摘要：随着城镇化进程不断发展，尤其是一线城市建筑用地稀缺性问题不断凸现，同时促进了超高层建筑的快速发展。本文对超高层建筑结构设计中温度问题进行研究分析。
关键词：高层建筑；建筑结构；温度设计；研究分析
前言
为减少混凝土材料的收缩及温度变化所带来的长度变化对超高层结构的危害，可在结构中设置温度伸缩缝，伸缩缝宽度一般为50mm。但是，由于地震引起的结构在伸缩缝处的破坏现象较多，而伸缩缝按抗震缝宽度设计又会给防风、防水和保温等建筑构造带来许多问题。另外高层建筑形态复杂，不同部位温度参数很难准确确定，计算高层钢筋混凝土结构温度应力存在着很大困难，这就使得研究和工程设计人员采取简化的计算方法，得出的结论粗糙。
一、混凝土结构温度应力分析研究
混凝土作为一种建筑材料自问世以来，迄今己有一百多年历史，它是现代最重要的工程结构材料之一。由于混凝土结构具有许多优越性能，例如易于加工成型、能耗低、耐久性好、与钢材结合可以组成各类不同特性的承重结构，并适宜于大规模生产和施工工业化，所以被广泛应用。但混凝土的抗拉强度远小于它的抗压强度，抗裂性较差，这是混凝土的主要缺点。在施工阶段，混凝土在空气中结硬，释放大量的水化热，体积收缩产生拉应力，会引起裂缝的出现和发展。同时，置于自然环境的混凝土结构，长期经受自然界气温的变化和日照辐射等剧烈作用，由于混凝土结构的热传导性能差，其周围环境气温以及日照辐射等作用，将使混凝土结构表面温度迅速上升（或降低），但结构的内部温度仍处于原来的状态，在混凝土结构中形成较大的温度梯度，结构的各部分处于不同温度状态，从而产生温度变形，在结构的内、外约束作用下，该变形将引起相当大的温差应力了。在日益增多的大跨、高耸、薄壁等混凝土工程结构中，由于这种温度变化产生的温度应力常常会引起结构开裂，有的甚至发生平重裂损，影响结构的正常使用。因而，温度应力问题一直是研究和工程设计人员关注的重要课题之一。
近几十年来，国内外对混凝土结构的温度应力问题，开展了一系列现场试验观测和理论研究。文献总结国内外研究成果，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。书中指出混凝土结构的温度应力，实际上是一种约束应力，当结构由于温度变化而产生的变形能自由地伸缩时，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，因纤维间的温度不同，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。内约束应力和外约束应力也可称为篇部温度应力和整体温度应力。正因为混凝土结构的温度应力具有如此多非线性、不规律的特征，虽然对它的研究工作己经开展多年，但仍有许多问题有待继续研究。
二、高层建筑温度应力分析方法
随着建筑业的迅猛发展，“超长”的高层建筑物不断出现，国内外对随之而来的超长结构温度应力问题也开展了研究，目前，己取得了很多成果，但由于超长高层建筑一般体型复杂，且计算温度参数有许多不确定性，使得这个领域的研究工作多停留在采用简化手算方法进行计算或温度应力的定性分析阶段。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。
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对高层建筑竖向温度内力的考虑，主要是在两方面：其一是整体温度内力，由不同构件间的温差所引起，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：其二是局部温度内力，由外表构件自身的内外表面温差所引起。温度作用的计算主要通过等效稳态传热法、指数曲线法、线性分布法三种方法来确定，这三种方法各有特点，应根据具体情况进行选用。若只进行局部构件或小型简单结构的温度应力计算，可以应用前两种方法求解出结构内部确切的温度场分布，但使用这两种方法确定相关温度参数难度较大，计算工作繁杂，不适用于整体结构温度应力分析。若进行结构整体温度计算，则采用线性分布法来近似确定结构的温度场分布，虽然这样简化分析会带来一定的误差，但这种误差是在工程计算的误差允许范围之内，对计算结果分析影响不大，因此线性分布法在高层建筑的温度作用计算中被广泛采用。
三、超长高层建筑温度应力分析
3.1局部构件的温度应力求解
文献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，计算模型分别选角梁、板单元来模拟实际结构中的梁、板等构件，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SAP、ANSYS等通用有限元程序分析结构在温差作用下的应力。文章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的是考虑徐变应力的（5.2倍或5.7倍）。
3.2温度应力的简化手算方法
文献提出了多层钢筋混凝土框架温度收缩应力的计算方法，文中认为整个框架的所有杆件在温差及收缩作用下都将产生变形，框架各柱的垂直变形是自由的，不引起温度内力，而水平构件的横向变形受到柱子的约束，在整体框架内引起温度应力。把促使柱顶产生单位侧移所需要的推力作为度量柱子对横梁的约束程度，称之为“侧移刚度”，分层法因其概念清晰，计算简单，是一种方便可行的温度应力手算方法，但由于采用这种方法要求建筑形式统一，便于简化，因此该方法适用范围受到相当大的限制。再者，分层法只能计算建筑物框架梁柱部分的温度应力，而无法考虑屋楼面和剪力墙的温度效应，以及它们与主体框架之间的相互作用，这样所得的计算结果不能反映整体结构的温度效应。所以分层法只适合于结构形式简单的框架结构温度应力计算，或复杂高层建筑温度应力计算的初期估算工作。
3.3有限元法
有限元方法是力学与现代计算技术相结合的产物，是力学对人类科学发展和技术进步的巨大贡献。以强大的计算机软、硬件技术为后盾的大规模有限元程序系统是CDA、CAE、CMA技术得以蓬勃发展的基础和不可缺少的重要内容。有限元分析技术作为一种运用计算机工具的数值分析方法已经取得了巨大的成功，其应用的领域亦己从力学分析拓展到各类物理场的分析（如温度场、电场、磁场、渗流场、声波场等），从线性分析发展到各类非线性分析，从单一的场分析发展到若干个场的祸合分析。其成功的另一标志就是出现了大量的有限元分析的商品软件。其中著名的有限元结构分析软件如NASTRAN，ANSYS，ABQUS，DYNA3D，NIKE3D，WECAN，ADNIA，SAP系列与COSMOS等己在全世界广泛被应用。
结语
综合分析上述文献，可以发现计算方法各有特点，也各有其适用范围。手算方法计算简单，结果易于分析，适合于形式单一、布局规则的多层框架结构温度应力计算，并可以借此方法进行一般结构温度分析的前期估算工作。有限元分析方法以其强大的计算能力已经被广泛应用于结构温度应力分析，但就目前的研究成果来看，多是针对结构的局部构件进行研究，或是对整体结构的温度应力进行定性分析，很少有定量给出温度应力大小范围的文章。
论文作者:汪锦燕
论文发表刊物:《基层建设》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/8
标签：应力论文; 温度论文; 结构论文; 温差论文; 构件论文; 混凝土论文; 内力论文; 《基层建设》2017年第11期论文;