混凝土结构设计中考虑温度作用组合的研究

张建荣

(同济大学职业技术教育学院 上海 200092)

*

刘照球

(同济大学土木工程学院 上海 200092)

华毅杰

(上海市浦东新区建设局 上海 200135)

摘 要:通过分析自然界温度变化的一般规律,分析引起结构温度作用的主要气象因素,描述了日照辐射、气温、风速的基本变化规律,对日照温差、骤然降温等温度变化对桥梁结构、建筑结构、大体积混凝土结构、特种结构等混凝土结构的影响进行了研究和总结。针对现行混凝土结构设计规范中对温度作用只是采取构造措施的现状,提出了在混凝土结构设计中考虑温度作用组合的建议。 关键词:混凝土结构 温度作用 结构设计 温度效应组合

RESEARCHONTEMPERATUREEFFECTCOMBINATIONINTHE

DESIGNOFCONCRETESTRUCTURE

ZhangJianrong

(InstituteofVocationalInstructors,TongjiUniversity Shanghai 200092)LiuZhaoqiu

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity Shanghai 200092)HuaYijie

(ConstructionDepartrnentofPudongNewArea Shanghai 200135)

Abstract:Afteranalyzingthegeneralregulationoftemperaturechangesinnature,someclimatefactorsthatinfluencetemperatureeffecttostructureareanalyzed.Theclimatefactorsaremainlysunshineradiation,thetemperature,thewindspeed.Theresearchaimedatthereactionofdifferentconcretestructures,suchasbridgestructure,buildingstructure,themassconcretestructureandspecialstructure,totemperaturechangescausedbythesunshinetemperaturedifferenceandbysuddendecreaseoftemperature.Consideringthesituationthattemperatureeffectisonlyconsideredbyconstructionaccordingtothepresentdesigncodeofconcretestructure,itisproposedtoconsidertemperatureeffectcombinationinthedesignofconcretestructure.

Keywords:concretestructure temperatureeffect structuraldesign temperatureeffectcombination

0 引 言

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。过去在混凝土结构耐久性分析中较少考虑环境温度变化的效应。最近二十余年来,随着经济的快速发展,混凝土结构不断向薄壁、高耸、大跨、预应力方向发展,温度效应已成为国内外工程界关注和重视的问题。

就混凝土工程结构来讲,产生温度效应的自然温度变化,一般可分为以下三种类型:1)日照温度变

1No1,2007

化;2)骤然降温;3)常年温度变化。日照温度变化和

骤然降温与常年温度变化相比,有其不同的特点(见表1)。

实测和研究表明,短时的太阳辐射、骤然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。由于常年季节更替所引起的混凝土结构温度变化,因其是长期的缓慢作用,使得结构物整体发生均匀的温度变化,所引起的温度应

*国家自然科学基金资助项目(批准号:50378067)。

第一作者:张建荣 男 1962年5月出生 教授 工学博士 哲学博士

E-mail:zhangjr@http://

收稿日期:2006-02-23

工业建筑 37期

力较少,且这一因素在工程结构设计中已通过构造措施考虑,所以在此不再赘述。本文在分析引起混凝土结构温度变化主要气象参数的基础上,着重对

日照温度作用和骤然降温温度作用进行了研究,提出了在混凝土结构设计中考虑温度作用组合的建议。

表1 温度变化及结构效应

Table1 Temperaturechangeandstructuraleffect

变化类型日照温度变化骤然降温常年温度变化

气候条件太阳辐射强冷空气季节更替

时间性短时急变短时变化长期缓慢

作用范围阳光辐射面空气接触面结构整体

分布状态不均匀较均匀均匀

结构效应局部应力大应力较大整体位移大

复杂性最复杂较复杂简单

1 引起结构温度效应的主要气象参数

自然环境中导致结构温度效应的气象要素主要有日照辐射、气温变化、风速等。下面简单讨论其一般的变化规律。111 日照辐射变化规律

日照辐射强度与大气透明度、日云量分布、大气压力、地理位置、季节等因素有关。出现日最大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、大气透明度好,同时,这种辐射日大都出现在夏季。图1为按照5暖通空调规范6附录3所给的北纬30b地区数据计算得到大气透明度等级为一级时太阳辐射强度日分布过程。由图1可以看出,10:00~14:00是辐射强度最大的时间段,14:00以

后辐射强度逐渐减弱。

[1]

112 气温变化规律

在一年当中,每一天的气温变化规律,除了某些日子发生天气气候的突变以外,一般都是较为一致[3]

的。图2为以上海各季节标准化日气温变化为例子的曲线图(上海市气象档案馆提供数据)。由图可见,气温变化可分为三个阶段,自6:00~14:00为升温阶段,自14:00~24:00为迅速降温阶段,0:00~6:00

则为缓慢降温阶段。

图2 日气温变化规律

Fig.2 Thelawofdailytemperature

change

113 风速变化规律

理论上讲,风速等于零时,可得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。风

图1 一级透明度时统计的太阳日辐射强度变化规律

Fig.1 Statisticallawofchangeinsunshineradiationintensityatfirst_ordertrunsparency

速的变化是随机的,但又有一定规律性。图3给出了我国南北方向四个主要城市气象站测得的年平均

[4]

风速日变化曲线,可以看出一天中风速的变化规律。在陆地上,一般风速以午后为最大,因为下垫面最热,对流旺盛,高空下传的动量也最多。日落前的16:00~19:00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

朱伯芳院士在分析日照对建筑结构的影响时,对于阴天的太阳辐射热提出了以下计算公式:

S=S0(1-kn)

(1)

式中,S为阴天太阳辐射热;S0为晴天太阳辐射热,由当地气象站提供;n为云量,由当地气象站提供;k为系数(见表2)。这为阴天的太阳辐射热计算提供了一个实用的计算方法。

表2 系数k值

Table2 Thevalueofcoefficientk

纬度P(b)k纬度P(b)

k

750145350168

700150

300168

650155

250168

600160

200167

550162150167

500164100166

45016650166

40016700165

[2]

图3 四个主要城市年平均风速日变化Fig.3 Dailychangesinannualaverage

windspeedsin4maincities

),

出后因近地气层不稳定而风速又迅速增大,10:00~11:00即达到峰值附近,11:00至16:00是全天风速最大的时间段。

2 日照温度变化对混凝土结构的影响

工程结构物的日照温度变化很复杂,影响因素众多,主要有以下几个方面:太阳的直接辐射、天空辐射、地面反射、气温变化、风速等等。在工程结构物的内外表面处,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,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,是一个复杂的随机变化过程。211 桥梁结构

桥梁结构受日照温度变化的影响很大,这是因为桥梁结构大多为预应力混凝土大跨箱梁结构,且长期暴露在日照辐射的范围内。刘兴法根据大量的实测资料分析,得出以下结论:在桥梁结构物所在地的地理纬度、方位角、时间及地形条件确定的情况下,影响结构日照温度变化的主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速。但若从应用的角度考虑,为了求得日最大表面温度,风速这个因素可以忽略,因为风速为零是工程结构表面温度达到最大值的最不利状况。这样从设计控制温度作用考虑,影响结构表面温度的因素实际可简化为只有太阳辐射与气温变化这两个因素。

张在对浙江衢州320国道某一改建工程中的钢筋混凝土连续箱梁桥出现裂缝这一现象进行研究分析时,认为日照温差对结构的影响是造成裂缝的主要原因,且这种影响是瞬时的、不均匀的。汪剑

[7]

[5]

四种不同的温度分布,导出了组合梁顶、底面之间的最大温差的近似方程,继而在进行实桥观测的基础上,指出沿混凝土结构内部的温度分布是非线性的。

康为江对混凝土箱梁日照作用下的温度场分布、温度应力计算及温度裂缝控制进行了系统分析,实测了试验模型在日照作用下的温度效应,利用有

限单元法分析了箱梁日照竖向温度梯度规律,总结了日照温度应力形成机理和计算方法。分析了各种物理和几何参数对温度场和温度应力的影响,从而对钢筋混凝土箱梁桥的温度裂缝的控制提出了一些参考性的意见。

对于桥梁结构的日照温度裂缝特点可简述如下:日照温度影响遍布整个结构,温度裂缝一旦产生就是大量的和普遍的;温度作用是长期交变的,这就导致温度裂缝陆续产生并可在结构的长度、宽度方向不断发展;日照温度效应大小随日照强烈程度而变化,反应在裂缝宽度上一般是呈现出夏天较宽、冬天较窄、白昼较宽、夜间较窄的开合现象。

212 建筑结构

高层建筑在日照直接辐射下,外墙随层高的变化温度不同。在高层建筑楼群附近,由于受到太阳直接照射的时间和部位不同,局部气温也有明显差异。一般情况下,贴近地面的外墙附近的空气温度往往比高处空气温度增长更快。结果可以使上下层的空气温差达到1e以上。另外,当环境风速较大时,即为混合对流时,由于不同高度处的风速不同,在外墙与空气温差较大时(比如在建筑西墙,在太阳辐射较强的时段内,二者温差可达10e以上),将直接导致外墙和周围大气的对流换热效果不同,结果底层温度高于上层,环境风速越大,高层与底层(特别是一二层)之间的温差越大。

傅学怡

[10][9]

等结合湖南衡阳东阳渡湘江大桥的实测资料,认为日照辐射使得裸露在大气中的混凝土箱梁在其内部产生了极不均匀的温度场,证明在日照作用下,箱梁沿截面高度和宽度方向存在着较大的温差,并且呈非线性分布。这种情况,对于跨越河流的桥梁来说更为明显。因为底翼缘靠水面较近,且太阳直接辐射无法达到,因而温度较低;上翼缘通常集中吸收阳光的辐射,表面温度较高。研究显示在24h内上下翼缘的等效温差可达10~15e,这将引起结构内部很大的内力变化。

凯尔别克认为,预应力混凝土桥梁结构的损坏,其中特别是箱梁结构腹板中的裂纹,往往可以归结为日照辐射的影响。他详细地论述了日照辐射、大气长波辐射等因素对桥梁结构各部分表面温度的影响,分析了辐射气温、外界气温及结构表面温度等各种计算参数。Zuk[8][1]

在计算高层建筑竖向温差内力时,将

随季节变化的日照辐射造成的温差分为两类,一类

是外表构件自身内外表面的温差,称为局部温差;另一类是外表构件中间面和室内构件中面间的温差,称为整体温差。将局部温差简化为在截面上呈线性分布,利用变形协调原理,同时考虑混凝土徐变应力松弛特性,计算整体温差下的温度内力及变形。他的分析表明,温差和建筑物的高度是高层建筑温度应力的控制因素。

李鸿猷

[11]

通过系统的分析混凝土(包括框架、

框架-剪力墙结构)高层建筑,提出了竖向和水平向的日照温度应力、房屋顶端日照位移实用的计算方法。何文忠

[12]

对混凝土屋盖在日照作用下温度场

工业建筑 37期

由气象资料估计出组合梁的分布、温度应力计算以及裂缝控制等进行了较为系

统的分析,提出了屋盖日照温差分布曲线的经验计算公式以及控制措施。

3 骤然降温对混凝土结构的影响

骤然降温主要有以下两种类型,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特征。一般骤然降温是指日平均气温在数日之内(2~6d)急剧下降(降幅超过5e),这是引起混凝土结构裂缝的重要原因之一;二是日照降温,由于日落或阴天等因素致使结构外表面温度迅速下降,形成较大的内高外低的温差状态。这两种降温温度变化,一般只要考虑气温变化和风速这两个因素,可以忽略日照辐射的影响。在这两种降温温度作用中,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1ePh,最大降温速度为4ePh,比日照升温速度10ePh要小得多。311 桥梁结构

对于桥梁结构来说,一般情况下,寒流降温不会使桥梁结构发生弯曲变形,因为在寒流降温时,沿桥长方向的温差分布是均匀的,且沿梁周围的温差分布也可以认为是均匀的。但由于箱梁在横断面上沿板厚方向的温差分布是非线性的,则产生相应的框架约束应力。对东北地区实测资料的分析表明,由于寒流降温引起的壁板温差可达10e以上,由此产生的拉应力比日照降温时产生的拉应力要大些,所以,寒流降温是桥梁结构温差应力计算的控制因素。

312 大体积混凝土结构

大体积混凝土具有结构厚、体形大、混凝土浇筑数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点,由于截面尺寸大,由外荷载引起裂缝的可能性很小。造成大体积混凝土开裂的主要因素是混凝土内部温度与外界气温存在较大温差,混凝土内部温度取决于它本身贮存的热能,在一般情况下,浇筑后混凝土的温度与外界环境有温差存在,新浇混凝土与周围环境之间产生热能交换。混凝土内部温度是入模温度、水泥水化热引起的绝热温度与混凝土浇筑后的散热温度三者的叠加,其变化规律是由低到高,又由高到低。当新浇筑的混凝土与外界气温存在较大的温差,产生的温度应力超过此时的混凝土抗拉强度时,就会造成混凝土表面开裂,如不加以控制,裂缝就会向深层发展。另外,新浇混凝土与下层浇筑好的混凝土在一起,在温度变化时,受到下层混凝土的限制,会产生外部约束应力,约束应力若超过混凝土

),[5]

的抗拉强度,新浇筑的混凝土将会由下至上出现垂直裂缝。因此,在大体积混凝土施工和养护阶段,一定要注意外界气温的变化,此时,应及时了解天气气候的变化,一旦有寒流或台风来临,就必须加强混凝土表面的保温养护,以降低内表之间的温差,使其不超过25e。可以采取在混凝土浇筑12h后表面覆盖一层塑料薄膜和一层草袋子,并设专人三班养护,每两小时洒水一次,洒水只须淋湿草袋子即可。工程实践证明,塑料薄膜加草袋子的保温保湿方法是一项简便、经济、有效的措施。313 特种结构

火电厂的烟囱一般为钢筋混凝土圆形结构,烟气温度引起的内外壁温度差异一般较大,由于烟囱内的不稳定热流,使混凝土结构中各部分处于明显不同的温度状态,烟囱的每一部分随着温度的急剧升高和急剧下降处于膨胀或收缩变形状态,产生的应力当超过一定值后,烟囱将产生严重裂损,给结构带来严重的危害。赖一飞

[13]

[2]

运用有限元仿真模型

对大型火力发电厂烟囱的温度场、温度应力进行了比较系统的分析。得出了烟囱筒体的温差随高度变化的关系曲线,并根据相应的温差对烟囱的温度应力进行了计算,得出了火电厂烟囱混凝土结构的温度应力沿其高度的变化曲线,给烟囱的设计和施工提供了一定的参考。

烟囱的温度场的计算模型应分为夏季运行期与冬季运行期两个阶段

[13,14]

。夏季运行期,日照辐射

强度高,筒体的内外温差不至很大,且因日照辐射引起的温度变化形成的变形呈反拱形,其变形与由于自重与烟气温度荷载形成的变形在总体上是相互抵消的,即在夏季烟囱的温差效应得到了有利的平衡。冬季在冷空气的侵袭作用下,外壁的混凝土迅速降温,筒身形成内高外低的温度分布,温度差值也很大,因此,冬季的骤然降温为烟囱混凝土结构的最不利温度荷载工况。

4 结 语

目前,温度应力问题已经引起了国内外工程界的关注与重视,我国在长期研究的基础上,在铁路桥涵设计规范中已纳入了预应力混凝土箱梁的温度应力的计算方法,但是在混凝土结构设计规范中所涉及的温度作用问题,仅仅作构造处理,笔者认为这是不够的。本文从气候参数变化的一般规律出发,综述了国内外在混凝土结构中对日照温度变化、骤然降温温度变化的研究现状,认为温度作用对混凝土结构耐久性的影响已不容忽视,在混凝土结构设计

中应能像处理荷载那样考虑温度作用组合,对结构的温度应力和变形进行全面的分析。

参考文献

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10 傅学怡.高层建筑竖向温差内力简化计算.建筑结构学报,1993

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11 李鸿猷.高层建筑结构日照影响的探讨.建筑结构学报,1989

(3):52-68

12 何文忠.钢筋混凝土屋盖日照温度应力计算与控制研究:[硕士

学位论文].长沙:湖南大学,1999

13 赖一飞.火电厂烟囱温度荷载及应力分析.武汉水利大学学报,

1999(增刊):109-112

14 王透逸,张平生.特种结构.北京:地震出版社,1997:169-179

(上接第11页)

对结构的整体稳定性有了进一步认识,探讨了初始几何缺陷的施加方法,较全面地考虑了初始几何缺陷对张弦穹顶结构的影响。可以为同类工程提供相应的借鉴,也为今后相关规程的编制和完善提供相关信息。

本工程稳定分析中有两个重要的系数:构件的计算长度系数和整体稳定系数,目前还只能依据单层网壳的相关规定取值,使张弦穹顶结构的优越性未能得到充分体现。这方面的研究成果对工程实践至关重要。

参考文献

1 MamornKawaguchi,MasarnAbe,IkuoTatemichi.Design,Testand

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3 张 超.让奥运羽毛球馆/刚柔并济0.科技日报,2006-03-03(1)

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8 张名山,董石麟.弦支穹顶初始预应力分布的确定及稳定性分

析.空间结构,2004,10(2):8-129 GB50017-2003 钢结构设计规范10 JGJ61-2003 网壳结构技术规程

12 GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范13 CECS21B2006 预应力钢结构技术规程

#书 讯#

5桩基与深基坑支护进展6出版

由北京市建筑工程研究院沈保汉教授级高级工程师、资深基础工程专家撰写的5桩基与深基坑支护技术进展6一书于2006年10月正式出版。该书是沈保汉教授近30年发表的论文、技术讲座和论著的选集,总字数近180万字。

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