超长高层建筑结构温度问题研究

发表时间:2016/1/18   来源:《工程建设标准化》2015年9月供稿   作者:王立
[导读] 重庆市华筑建筑设计有限公司,重庆 但因对超长钢筋混凝土结构温度变形、温度应力处理不当,建筑可能在建造、使用中发生裂损,影响建筑安全。

王  立
  (重庆市华筑建筑设计有限公司,重庆,404100)
  【摘  要】温度问题是超长高层建筑结构设计重要问题,若解决不好,直接影响建筑效用。本文简要概述混凝土结构问题问题基本理论,探讨超长高层建筑结构温度问题研究要点,需关注影响要素为季节温差、骤降温差、日照温差,不同因素对工况设计影响不尽相同,设计师应充分考虑不同工况下建筑整体温度变形、温度应力。
  【关键词】超长高层建筑;温度问题;混凝土
  现代建筑结构样式发展迅猛,高层建筑混凝土结构长于100m以上者并不少见。但因对超长钢筋混凝土结构温度变形、温度应力处理不当,建筑可能在建造、使用中发生裂损,影响建筑安全。温度问题是超长高层建筑结构设计重要问题之一。
  1.基础理论
  混凝土是最常用、最重要的工程材料之一,具有易于加工成型、能耗低、耐久性好、组合效果好等诸多优点,适应于大规模生产与施工工业化。但需注意的是,混凝土抗拉强度远小于其抗压强度,抗裂性较差,施工阶段,混凝土成型过程中,即可能出现裂缝,同时置于自然环境中的混凝土结构,长期受气温变化、辐射影响,结构表面与内部温差剧烈变化,结构内部形成温度梯度,发生变形,在结构内外约束作用下,产生较大的温差应力。许多大跨度、高耸、薄壁混凝土结构常会出现结构开裂,影响建筑安全。国内外混凝土结构温度应力分析理论基本成熟,基本理论包括温度应力与一般荷载应力不同、混凝土结构的温度荷载沿壁板厚度方向非线性分布、结构稳定存在短时变化,概括来说混凝土结构温度应力呈现多非线性、不规律特征。
  高层建筑温度较地层建筑温度应力问题更为复杂,竖向温度内力主要包括整体温度内力、局部温度内力,前者由构件间温差影响,约束连接件的变形差,后者由构件自身内外表面温差引起。温度作用主要计算方法包括指数曲线法、等效稳态传热法、线性分布法等,常用的温度荷载计算方法包括Fourier一维传导方程理论解:,A为结构计算壁板表面温度波动的波幅, 为圆频率,a为计算点距表明的距离, 为实验。其它方法为等效稳态传热、指数曲线法、线性分部法。对整体结构进行温度应力分析,一般采用,大型高层建筑通常采用线性分步法确定结构温度场分布。
  2.超长高层建筑结构温度问题要点
  2.1 因素分析
  前文提到大型高层建筑通常采用线性分步法确定结构温度场分布,超长高层建筑亦是如此,有限元建模是线性分布重要研究工具。不同体型、不同平面形式建筑结构,不同时段温度作用产的温度效应不尽相同,前文提到钢筋混凝土结构主要可分为季节温差、骤降温差、日照温差。
  季节性温度变化是一个长期过程,对建筑物作用缓慢而均匀,一般来说夏季至冬季过程,为降温过程,受热胀冷缩效应影响,建筑处于受拉状态,对建筑损害较大。
  昼夜温差主要是指日落后室内外温度变化,从而引起的结构内外构件之间温度差值,一般情况下,为满足工作需求,现代建筑内部要求恒温,即使无恒温,也可由空调保持,但暴露在外部自然环境中的外围墙体、剪力墙等外围构件外表温度可随着大气温度、辐射量的改变而改变。以重庆为例,其夏季室外平均气温高达30.0℃,凌晨5点达到最低,下午14点达到当日气温分值,重庆地区夏季昼夜温差为8°,考虑到重庆地处内陆,地处河谷,而冬季昼夜温差不足6℃,选择由夏季温差计算工况具有代表性。
  骤然温度变化,主要影响因素为强冷空气,短时变化性强,可作用于建筑结构整体,分布较均匀,对结构影响较大,产生应力较大。
  2.2 温度工况设计
  2.2.1基本参数
  温度工况设计一般均有详细的施工标准,参照采暖通风与空气调节设计规范,工程温度参数应充分考虑季节室外平均气温、正常工作与非正常工作室内温度、结果混凝土终凝温度。
  2.2.2 温度荷载确定
  (1)混凝土收缩转化为等效温差:现浇的混凝土在硬化干缩、水化降温过程中会发生收缩现象,收缩形成和发展与混凝土龄期密切相关,研究证实现浇混凝土收缩应变累及极限值可达到(2~4)×10-4,影响因素可包括水泥成分、细度、骨料材质、水泥含量、水灰比等,则水凝土收缩应变值表征为: ,其中包含时间、标准状态下收缩值、非标准条件下修整参数等诸多内容,据此考虑结构浇带(90d以上),混凝土收缩当量温差温度为-5℃。
  (2)季节温差:季节温差变化是一个长期过程,缓慢而匀速发作,正常情况下构建中面计算温度T中与混凝土终凝温度T凝之差计算,一般来说,工程设计无法明确施工具体时间,仅提供方案设计,故应充分考虑两种不利工况。冬季施工,混凝土终凝温度低,夏季投入使用温度较高,若在夏季施工则反之,这种变化差异影响深远。
  (3)骤降温差:①强冷空气侵袭,每一个地区大气温度均存在极端变化,统计年份内存在最高值、最低值,以重庆为例,有记录以来,1951年~1980年,冬季极端气温均值为-1.7℃,夏季极端最高均值为38.6℃,则极端气温差则为△T=T极中-T平中=T极上-T平上/2;②日落后夜间内高外低温差,混凝土比热容较低,昼夜更替可影响建筑外表面温度周期性变化,则夏季室外计算平均温差为△tr=(twg-twp)/0.52,其中twp为夏季空气调节室外计算日平均温度。
  (4)日照温差:日照温差变化是否复杂,与大气温度、太阳辐射有关,室外气温对外墙作用较均匀,而太阳辐射强度变化性强,建筑物自身对太阳辐射吸收能力也受墙体材质、外墙部位影响,对整体结构而言,一般假定取阳面、背阳面结构温度均匀分布,据此计算日照温度。
  2.3 超长高层建筑结构温度关注要点
  2.3.1 温度变形
  无论超长高层建筑作用何种温度工况,温度变形总是底部小、上部大,致顶部达到位移极值。建筑底部几层位移变化差异较大,随着高度的上升,层级差异不断缩小。
  2.3.2 温度应力
  各种温度工况作用下引起的梁水平轴力在建筑底层达到最大值,且发生在抗侧移刚度较大、梁轴线长度较长的OA轴上。随着楼层的上升,梁轴力迅速下降,顶部达到最小值,梁的弯矩与梁所在的楼层平面布置、构件有关。总体而言,建筑结构底部几层轴力受温度作用影响较大,梁弯矩受温度影响较小。
  结语:
  综上所述,超长高层建筑结构温度问题对于超长高层建筑的安全性与可靠性的保障具有重要意义,做好相关问题的研究对于促进超长高层建筑安全性的提升极为重要。
  参考文献:
  [1]中国我国标准中心.GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S]
  [2]陈淮,李天.日照作用对超长高层建筑结构的影响[J].工业建筑,2005,35(1):27-29.
  [3]谢小东,陈庆军,张弈群,等.某超长工业建筑结构温度变形研究[J].工业建筑,2013,43(4):76-77.
  [4]陈淮,李天.季节降温对超长高层建筑的影响[J].工业建筑,2006,36(4):47-49.

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