温度作用与结构设计

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1、第2(】卷第2期建筑结构学报999年4月温度作用与结构设计L／樊小卿0；。(中南建筑设计院武汉430071)【提要】本文就建筑结构在温度作用下热传导过程中环境温度取值、多层材料中界面温度的确定、杆件截面内的温度分布以及杆件温度变形受约束时杆端的约束内力、结构温度内力计算，杆件截面设计等一系列问题提出了计算方法和设计建议。关键词：稳态导热、矩阵位移法、极限状态设计法1前言，I蝴印笙硌鳆人们早已熟知温度作用对建筑结构使用带来的影响，并为此采取了一些措施来控制或减少它的影响，例如设置温度缝进行结构分区，使区域内的温度变形控制在允许范围内；用保温、隔热措施来提高传导过程中的热阻，以尽

2、量减小环境温度的影响。近年来，随着建筑物竖向高度的增加，在混凝土中掺入微膨胀剂UEA后收缩得到控制，使乎面内无缝设计区域增大，这些都使建筑物中温度分区范围大量扩大。为确保建筑物的正常使用，对温度作用应由定性的构造措施转向定量的计算分析，由单纯的结构设计转向从导热计算开始的结构全过程设计。为此，本文经分析后就环境温度取值、多层材料中界面温度的确定、杆件截面内的温度分布、杆端的约束内力、结构温度内力计算以及截面设计等一系列问题提出了计算方法和设计建议。2环境温度取值2．1环境温度的组成建筑物的环境温度由空气温度加上太阳热辐射在建筑物表面产生的日照温度组成。空气温度对建筑物来说是一

3、个均匀分布的温度场，它所产生的建筑物表面温度可由空气与建筑物表面之间进行热交换得到，因此建筑物的表面温度通常与空气温度不相等。日照温度是由建筑物表面直接吸收太阳热辐射产生，它无需空气传导直接就是建筑物的表面温度c由于日照具有方向性，因此日照温度对建筑物来说是一个非均匀分布的温度场。2．2温度变化周期无论是空气温度还是日照温度它所对应的温度场都可以看成是一个与时间无关的稳态温度场和一个随时间周期变化的非稳态温度场叠加组成。这个周期可以是年也可以是月、日。稳态场的温度是该周期时间段内的平均温度，即年平均温度、月平均温度、日平均温度，它的导热过程是稳态导热。非稳态场的波动幅度是相应

4、周期内最高、最低温度与乎均温度之差，它的导热过程是非稳态导热。若把非稳态场周期性波动的温度曲线用傅里叶级数表示，并作为研究物体内部热传导的边界条件，则由导热微分方程求解，可得物体内不同深度、不同时刻的温度变化它所对应的温度场具有衰减性和延迟现象。对于半无限大物体：一波幅的衰减系数”=e一净·波传导的延迟时间f争、(2)式中a——材料的导温系数rm2／h)；卜_波动周期(h)；——离物体表面距离(112)。由式(1)、(2)可见，建筑物周围周期性变化的非稳态温度场，其温度波在物体内传导过程中，波动强度随距离增加而衰减，波的峰值时问随距离增加而延迟。这就意味着，外部环境温度最高时

5、构件内温度不是最高，当构件内温度达到峰值时外部环境温度早就降下来了。即这种峰值除本身已经衰减外，由于外界条件的改变时间上也难以维持。因此。取瞬时温度作为环境温度来进行结构温度作用的分析是不必要的。然而，温度波动周期取得短，分析的可靠度相对就高，这一点也是明显的。综上所述，温度作用分析时温度变化周期以El为宜。2．3环境温度取值．室外空气温度夏季取3O年一遇最高日平均温度。冬季取3O年一遇最低日平均温度。使用阶段室内空气温度夏季取空调设计温度，冬季取采暖设计温度。计算日照温度时，夏季太阳辐射照度计算值取有日照时段内太阳辐射照度的平均值。构件和结构的初始温度取成型时的环境空气温度

6、。3导热微分方程解及杆端约束内力对于常见的混凝土、加气混凝土、砂等材料，在以El为周期的非稳态温度场作用下，经传导由式I=1)、(2)得不同距离处波辐的衰减系数及传导的延迟时间f如表1所示。囊1传导距离#／h混凝土加气混凝土砂混凝土加气混凝土砂0．1047670．弱2l036552．8304、2t0384502022720．11o3013365660842O876003010830．03660．0488g49012630l3．1帅0．4005160．0122001781l3l9l6．g41l7．50l由上表可见，非稳态温度场在传导过程中温度波波幅衰减快，传导速度慢。建筑物的围

7、护结构经热工设计一般都具有足够的热阻，可以达到“晒不透”，即不计非稳态场影响的程度；即使在施工时经采取措施后也可以如此。因此建筑结构的导热计算可以只考虑稳态温度场的作用。建筑结构构件常见的有梁、柱、墙、板。在无内热源稳态导热情况下，墙、板在平面内温度均匀稳定，只沿厚度方向发生变化，粱、柱沿轴线方向温度均匀稳定，只在截面内发生变化。显然与此相对应的墙、板导热问题应是一维稳态导热，梁、柱应是二维稳态导热。在边界温度已知情况下，可以通过解导热微分方程得到构件截面内的温度分布，然后根据支座约束情况再得到杆端的约