荷载与结构设计方法12

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1、第6章其他荷载与作用返回总目录温度作用变形作用爆炸作用浮力作用制动力本章内容离心力预应力思考题习题温度作用一、温度作用的概念当结构物所处环境的温度发生变化，且结构或构件的热变形受到边界条件约束或相邻部分的制约，不能自由胀缩时，就会在结构或构件内形成一定的应力，这个应力被称为温度应力，即温度作用，指因温度变化引起的结构变形和附加力。温度作用不仅取决于结构物环境的温度变化，它还与结构或构件受到的约束条件有关。在土木工程中所遇到的许多因温度作用而引发的问题，从约束条件看大致可分为两类。第一类，结构物的变形受到其他物体的阻碍或支承条件的制约，不能自由变形。现浇钢筋混凝土框架结构的基础梁嵌固

2、在两柱基之间，基础梁的伸缩变形受到柱基约束，没有任何变形余地(图6.1)。排架结构支承于地基，当上部横梁因温度变化伸长时，横梁的变形使柱产生侧移，在柱中引起内力；柱子对横梁施加约束，在横梁中产生压力(图6.2)。图6.1基础梁嵌固于柱基之间图6.2排架结构受到支承条件的约束第二类，构件内部各单元体之间相互制约，不能自由变形。简支屋面梁在日照作用下屋面温度升高，而室内温度相对较低，简支梁沿梁高受到不均匀温差作用，产生翘曲变形，在梁中引起应力。大体积混凝土梁结硬时，水化热使得中心温度较高，两侧温度偏低，内外温差不均衡在截面引起应力，产生裂缝。二、温度应力的计算结构物受温度变化的影响应根

3、据不同结构类型和约束条件进行分类而分别计算。一类是静定结构在温度变化时能够自由变形，结构物无约束应力产生，故无内力。但由于任何材料都具有热胀冷缩的性质，因此静定结构在满足其约束的条件下可自由地产生变形，这时应考虑结构的这种变形是否超过允许范围。此变形可由变形体系的虚功原理并按下式计算：(6-1)式中，pt——结构中任一点P沿任意方向p-p的变形；α——材料的线膨胀系数(1/℃)，温度每升高或降低1℃，单位长度构件的伸长或缩短量，几种主要材料线膨胀系数见表6-1；t0——杆件轴线处的温度变化；——杆件上、下侧温差的绝对值；温度作用h——杆件截面高度；——杆件的图的面积，图为虚拟状态

4、下轴力大小沿杆件的分布图；——杆件的图的面积，图为虚拟状态下弯矩大小沿杆件的分布图。表6-1常用材料线膨胀系数温度作用结构种类钢结构混凝土结构混凝土砌块砖砌块线膨胀系数/(1/℃)1.2×1051.0×1050.9×1050.7×105对于超静定结构存在有多余约束或物体内部单元体相互制约的构件，温度改变引起的变形将受到限制，从而在结构内产生内力。这一温度作用效应的计算，可根据变形协调条件，按结构力学或弹性力学方法确定。受均匀温差T作用的两端嵌固于支座的梁(图6.3)。若求此梁温度应力，可将其一端解除约束，成为一静定悬臂梁。悬臂梁在温差T的作用下产生的的自由伸长量及相对变形值ε可由下

5、式求得：(6-2)(6-3)式中，T——温差(℃)；L——梁跨度(m)。如果悬臂梁右端受到嵌固不能自由伸长，梁内便产生约束力，约束力N的大小等于将自由变形梁压回原位所施加的力(拉为正，压为负)，即(6-4)截面应力为：(6-5)式中，E——材料弹性模量；A——材料截面面积；σ——杆件约束应力。由式(6-5)可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关，其数值等于温差引起的应变与弹性模量的乘积。温度作用图6.3两端嵌固的梁与自由变形梁示意图由式(6-5)可知，杆件约束应力只与温差、线膨胀系数和弹性模量有关，其数值等于温差引起的应变与弹性模量的乘积。(2)排架横梁受到均匀温差T

6、作用如图6.4所示。温度作用横梁受温度影响伸长(若忽略横梁的弹性变形)，此即柱顶产生的水平位移。K为柱顶产生单位位移时所施加的力(柱的抗侧刚度)，由结构力学可知；(6-6)图6.4排架横梁受温度应力示意图柱顶所受到的水平剪力为：(6-7)式中，I——柱截面惯性矩；H——柱高；L——横梁长(结构物长)。由此可见，温度变化在柱中引起的约束内力与结构长度成正比。当结构物长度很长时，必然在结构中产生较大温度应力。为了降低温度应力，只能缩短结构物的长度，这就是过长的结构每隔一定距离必须设置伸缩缝的原因。温度作用所谓变形作用，实质上是结构物由于种种原因引起的变形受到多于约束的阻碍，而导致结构物

7、产生内力。主要原因有：①由于外界因素造成结构基础的移动或不均匀沉降；②由于自身原因收缩或徐变使构件发生伸缩变形，二者均导致结构或构件产生内力。因而从广义上来说，这种变形作用也是荷载。当静定结构体系发生符合其约束条件的位移时，不会产生内力；而当超静定结构体系的多余约束限制了结构自由变形时，基础的移动和不均匀沉降或当混凝土构件在空气中结硬产生收缩以及在不变荷载的长期作用下发生徐变时，由于构件与构件之间、钢筋与混凝土之间相互影响、相互制约，不能自由变形，都会引起结构内力。超