温度作用

——温度对建筑结构及建筑材料的影响

摘要：通过对温度对建筑结构，材料的影响，以及结构在温度下的受力状况，可以看出温度在结构的作用原理。

关键字：温度，高层结构，混凝土，钢筋，受力计算

一.温度对高层建筑结构的影响

建筑结构中因收缩与温度效应引起裂缝的情况相当普遍．在实际工程中，有些结构超出规范规定间距而无裂缝出现，又有些结构符合规范规定间距而出现裂缝的情况仍为数不少，有的还很严重．常见的有屋面结构的裂漏，砌体结构房屋的内纵、横墙的裂缝及剪力墙产生的裂缝，影响了结构的正常使用，降低了结构的耐久性．梁柱在温度效应下的位移及墙体的变形，可使建筑的饰面及窗户有所损坏，在外观上造成不良影响．实际上温度应力是一种广泛存在于建筑结构中的内力，尤其对高层建筑的作用。下面谈谈温度对高层建筑的具体影响。

柱外露对多高层房屋的影响

近年来，为了在建筑建成了大量的多高层住宅和办公大楼．这些楼房的外柱或是部分外露，或是全部暴露于大气中，当外露柱受外界季节温度变化的影响时，对应于在受控环境中的柱长保持不变的内柱来说，外露柱的长度将发生变化．若房屋低矮，则只是个无关紧要的结构问题而允许忽略这一影响．然而，对于外柱是部分外露或完全外露的较高的房屋来说，温度应力将成为一个十分重要的问题应加以考虑．

钢筋混凝土多高层框架的温度变形

温度作用的类型

由于自然条件变化所产生的温度作用主要有以下三种类型：
　　(1)日照温度作用
　　(2)骤然温变的温度作用
　　(3)年气温变化温度作用
　　在温差作用下，各层梁板受温度变化而伸长或缩短．但结构某些部分(如基础之上的框架)受到刚度很大的约束，从而产生较大的内力，称为温度内力或温度应力．温度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各构件之间因温度不同产生不同的变形受到约束所产生的应力．在室内外温差较大的情况下，结构外围构件与室内构件之间相互约束，也会产生较大的温度应力和温度变形．在太阳辐射下，建筑物受晒面与背晒面之间的温差也会使结构产生温度应力和变形，多高层建筑会产生弯曲变形，其顶部将会产生较大的位移．

温度荷载
　　

结构在实际使用过程中承受的作用包括直接作用(荷载)或间接作用(如地基变形、混凝土收缩、温度变化等)两大类．直接作用有静荷载、动荷载和其它荷载．工程实践中结构所产生的裂缝，80%左右是由间接作用所引起的．既结构在温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素作用下引起的变形，当变形得不到满足就产生应力，应力大小与结构的刚度有关．
　　工程结构的温度荷载是因气候条件而产生的．由于气候条件有明显的时间特征，因此工程结构中的温度荷载是一个随时间而变化的函数，加之工程结构的温度分布在几何上又是多维的，所以，分析求解这类温度荷载很复杂．若要求得一个严格的函数解是不可能的．现有各种计算方法求解结果，无论在物理上还是在数学上都具有一定近似性，但在工程应用中较为复杂．精确分析的基础上，现采用以下方法来简单定温度荷载．温度荷载实际上是由于砼结构产生温度变形，又受外内力约束，对结构产生的反约束力，计算公式为：
　　　　 P=EFε=EFαΔT

式中E为弹性模量，F为构件截面面积，α为混凝土线膨系数，ΔT为温差．温差ΔT的确定由以下三式来定．

(1)日照温差Tr

(2)季节温差Ty

(3)骤然温差Tx　

在工程实际中，考虑到温度应力，在平均温差与收缩作用下，只计算与基础相接的下部二层；当计算太阳辐射时，只计算顶部两层．据此，我们已能算出整个多高层框架结构底部和顶部两层的变形

图1　多高层钢筋混凝土框架

(1)外露柱的变形较大，故取出边框架中具有代表性的两类节点(如图2，图3)按三维空间问题研究，计算出在温度作用下该两类节点的应力、应变及变形，据此计算结果考虑是否增加钢筋及需增加钢筋量的大小、钢筋放置的具体位置．

图2　第一类型节点

　图3　第二类型节点

(2)仅考虑节点处的钢筋砼框架梁柱的内力是不够的．因为多数较密较宽的裂缝出现在屋面板及以下一层楼板，造成严重的渗漏现象，故在1的基础上考虑屋面板或以下一层楼板，计算模型见图4．

图4　加入屋面板的分析模型

(3)外露柱的热变位会导致楼面的翘曲，因而又将引起隔墙的变位．柱在层间范围内的缩短会引起隔墙的转动，图5．另外，由于隔墙的类型和约束不同可能引起隔墙裂缝，图6．所以在考虑1，2的基础上也应该考虑隔墙的影响作用．计算模型见图7．还可进一步研究外墙上开窗对隔墙裂缝及节点处梁柱的影响的大小情况．

图5，图6　隔墙的转动及歪斜

图7　加入隔墙的分析模型

实例：“9.11”恐怖袭击中，世贸大厦倒塌的原因很大程度上是因为温度的原因。

由于温度的骤然上升，达到钢筋的熔点。造成强度下降，使得在大火的“烘烤”下，撞击点的上部产生强烈的膨胀，由于顶部是自由端，膨胀得大一些，于是，形成一个“大漏斗”四周的墙体成了漏斗的倒锥形壁，而原先墙体内部的所有物质，就顺着漏斗直泻而下。

050935