值,随着楼层的继续增加,外框与内混凝土核心筒 之间的竖向变形差逐渐加大,这将导致外框架柱与内筒之间连梁的弯矩增大。在

硕士学位论文

顶层由于柱约束的急剧减弱,此层梁的弯矩产生了很大的波动。下面几层梁中最 大、弯矩都是出现在柱距较小的中间边梁上,层内不同位置的梁内弯矩相差较大。 以上各层梁弯矩的大小与该层所在位置的关系减弱,最大与最小之间的差值变小。 性、抗弯刚度有关。在梁横截面积、刚度发生改变的位置,弯矩也随之改变。 (2)在各个楼层内,主梁与柱交点的弯矩较大,主梁与次梁因为是铰接所以
不出现弯矩。

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—300

楼层

图4.13工况1下各层弯矩极值曲线

2.柱温度效应分析 (1)柱子的变形:在工况1升温作用下,柱子的变形位移矢量极值,以及在X,
Y,Z三个坐标轴方向的位移分量计算结果列于表4.8

工况1下由于柱子都布置在外围,温度变化都相同,Z向分量在全高度范围内
变形值显直线增加。
表4.8工况1下柱子位移极值

轴力(KN)

剪力t22(1(N)

剪力T33(KN)

弯矩M22(1<N?M)弯矩M33(1喇。M)

(2)柱子内力: 表4.9列出了柱子中内力仅值计算结果。从计算结果可以看出,柱子的内力在

钢框架.钢筋混凝十筒体结构温度效应研究

底部两层最大,随着向上层发展,温度内力迅速变小,这也验证了温度内力简化 手算方法的前提假定“多层框架只按底部两层进行温度内力的计算,认为其它各层 受温度的影响很小”是合适的。在内力较大的底部两层内力分布遵循下列规律: 11柱网中各柱的轴力相差不大,其都是由与柱相交的梁两者相互约束而产生 的,柱网内力都是依两几何对称轴对称,在柱网内最大轴力都出现在C4柱和其对
称轴上。

2)由于梁柱节点非理想状态下的刚接而是弹性连接,当梁升温发生轴向伸长 时必将受到柱子对它的约束,从而梁、柱均发生弯曲变形并在梁、柱子截面内引 起弯矩。柱子绕X轴的弯矩大小与柱子绕x轴的抵抗矩有关,抵抗矩越大弯矩就越
大,这一点符合约束强则温度效应大的物理概念。 3.楼板的温度效应分析

(1)板变形:楼板(包括屋面板)对温度变化的敏感性比其它结构构件都高,
这是因为楼板受热面积较大,厚度薄,故楼板和屋面板的温度应力分析一直都是

工程技术人员十分关注的问题之一。下面对工况1升温作用下,结构中的楼板温度 变形和温度应力开展分析。
用来模拟楼板的四节点矩形薄板单元在均匀温度作用下,若不受外界约束,

会沿其单元坐标轴1、2轴方向水平自由伸展,在垂直于板面的3轴方向没有变形: 当板单元的板边受有外界约束时,板的自由变形被完全限制或部分限制,在这种 情况下,板单元内部将出现温度应力。本文在对建筑进行有限元建模时,直接以 结构平面的柱网布置来划分板单元,故单元保持了建筑结构的原有特点,即柱网 内的板单元的四边都分别平行于X,Y坐标轴方向,这为后期的温度应力结果分析
创造了便利条件建筑各层楼板温度变形遵循下述规律: 1)楼板纵向端部部分的位移矢量在X方向的分量达到各层楼板变形的极值。 2)楼板横向角点处是出现Y方向楼板变形位移分量极值的位置。

3)z方向位移分量的分布具有一定的特点,主要为竖向构件所传递上来的位 移。除了竖向构件传递上来的累积竖向位移外,本层的楼板自身Z方向的位移分 量在柱子所在的位置较小,而在柱距内部楼板有向下凹的现象,这是柱子以及框 架梁对楼板产生的约束弯矩造成的。 4)结构横向对称轴附近的变形很小,楼板与剪力墙交接部位的变形也较小。 观察结构各楼层平面的位移矢量分布图可以发现,楼板的变形同样随着楼层 的升高逐渐变化,这一特点与水平梁变形相似,这也证明了现浇一体的梁和板在 温度作用下其变形是协调的。 (2)板内力:在工况1作用下,楼板应力分布遵循一定的规律。表4.10中列
出了结构中楼板的应力极值。

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表4.10工况1楼板应力极值 X方向正应力(MPa) Y方向正应力(MPa)

注:表中的大于零的应力为拉应力,小于零的应力为压应力

各层楼板中,第1层楼板的温度应力最大。引起底层温度应力最大的原因同样

是:第1层楼板距离基础层最近,受到的约束作用也就最大。随着楼层增高,应力
有逐渐减小的趋势。在同一层楼板内,既有压应力,又有拉应力,这种情况与结

构的平面布置以及温度作用的分布有密切关系。柱网内部的规则板单元,在升温
作用下,若无外界约束会向四周均匀扩张,但实际状态是板受到框架梁的限制而 无法自由变形,板内会出现压应力。产生拉应力的原因是,在楼层边缘的一部分 外露构件温度升高值大于内部构件,在两者之间将产生一定的变形差,即外露构

件的膨胀变形会略大于内部构件,正是由于这部分变形差的存在,外露构件的向 外膨胀变形受到来自于与之相邻的内部构件的牵制,从而,在这些部位将产生一
定的拉应力。所以,当结构内部受热不均时,结构各部分之间产生相互制约而限

制其温度变形,从而在结构内部产生温度应力。从观察各楼层应力云图可知,在
第一层楼板内以压为主,只在边梁中间板出现少量的受拉区且相应拉应力很小。

而从第三层楼板开始全板内基本上都是处于受拉状态,这是因为外钢框架跟内简
体在竖向的变形差使得楼板受拉,简体周围的楼板有下凹的趋势。 4.筒体温度效应分析

剪力墙是结构中很重要的抗侧力构件,它的存在大大提高了结构的抗侧移刚 度,也不可避免的加大了对温度变形的约束。尤其是本文所研究的建筑在结构两 侧设计了双筒结构,很大程度上限制了结构主体部分温度水平伸缩,导致结构中 产生很大的约束压(拉)应力,同时筒体自身也将受到相应的反力作用。 (1)筒体变形:在工况1季节升温作用下,筒体剪力墙温度变形位移情况列
于表4.11中。
表4.11工况1筒体剪力墙变形极值

(2)筒体剪力墙应力:在工况1作用下,剪力墙的温度应力极值计算结果列
于表4.12

钢框架一钢筋混凝士简体结构温度效应研究

考虑到剪力墙的受力特点,这里主要分析它的竖向正应力%和水平剪应力‘:
从剪力墙的应力分布图可以看出,不论是竖向正应力还是水平剪应力的极值都出 现在剪力墙的底部两层,特别是筒体部分的外边缘处、筒体与主体结构连接处及 拐角处都有应力集中现象出现,但随着向高处发展,剪力墙的应力会随着受底部
约束的减小而逐渐变小。

本节通过对结构中的四大受力构件一梁、楼板(屋面板)、柱子、剪力墙进行 工况1作用下的温度效应分析,找出了每一种构件的温度变形以及温度内力或应力 特点,较完整地找出了这类建筑形式温度效应规律。以下几节将进一步对其它温
度工况进行分析,并着重进行工况之间的比较,从而总结出不同温度作用下结构

温度效应的差异,从中找出不利的温度工况。
4.4.2.2工况2、工况5.使用阶段季节降温

工况2计算建筑物从夏季施工到冬季正式投入使用的过程中,结构受季节降
温作用的温度效应。外围钢梁、柱降温22℃,内钢梁降温5℃,混凝土核心筒降 温10℃。为了对比起见另将工况5非正常季节温变与之一同分析,工况5为季节

温差(夏季结构闭合温度至冬季构件计算温度)+混凝土收缩等效温差,室内为
冬季非正常工作环境,即无空调作用。此时外钢梁、柱降温29.5℃,内钢梁、降

温20℃,简体降温25℃。 下面依然从梁、楼板、柱、剪力墙四个方面进行温度效应分析。由于在进行 工况工温度效应分析时,已经描述了一般性结论,故工况2的分析中将以两种升温 作用下的温度效应比较为主。图4.14中列出了工况2作用下结构整体变形计算结果。
表4.13工况2、工况5下结构整体变形极值

从图4.14、图4.15我们可以看出工况5下整体变形明显大于工况2下的变形, 两者变形最大值都较大。同时我们要注意各工况下钢框架与内筒简体两者之间的

硕十学位论文

变形差,这种变形差将在边梁内形成很大的剪力和弯矩
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楼层

+工况2框架+工况2简体—静一工况5框架—÷_工况5简体
图4.14工况2和工况5下结构框架、筒体各楼层的竖向变形


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楼层

+工况2+工况5
图4.15工况2、工况5下各楼层处钢框架与筒体最大变形的差值曲线 注:为正表示钢框架变形大于筒体变形

1.梁温度效应分析 在工况2和工况5下梁的最大变形同钢框架最大变形一样,即可以参考图4.14。

从图4.14、图4.15中可以总结出以下规律: (1)在季节降温作用下,接近地面的底部楼层中梁构件收缩较小,这是因为 距离底部基础越近,梁受到的约束作用就越强,温度变形也就越小。随着向高层
发展,梁所受到的约束逐渐衰减,梁的温度收缩变形随之增大。这一结论不仅是

降温作用的变形发展规律,升温作用下构件的温度变形随楼层位置变化同样也遵 循这一规律。由此可见,对于温度作用,这一规律具有普遍性。 (2)出现变形极值的位置一般是在楼层平面四周的边缘处,各楼层平面内对

61

钢框架一钢筋混凝七简体结构温度效应研究

称轴附近的梁收缩变形较小;平面柱网内部变形发展均匀。 (3)各楼层平面内,水平梁构件与竖向构件(柱、剪力墙)交接处收缩变形
较小,这是由于柱子和剪力墙对梁的强约束作用造成的。
表4.14工况2、工况5下梁轴内力极值

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—卜工况2+工况5
图4.16工况2、工况5下各楼层梁轴力极值曲线

楼层

从图4.16可以看出,在工况2和工况5两种降温作用下,各层平面内的水平梁

构件的温度内力极值随楼层位置的变化规律是相似的,就轴力而言,不论是工况2
或工况5,建筑底部接近基础的楼层内梁的轴向拉力最大,第1层平面中的纵向OA

轴线上的梁轴力达到整体结构的拉力最大值;且在同一层内,纵向轴线上的梁轴
力略大于横向轴线上的梁轴力,柱网中主梁的轴力大于次梁的轴力,这些都与梁

所受外界约束作用的强弱有关;随着向上部楼层发展,梁轴力逐渐较小。梁构件 的弯矩,受梁所在楼层位置的影响不象轴力那样显著,其它各层梁弯矩随楼层升 高变化不大。值得注意的是:在梁与柱子、剪力墙交接处的弯矩较大,外围梁基
本上是受拉。

2.柱温度效应分析 柱子在工况2、工况5下的变形集中在竖向方向,各层位移极值如图4.17所示 柱各层的位移值在X、Y方向上很小,只有不到4mm左右,且在结构全高都 比较稳定,只在相应简体、柱截面突然改变的地方有很小的波动,但从整体上来
说还是较一致。

硕上学位论文

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楼层

+工况2+工况5
图4.17工况2、工况5下各层柱最大竖向位移值

3.筒体剪力墙温度效应分析 简体的变形为整体收缩,X方向同Y方向的变形较小,而在z轴方向上累积变
形表现得特别大。总体来说变形较均匀。在结构全高除了全高处厚度变化面外没 有变形突变,基本上是线性,其总体趋势可参照图4.14。

筒体剪力墙的受力情况:本工程的简体18.2m×13.3m,剪力墙在横向较长,在 工况2和工况5的降温作用下周边部分受拉,中心部分受压,这符合约束和应力的
原理,在底层由于收缩变形受到基础的约束,二层以下墙体内都受拉应力。随着

高度的增加约束减弱逐渐拉应力减小。
工况3是建筑在正常使用过程中,夏季遭遇极高气温情况下的温度效应计算,

工况4是建筑在正常使用过程中,冬季遭遇极冷寒流情况下的温度效应计算。这两 种工况均属于短时作用,且温度变化幅度较小,对建筑的危害不如长期温度作用
大,故在此只做简述。

此2种工况是建筑外围构件有温度变化、结构内部构件温度状态不变的温度 作用,由此引起的温度效应主要集中表现在建筑结构的边缘构件上,而对结构主 体柱网内的构件影响作用较小,这一现象与前几种工况温度效应主要表现在建筑 底部有区别。比较温度应力数值,在大连地区工况3外围构件温度升1.6℃,它们
所引起的温度效应只相当于工况1的十分之一左右。工况4外围构件降低不到

2℃,而且也并不是很常见的,同时这种气温变化需要经过一定时间过程来实现, 因此,对建筑的危害并不大。以上2种工况均属于暂时作用,且温度变化量较小, 但对于建筑物而言,这2种工况所产生的局部温度效应会导致结构外围构件与内 部构件之间的变形无法协调。再者,外围结构所受的约束作用较小,温度变形较 大,由此可能造成外围结构开裂,影响建筑物的正常使用。不过,随着现代建筑 材料技术的发展,对建筑立面装饰要求越来越高,外墙装饰也将兼具保温隔热的

钢框架一钢筋混凝土筒体结构温度效应研究

作用,这样会大大消弱这些短时温度作用对建筑物的不利影响。
4.4.2.3使用阶段其它工况

工况6:季节温差(冬季结构闭合(混凝土终凝、钢结点最终焊接)时温度 至夏季构件计算温度)+混凝土收缩等效温差,室内为夏季非正常工作环境,即 无空调作用。这种非正常的温变虽然会在结构上产生很大的温度,但在实际中不 太可能,同时作为混合高层结构不像一般普通钢筋混凝土高层结构会留有后浇带,
也就是说整个结构很难以某一时刻当作它的定形闭合时间。 工况7、工况8已在前面施工阶段分析过了。 工况9:使用阶段日照温差 1.变形 (1)竖向变形。可以看出:从底层到顶层竖向位移逐渐增大,到顶层达到最

大值。角柱与边柱相比,由于角柱受到约束较小,其竖向位移要大。同时在对比 分析中发现:随着柱截面的减小,其竖向位移会相应减小:减小梁截面,同柱受
到的约束减小,柱的竖向位移有所增大;设加强层能够在一定程度上减小柱的竖 向位移。 (2)整体计算结果表明,结构在这种温度荷载作用下,将发生沿X轴方向的

微小弯曲,而Y坐标相同的各节点其x向侧移值基本相同。可以看出其变形曲线
基本属弯曲型,顶层侧移值达到最大。同时当我们减小柱和梁的截面时其整体侧

移会减小,高加强层会使结构的侧向位移增大。可以说,结构的侧向位移是随着 梁柱刚度的增大而增大,随着梁柱刚度的减小而减小。
2.内力

从计算结果可以看出,在这种温度荷载下,柱的内力以轴力为主,剪力和弯
矩相对校小,梁的内力以剪力和弯矩为主,轴力很小。

(1)柱的轴力。结果表明,当室外气温大于室内气温时,柱都为受压型,柱 的轴压力在底层最大,以上各层逐渐减小。在模型的对比计算中,当减小梁截面
可以有效地减小柱中轴力,减小柱截面也可减小柱的轴力,设加强层后,角柱和

边柱轴力都有所增大,在加强层处,柱中轴力有明显的变化。 (2)柱的剪力。在基本的模型中,底层柱的剪力最大,第二层突然减小很多, 以上各层较第二层有所增加,但到顶层也仍然不大。角柱的底层剪力比边柱大, 但顶层剪力边柱比角柱大。在对比计算中发现,当减小柱截面可有效地减小柱的 剪力,减小梁截面也可以减小其剪力,设加强层后在加强层处柱剪力明显增大。 (3)柱的弯矩。结果表明在基本模型中,底层柱的弯矩最大,在第二层、第 三层就减小很多,到第四层弯矩已经很小,以有各层的弯矩略有增加。角柱与边 柱相比,除底部三层的较大弯矩出现在角柱处,以上各层边柱弯矩比角柱弯矩大。

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对比模型分析显示,减小柱截面可以有效地减小柱的弯矩,减小梁截面也可以减
小其弯矩,这对顶层及边柱更为明显,在加强层处,柱的弯矩突然增大。

(4)梁的剪力。计算结果表明,在基本模型中,各层梁内的剪力基本上是从 底层到顶层逐渐增大,只是在顶层处略有减小。减小梁截面和减小柱截面都能有
效地减小梁内剪力,但减小梁截面的效果更为明显。设加强层,在加强层处的剪 力突然增大。

(5)梁的弯矩。从结果中我们可以看出,各层梁的弯矩分布规律与剪力相同, 在基本模型中,基本上各层梁内弯矩是从底层到顶层逐渐增大的,在顶层处略有
减小。减小梁截面和减小柱截面都能有效的减小梁内弯矩,但减小梁截面效果更

为明显。设加强层,在加强层处的弯矩突然增大。


4.5,J、结
通过对以上工况作用下的高层混合结构不同阶段的温度效应进行分析和各工 况之间的对比,我们可以找出温度作用的不利工况。施工阶段:工况7.施工阶段 由于日照作用使得向阳面与背阳面产生温度变化。工况8.施工阶段季节温差。在

施工进行中工况7对建筑物的施工质量的控制尤为重要,施工过程中由日照引起
的简体和框架的变形是暂时性的,在施工过程中对因构件自重、混凝土收缩、徐

变而产生的变形的楼层优化补偿并未考虑日照变形的影响,正因它只在结构成形
过程中存在的特殊性,它会影响施工过程中优化补偿和构件施工投测的精度。施 工中对垂直度的监测必须考虑日照引起的变形,建议在监控过程中实时测量建筑

物向阳面与背阳面的温度变化,依两者温差修正投测结果。同时在本分析模型中 并未考虑筒体剪力墙开洞,由于实际洞口的存在将削弱体系的抗侧刚度,故在实
际变形可能还会更大。在使用阶段工况2为最不利工况,即在夏季施工冬季投入

使用季节降温作用此时楼面板处于受拉状态,同时内筒体与外框架会产生很大的 竖向变形差。下面对结构中各种构件在温度作用下的变形、内力特点进行总结。
1.温度变形

不论该高层混合结构上作用何种温度工况,温度变形总是遵循建筑底部变形 较小,随着向建筑上部发展变形逐步增大,并在顶部达到位移极值的这一普遍规 律。前面各节所给出的位移值为某一点相对于其初始状态的绝对位移值,在绝对 位移中包括该点由于其下层变形而产生的牵连位移(刚体位移)和该点的层间相 对位移值两部分。选取最不利工况2作用下建筑北立面与西立面交界处阳角角点的 位移值为例,来说明节点牵连位移(刚体位移)与层间相对位移值之间的关系。 顶部几层层间相对位移相对于总位移而言很小,若计算某点在每一层面的相对变 化率,可以总结出一定的位移规律,即在建筑底部几层位移层间变化率较大,随 着向高层发展其变化率逐渐变小,类似于弯曲型变形。通常情况下,混合结构高

钢框架.钢筋混凝土简体结构温度效应研究

层建筑的竖向温度变形、变形差随高度增加而迅速增加,为防止位移过大,在结 构设计中必须加以控制。 2.温度内力 (1)梁作为框架结构中的主要水平承力构件,在温度作用下梁的温度内力包 括轴向力(压力和拉力)以及绕截面强轴(局部坐标3轴)的弯矩。在各种温度工 况作用下引起的梁水平轴力均在建筑底层出现最大值,且最大值位置一般出现在 梁轴线长度较长、抗侧移刚度较大的轴上。随着楼层的升高,梁轴力因约束作用 减小而迅速下降,在顶部几层梁轴力很小。梁的另一种温度内力.弯矩主要与梁所
在楼层的平面布置、构件之间的连接有关,从各种温度工况作用下各楼层梁弯矩

分布图中可以发现,在主梁与柱交接部位的弯矩值较大,而在没有刚度突变的平 面柱网区域内梁弯矩值较小且分布较均匀。各层的弯矩分布受其它层的影响不明 显。总体来说,温度作用对梁构件的影响主要是集中表现在建筑结构底部几层的 轴力,对梁弯矩影响相对较小。 (2)楼板因其面积大、厚度小的特点,一般对温度敏感性较高,尤其承受着 较大温度变化作用的屋面板是结构中抵抗温度作用的薄弱部位,在实际工程中楼 顶开裂是屡见不鲜的现象。楼板应力变化遵循一定的规律,不论在哪一种温度工 况作用下,楼板温度应力均是在底部几层和顶部几层较大,这一结论与手算方法 的简化理论相吻合。造成建筑结构底部几层特别是底层楼板应力较大的原因是, 底部距离基础较近,楼板受到框架以及剪力墙的约束作用较强,因此应力较大。 引起项部几层应力突出的原因与造成底部应力较大的原因有所不同,在建筑的上 部虽然楼板受到的约束作用较小,但由于顶部屋面板上作用的温度变化值比内部 构件的温度变化值大,两者之间会产生相互约束作用,因此造成建筑顶部几层楼 板的温度应力也较大。同时,建筑中平面布置发生突变的部位,如尖端,洞等位 置,或楼板与剪力墙、简体交接处出现应力突增现象,而在平面布置较规则的柱 网内部楼板温度应力较小,出现应力集中的位置在设计中需要特别注意,若处理 不好,会影响到整体结构的正常使用。 (3)柱子、简体。柱子是框架部分的竖向承力构件,由于建筑上部不受外界 约束,沿着建筑高度方向的柱子可以自由热胀冷缩,因此在温度作用下柱子的轴 力较小,柱子的温度内力主要体现在底部两层。剪力墙和筒体存在是加大建筑结 构温度应力的主要因素,正是由于建筑纵向端部设计了筒体结构,大大限制了结 构的梁、楼板等的水平伸缩,从而引起了很大的温度应力,在框架部分中布置的 分段剪力墙也起着增大梁、楼板温度应力的作用,筒体对梁、板的约束作用也使 其自身受到很大的反作用力。 总结计算结果可以发现,各种工况作用下结构温度内力(应力)计算值有些 偏大,造成这种现象的原因很多,一些是计算模型简化引起的,一些则是需要通

硕士学位论文

过进一步的研究来完善的,下面对此做简要讨论。 (1)在选择楼板的计算模型问题上,可以尝试用更接近于构件实际受力情况 的三维块体单元作为计算模型,这样可以避免由于梁与楼板粘接带来的误差。 (2)楼板单元划分过程中,由于结构平面布置的复杂性不可避免地划分了一 些三角形薄板单元,它与矩形薄板单元的受力有所不同,在以后的研究中应该尽 量避免三角形薄板单元与矩形薄板单元混合使用。 (3)建立混合结构建筑计算模型时,没有考虑剪力墙上的门、窗、洞口,而 是将筒体按实墙计算,等于加大了剪力墙的刚度,必然会造成梁、楼板的温度内 力(应力)比实际情况偏大,建议采用适当折减剪力墙刚度的方法来解决这一问
题。 作用于建筑物上温度荷载是一种相当复杂、而又不可避免的作用荷载,只有

弄清楚了它的作用特点、作用形式,并计算出温度作用对建筑影响的大小,找出 温度效应较大的位置,通过合理的设计或构造措施加以处理,才是解决温度问题 的正确途径。

钢框架.钢筋混凝十筒体结构温度效应研究

结论
混合结构正越来越多的应用到我国的建设项目中,在公共建筑、写字楼、多 功能楼等领域有着广泛的应用前景。但由于结构竖向受力构件由两种不同的材料 建成,在温度变化下会产生不同的变形反应,这将给结构施工、使用带来一系列 问题。但国内针对混合结构的整体温度分析还比较少见。本文在已有成果的基础 上探讨了高层混合结构生命周期内不同温度工况对它的影响,得出了一些有价值 的成果,同时也遇到了一些需要进一步深入研究的问题。现总结如下:
1.建筑结构环境温度数学模型的建立

基于对太阳辐射、气温变化和风速等外界环境气象因素的分析得到的曰变化 模型及概率分布模型,以此作为温度场分析的边界条件,利用在空间域内的有限
单元法和在时间域内的有限差分法的混合解法,实现对结构非稳态热传导问题的 定量分析。 2.高层混合结构生命周期内可能温度作用计算工况的探讨

从查阅的资料来看,在以往的结构整体温度研究中,很少对温度作用进行系 统的分析。本文结合混合结构自身的特点,以及全国高层混合结构相对集中的地 区的实际情况,总结和完善了温度作用和温差取值的计算方法,分阶段分类型地
对各种可能出现的温度作用进行了计算,总结出一套计算结构温差的表达式,并

依据不同情况提出了相应的求解策略,为今后工程设计、施工人员考虑温度作用
提供了参考。

3.高层混合结构温度问题有限元建模研究 在对现有温度应力计算方法进行系统的对比分析后,选用有限元方法应用到 高层混合建筑结构的整体温度应力计算中,对高层混合建筑结构进行整体温度效 应分析,发挥了有限元方法计算能力强、精度高、适用范围广的优势,克服了简 化手算方法误差较大、构件局部计算缺乏结构整体性等不足。本文取高层混合建 筑整体结构为研究对象,采用国际通用的大型结构分析程序SAP2000对高层混合 建筑结构进行有限元离散,结构的梁和柱采用空间梁单元模型,楼板和剪力墙以 及筒体结构采用空间板单元模型,建立了实用的高层混合建筑结构整体结构分析
模型。

4.温度效应分析 运用有限元分析软件SAP2000对以上所建模型在不同工况下逐一进行分析, 对某些特殊工况如工况9还进行了对比模型分析,依照分析结果数据从变形、力、 应力等角度对结构所受影响及其相应规律进行分析。施工期间的温度效应较使用

硕十学位论文

期间的温度效应较大,主要由于施工期间的温度变化较大导致,故在施工期间应 采取适当的措施,以减小温度变化带来的危害。
进一步需要完成的工作:

本文的研究虽然取得了初步的成果,但限于个人能力和精力,尚有许多有待 进一步深入研究的工作,总结计算结果可以发现,各种情况下结构的温度效应计 算值均偏大,造成这种现象的原因很多,一些是计算模型简化引起的,一些则是 需要通过进一步的研究来完善的,下面对此做简要讨沦。
(1)在建立温度作用数学模型过程中,做了不少假定,后续工作可以在建 立更加精确的温度作用数学模型进行深化。 (2)在分析楼板温度应力时,仅给出楼板单元节点应力最大值,如果通过

平均各相邻节点的应力值得到该板的平均应力值,便可得到更加接近实际应力 的效果,同时也减小了应力集中带来的误差。 (3)温度应力来源于温度变形受到约束,对于筒体混凝土的徐变松弛特征
必须在实际工程中考虑。可将上述有限元弹性计算的温度内力(应力)乘以混 凝土的徐变应力系数0.3作为实际作用与结构上的温度应力。另混凝土的弹性模

量应考虑年温差荷载、混凝土的弹塑性变形和混凝土的应变充分发挥,这些因
素将导致混凝土的弹性模量明显降低。

(4)充分研究构件的温度场和计算温差值,使计算结果更接近实际情况。 (5)探讨不同结构布置对超长高层建筑温度效应影响,寻找通过合理的结 构布置来减小温度对建筑的影响,以便设计人员在结构设计中加以考虑。 (6)在计算各工况时未跟其它非温度荷载工况进行组合,建议确定温度作 用的分项系数,通过恒荷载与温度作用的简单组合,不同构件在各种不同的荷
载效应比值下,按照所选用的分项系数进行设计,根据工程结构可靠度设计统 一标准的要求确定某一重现期的温度作用代表值,并考虑分项系数与组合系数,

进行温度场分布和温度效应计算,再与其他荷载效应组合。这种基于概率统计 理论、综合考虑环境及气候条件的温度场及温度效应分析方法,符合工程结构 可靠度设计统一标准的准则,实现了温度作用由定性分析到定量计算的转变。 (7)对高层混合结构温度效应的研究本文的研究还较为粗浅,温度、收缩 作用的荷载分项系数、荷载准永久值及组合系数的取值以及与其它荷载的组合 等问题的解决还需要做大量的研究工作。尽管如此,本文工作为在结构设计中 科学、合理、准确、有效地考虑温度作用提供了一个先进的设计理念和可行的
设计参考。

钢框架.钢筋混凝十筒体结构温度效戍研究

参考文献
【1】沈蒲生.高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版社,2006,2.8 【2】胡世德.我国高层、超高层建筑的发民和90年代需要解决的问题.建筑技术.
1995,22(2):67.72

【3】徐培福,傅学怡,王翠坤等.复杂高层建筑结构设计.土木工程学报,2005,38(1):
1.10

【4】

胡世德.国内外近年高层建筑的发展及所采用的施工技术.建筑技术,2001, 30(11):752-760
W.OVefView of

【5】

Roeder,Cha『les

hybrid and composite systems for seimic design

in the United States.Engineering

Structures,1998,20(4):355.362

【6】

中华人民共和国国家标准.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3.2002).北京:中 国建筑工业出版社,2002:109.118

【7】杨淑红.浅谈高层建筑.呼伦贝尔学院学报,1999,7(1):120.123 【8】1订orion
S.Recent deVelopments in hybrid structures in

jupan

research,design

and construction.Engineering

Structures,1998,20(4):336-346
F R.Effect of composite action
on

【9】

Roeder C

W,Leon
of



T,Preece
steel

the seismic Special

perfbrmance

oIder

structure.Composite

Construction,ASCE

Publication,1992,17(6):382?396

【10】Boyd



F;Cofer W R,Mclean

D I.Seismic perfbrmance of Structure Journal,

steeI encased

concrete

columns under nexural loading.ACI

1995,92(3):

355.364

【1 1】Liu

Z,Goel S C.Cylic 10ad behavior of concrete.filled tubular braces.ASCE.

Journal of Structure

Division,1988,114(7):1488.1506
F.Seismic design and performance of

【12】Shahrooz



M,Remnetter M E,Qin

composite coupled walls.ASCE,Journal of Structure 3291.3309

Enfineering,1993,119(11):

【13】Bsmith

Acouil.TaU

building

Structure?analysis

and

design.John.wiley



Sonsinc lnc.,1991,56.69

【1 4】

Seatta

A,
to

Scotta

R,

Ⅵtaliani
Thermal

R.

Stress

Analysis
of

of

C0ncrete

Structures

Subjicted

Variable

Loads.

JournaI

Structural

Enfineering,

ASCE,1995,2(3):122.128

【15】Arthur

H Nilson,

Geo唱e

Winter.

Design

of

Concrete

Structures(Eleventh

硕l二学位论文

Edltlon).New York:McGraw。Hl儿,lnc.,1991,264。269

【16】Riccardo Barsotti,Maurizio
concrete

Forli.Statistical bridge.

analysis

of themal

action

on



segmental

box-girder

Structural

Engineering

Internationl.

2000,10(3):15-21 【1 7】Weidlinge r.Temperature
Stress in’rall Reinforced Concrete Buildings.CiVil

Engineering,1964,8(8):20-36

【18】刘兴法.混凝土结构的温度应力分析.北京:人民交通出版社,1991,115-210 【19】龚召熊.水工混凝土的温控与防裂.北京:中国水利水电出版社,1999,150-180 【20】张嵩,金玮,赵鸣等.高层建筑结构温度内力的计算.结构工程师,1996,29(3):
30.33

【21】宋丽,杨政,吴胜兴.钢筋混凝土框\排架结构温度伸缩缝研究.工程力学增刊, 2001,21(1):612?617 【22】汪胡烈,周岱.各种温度变化对高层建筑结构的影响.山东矿业学院学报,1994,
30(1):61-66

【23】夏勇,裴若娟.高层剪力墙结构温度应力初探.建筑结构,2000,20(2):8-11 【24】王铁梦.建筑物的裂缝控制.上海:上海科学技术出版社,1993,150-157 【25】樊江,陶燕.框架结构温度应力的简化计算及裂缝控制.工程力学增刊,2000,
10(1):419—424

【26】樊江,陶燕,王汝鹏.框架结构温度应力变形计算及构造措施.昆明理工大学学
报,2000,25(1):4—9

【27】谢靖中,谢查俊.超长结构整体温度作用的理论解,工程力学增刊,2000,21(1):
488.424

【28】陈淮,赵娟,李天.季节温差作用对超长高层建筑的影响.郑州大学学报(工学 版),2006,27(4):25?28 【29】赵海东,赵鸣,沈水明.超长钢筋混凝土结构的温度响应.四川建筑科学,2000, 2(44):7-10 【30】赵娟,陈淮,李天.超长高层建筑结构温度作用计算工况探讨.郑州大学学报(工 学版),2003,24(3):37.40 【31】赵娟.超长高层建筑结构温度问题研究.【郑州大学硕士学位论文】.郑州:郑州大
学2002:8.15

【32】章熙民,任泽霈.传热学.北京:中国建筑工业出版社,2002,27—35 【33】Mirambell
E,Costa J.Thermal stresses in composite bridges according to BS

5400 and ECl.Proceedings of the Institution of CiVil Engineers,Structures and

Buildings,1997,122(12):281?137

【34】Chang

S P;

Im



K.

Thermal behaVior

of

composite

box-girder

bridges.

钢框架.钢筋混凝十简体结构温度效应研究

PrOceedings

of the Institution of

CiVil

Engineers,

Structures and Buildings,

2000,140(2):117-126 【35】Shushkewich,K、Ⅳ.Dedign J0urmal.1998,143(4):120?137 【36】Elbadry
M M,Ghali A.Temperature Variations in
concrete bridges.Journal

of

segmental bridges

fof themal

gradient.PCI

of

Structural

Engineering,ASCE,1980,109(10):235?237

【37】中华人民共和国国家计划委员会.GB50019.2003.采暖通风与空气调节设计规
范.北京:中国计划出版社,2003,14.25

【38】孔祥谦.有限单元法在传热学中的应用.北京:科学出版社,1998,50.57 【39】康为江.钢筋混凝土箱梁日照温度效应研究.【湖南大学硕士学位论文】.长沙:
湖南大学,2000,32.49

【40】李全林.日照下混凝土箱梁桥的温度场和温度应力研究.【湖南大学硕士学位
论文1.长沙:湖南大学,2004,10.56

【41】邵红艳.结构温度场和温度应力场分析.【西北工业大学硕士学位论文】.西安:西
北工业大学,2001,8.14

【42】王铁梦.工程结构裂缝控制.北京:中国建筑工业出版社,1994,150.158 【43】朱伯芳.有限单元法原理与应用(第二版).北京:中国水利水电出版社,1998,
1.50

【44】樊小卿.温度作用与结构设计.建筑结构学报,1999,20(2):43.50 【45】杨丽,韩波,郭志恭.在高层建筑结构设计中如何考虑温度竖向作用.基建优化, 2001,22(2):32-35 【46】李鸿猷.高层建筑结构日照影响的研究.工程力学,1990,7(3):65.80 【47】屠成松(编译).高层房屋空间结构译文集(三).同济大学科技情报站,
1983,21—31

【48】李鸿猷.高层建筑结构日照影响探讨.建筑结构学报,1989,10(3):56.68 【49】候忠良.大连世界贸易大厦钢结构设计与施工.北京:中国建筑工业出版社,
2003.10.21

硕上学位论文





湘江畔,麓山旁,转眼我己在湖南大学学习生活近三年。回首这三年的美好 时光,心中充满无限感激之情。千年学府深厚的文化底蕴、浓郁的学术气氛和优 美的自然环境,使我终身受益,能够在湖南大学土木工程学院学习是我毕生的荣
幸和骄傲。 首先感谢我的导师汪梦甫教授,三年来,汪老师以其严谨的治学态度、亲切

的言传身教、渊博的学识、忘我的工作精神感染和激励着我,使我在学习中渐渐 领悟科学研究的乐趣,从论文的选题到最终完稿,无处不渗透着汪老师悉心的指
导和孜孜不倦的教诲。 感谢我的家人,他们在精神和物质上无私的关爱与支持,给了我莫大的信心

和鼓励。寸草之心难报三春之晖,家人的期望是我永远前进的动力。 感谢诸师兄(姐)弟(妹),学习问题上的诸多请教和相互讨论使我受益非浅,
论文撰写过程中所给予的无私帮助和鼓励使我感动万分。 最后,感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友。

洲辉辉 2008年5月

钢框架-钢筋混凝土筒体结构温度效应研究
作者: 学位授予单位: 洲辉辉 湖南大学

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