温度应力分析 黄吉锋

1、结,构,温,度,效,应,黄吉锋,编写,中国建筑科学研究院软件所,基准温度场,T0(x,y,z),?,基准温度场的定义：,在不考虑任何荷载的情况下，结构在某温,度场,T0(x,y,z),作用下处于自平衡状态，如果结,构的当前构型与其初始设计构型完全相同,(,点点,重合,),，则称,T0(x,y,z),为该结构的基准温度场。,?,结构在基准温度场作用下：,1,）相对于初始构,型没有任何变形；,2,）所有构件均不产生内力,或应力。,?,基准温度场在理论上是存在且唯一的,基准温度场,T0(x,y,z),?,对于混凝土结构，其基准温度场,T0(x,y,z),可以,近似,取为混凝土的,终凝温度场,。,?,

2、对于钢结构，如果在建造期间不产生装,配应力，或者即便有装配应力但在本次,分析中不考虑，,则结构建造期的温度场,即可取为基准温度场。,基准温度场,T0(x,y,z),?,如果钢结构中存在显著的装配误差、装配应,力，并需要用等效温差场进行模拟，则在确,定基准温度场时，应计入装配误差的影响。,比如一根初始设计长度为,L,的钢杆件，因为制,造误差，实际长度为,L+,L,，换算成等效基准,温度的增量为：,或者说，为考虑此装配应力，基准温度还应,叠加上该温度增量,),(,L,L,L,T,?,?,?,?,?,?,?,T,?,基准温度场,T0(x,y,z),?,对于钢,-,砼混合结构，钢结构部分和混凝,土结构

3、部分的基准温度场分别按照钢结,构和混凝土结构确定。,温差场,外部,外部,外部,内部,内部,温差场,?,外围梁、柱、墙温差,0,2,T,T,T,T,?,?,?,?,内,外,温差场,?,顶层屋面梁、板温差,0,2,T,T,T,T,?,?,?,?,内,外,温差场,?,结构内部构件温差,0,T,T,T,?,?,?,内,砼收缩的当量温差场,?,砼在龄期,t,的收缩应变,?,砼收缩的当量温差场,0,),01,.,0,ex,p(,1,s,s,t,?,?,?,?,?,?,?,s,s,T,?,?,?,温度应力调整及组合,?,因温度应力分析采用的是瞬态弹性方法,1,）为考虑砼的徐变应力松弛,砼构件的温度内力可以,

4、乘以折减系数,0.3,钢构件不折减,温度应力调整及组合,2,）为考虑砼构件裂缝引起的刚度退化,砼构件的刚度可以乘以折减系数,0.85,钢构件不折减,温度应力调整及组合,?,温度效应的组合贡献,正常组合的附加项：,2,.,1,8,.,0,?,?,T,T,T,T,T,k,S,?,?,?,?,可以取分项系数,可以取组合值系数,温度梯度,?,所谓温度梯度，指的是温度场在构件截,面方向的变化率。它在数值上等于构件,内外（对柱）或者上下（对梁、板）表,面的温差与截面高度（或厚度）的比值。,?,温度梯度产生局部的附加弯矩，结构的,顶层及外周构件往往存在明显的温度梯,度。,温差对结构的竖向错动效应,?,内外构

5、件的温差不一致，造成结构的竖,向错动变形,?,一般顶部的若干层连接内筒与边柱的框,架梁，会产生较大的错动弯矩和剪力,?,底部若干层竖向构件（柱和墙）的轴力,会出现明显的重分配（有的构件轴压比,增大，有的构件轴压比减小）,温差对结构的竖向错动效应,错动弯矩明显,轴力重分配明显,温差对结构的竖向错动效应,?,针对温差引起的竖向错动效应，,在设计上,对于顶部几个楼层的框架梁，配筋应该适当加强；,对底部几个楼层的柱和墙，轴压比应适当从严控制，,以避免温度效应引起的轴压比超限。,可以通过对“外表构件”做好“隔热”措施，以减,小结构的外表构件温度与结构内部构件温度的差值。,温差对结构的水平伸缩效应,?,由

6、于水平构件（梁、板）的伸缩受到竖向构件（柱或墙）,的约束，引发结构的水平伸缩效应。,?,哪里约束强，哪里温度应力大，这是特点，比如：,结构下部楼层的梁、板存在较大的轴拉或者轴压力，设,计时宜考虑偏拉。,距离较近的两个剪力墙筒体之间的连接构件，温度应力,显著。,对均匀的结构平面，平面中部构件的温度应力显著,?,引发筒体和框架柱明显的弯矩和剪力,温差对结构的水平伸缩效应,强筒体之间的水平构,件，温度应力显著,温差对结构的水平伸缩效应,均匀结构平面的中部，,温度应力显著,温差对结构的水平伸缩效应,?,减小水平伸缩效应的措施,1,）砼低温入模，低温养护，尽量降低砼的终凝温度,2,）设置后浇带,(40m

7、,左右,),，避开砼收缩应变的高峰发,展期，从而有效释放大部分的收缩应力（最好,60d,后,浇筑后浇带，不少于,30d,）,3,）通过高湿度养护、减小水灰比和水泥用量、改善,水泥和砂石骨料的质量、适当提高配筋率，均可减小,砼的收缩应变,4,）改善使用环境,PMSAP,温度应力分析,?,温度应力分析是,PMSAP,程序的一个特色,?,PMSAP,具有较为完善的温度应力分析功,能，对多高层建筑中的,梁、柱、支撑、,剪力墙和楼板，,均可计算其温度内力及,变形，并且可以,把温度内力考虑到构件,配筋设计中,。,PMSAP,温度应力分析,?,温度效应对结构的影响在实际工程中经常会遇,到，可以按照前面讲过的

8、方法在结构设计中定,量考虑；,?,但由于准确确定温差场的困难性，以及混凝土,实际存在的收缩徐变、微裂缝发展等复杂情况，,很多时候通过在构造上采取措施，来避免温度,应力的不利影响。,?,但即便是构造上的定性的考虑，也需要设计者,对结构在温度作用下产生的变形和内力有一个,整体的、趋势上的把握，以明确结构上温度应,力集中的部位，从而有的放矢的采取措施。,PMSAP,温度应力分析,?,温度应力的计算一般包括两个方面：,（,1,）按照热传导理论，根据弹性体的,热学性质、内部热源、边界条件、初始,条件，计算弹性体内各点在各瞬时的温,度，也即：,决定温度场,。在,PMSAP,中，,我们不考虑这个问题，温度场

9、需要由用,户定义。,PMSAP,温度应力分析,?,（,2,）温度场知道以后，按照热弹性力,学的理论，根据各物质点的温度变化求,解其温度应力，也即：,决定应力场,，这,是,PMSAP,要着重解决的问题。,PMSAP,温度应力分析,?,PMSAP,采用有限元法计算温度应力，构件的温,度变化对结构的变形、内力的影响将等效为某,种荷载的影响，或者说，任给一种温度变化，,一定存在一种荷载，二者对结构的变形、内力,的影响完全一样，这种荷载就称为“等效荷,载”。,?,这样看来，如果能够将各种构件的温度变化的,等效荷载计算出来，接下来的分析就与通常的,分析完全一样了，所以说温度应力的分析，关,键是要把各种构件

10、温度变化的等效荷载弄清楚。,PMSAP,温度应力分析,?,一维杆件的温度等效荷载,对一维杆件，首先定义它的局部坐标系，,局部系的,x,轴定义为杆轴,y,轴和,z,轴定义为截面,的两个主惯性轴。瞬时温度场在局部系中的分,布函数可以一般地表达为：,T=f(x,y,z),。一般而,言，自由杆件在,T=f(x,y,z),的作用下将同时发生,伸缩和弯曲。,在,PMSAP,中，我们考虑一种最常,用的温度分布：温度在同一截面上不变化，只,沿着杆轴线变化，也即,T=g(x),这种温度分布将,使自由杆件只发生伸缩。,PMSAP,温度应力分析,?,设温度沿杆轴线性变化：,?,等效荷载,l,x,T,T,T,J,I,

11、?,?,?,?,?,?,?,),1,(,2,2,1,J,I,I,I,I,T,T,EA,N,N,N,?,?,?,?,?,?,2,2,1,J,I,J,J,J,T,T,EA,N,N,N,?,?,?,?,?,PMSAP,温度应力分析,?,二维壳元的温度等效荷载,以三角形壳元为例进行说明。设三角,壳所在平面为,xy,面，法线为,z,轴，同杆件,一样，我们只考虑形如：,T=f(x,y),的温度,场，这种温度场不使自由壳元发生弯曲，,只使之发生伸缩。设三角壳的温度分布为：,其中：,是面积坐标，,3,3,2,2,1,1,T,L,T,L,T,L,T,?,?,?,i,L,PMSAP,温度应力分析,?,等效荷载（等

12、效体力部分）,?,?,?,A,x,i,x,xi,At,f,dA,L,tf,P,3,1,?,?,?,A,y,i,y,yi,At,f,dA,L,tf,P,3,1,PMSAP,温度应力分析,?,等效荷载（等效面力部分）,),6,1,3,1,(,1,),1,(,1,0,j,i,ij,ij,ij,i,T,T,t,E,L,ds,s,t,L,P,?,?,?,?,?,?,?,?,?,),3,1,6,1,(,1,),1,(,1,0,j,i,ij,ij,ij,j,T,T,t,E,L,ds,s,t,L,P,?,?,?,?,?,?,?,?,?,PMSAP,温度应力分析步骤,1,）用,PMCAD,或者,STS-1,建立

13、结构模型。,2,）进入,PKPM,的“,PMSAP,”,主菜单，然后进入“补充建模”，点取“温,度,荷载”菜单，在此定义各个楼层的各节点的温度变化值。,3,）执行“接,PM,生成,PMSAP,数据”,4,）进入“参数补充及修改”菜单，点取“参数修改,-,总信息”，按照需,要修改“温度荷载参数”，包括,砼构件效应折减系数，温度荷载组合系,数，弹性模量折减系数,等。,5,）执行“结构分析与配筋计算”,6,）进入“分析结果的图形显示”察看计算结果，包括温度荷载产生的结构,变形、构件内力以及考虑了温度荷载组合的构件配筋结果。,全楼定义弹性膜,指定节点温差,PMSAP,温度应力分析注意事项,PMSAP,

14、温度应力分析注意事项：,1,）所有楼板均应定义成弹性膜,2,）剪力墙应采用细分模型,3,）混凝土构件的温度效应宜指定折减系数,一般取为,0.3,4),如果用温度模拟砼收缩，应作为一个独,立工况，且相应温度工况的属性应指定,为“砼收缩”,5),如果用温度模拟预应力张拉，也应作为,一个独立工况，且相应温度工况的属性,应指定为“预应力”,PMSAP,温度应力分析注意事项,6,）软件会自动增加温度工况的组合。不考虑温度前,n,种工况，考虑后变为,2n,种。用户可以调节地震、风,与温度组合时的组合系数。,7,）温度对“砼梁”,产生的轴向拉压力，,pmsap,会自,动按照偏心受拉或偏心受压进行截面设计。,8,）温度对“砼板”,产生的轴向拉