钢筋混凝土高层建筑结构温度变形及温度内力研究苏元响

钢筋混凝土高层建筑结构温度变形及温度内力研究苏元响

苏元响

苏元响

台州市精筑建设工程施工图审查中心浙江台州318000

摘要：随着经济的快速增长和社会的不断发展，建筑都在向着高层化和集中化方向发展。高层建筑形式的不断发展，势必会遇到诸多问题，其中，在温度效应的影响下，将会对高层建筑的结构研究和建筑安全等提出了更高的要求和巨大的挑战。本文通过对我国高层建筑结构的发展情况的概述，并介绍了温度裂缝、温度分布和温度载荷，最后针对钢筋混凝土高层建筑温度效应所出现的问题，提出了科学、合理、有效的减少和控制温度效应的策略。

关键词：钢筋混凝土；高层建筑结构；温度变形；温度内力

科技的发展和社会的进步带来的是人们的对于生活质量要求的提高，高层建筑不仅能够缓解人口压力，同时也提升了城市形象和生活环境。但是随着楼层高度的不断增加，温度效应对建筑物的形变和内力都有很大的影响。随着层高的不断提升，受到自然环境的恶劣影响，钢筋混凝土结构内部就会出现温度变化，这种变化直接导致建筑结构形变，从而引发结构内力，内力的逐渐累积就会造成建筑的安全隐患，严重情况下甚至会威胁居民的生命财产安全。因此，对钢筋混凝土高层建筑结构的温度变形和温度内力进行深入研究能够有效的解决这一问题。

1我国高层建筑结构的发展现状

由于我国人口基数大，年增长数量巨大，我国的人口压力与日俱增，人口问题引发了住房压力，为了解决住房紧张的现实情况，大力发展高层建筑也是现实的迫切需要。我国从上个世纪60年代开始，大批的高层建筑不断涌现，层数也在不断的加高，最初的十几层几十米到现代的几十层两三百米甚至上百层，这个过程不仅体现了经济和科技的发展，更是代表着我国的综合国力的提升。因此，高层建筑的发展带来的不仅是经济效益，更多的是社会效益。

我国在高层建筑的发展过程中，经历了从低级到高级的，从低层到高层的发展历程。层数的不断增加和楼高的不断提升也是必然的趋势。同时，高层建筑的多功能发展方向让单一的住宅功能发展成为集住宅、商业、办公等一身的多功能、综合性强的核心大型建筑，这就要求建筑结构更加符合不同功能的要求。高层住宅强调舒适性和便捷性，中层的办公需要更大的工作场地和工作空间，底层的商业区可以包含购物、金融和餐厅等设施，各自的建筑结构都应该有自己的特点，相互之间也能更和谐的配合。第三，高层建筑的设计结构更加复杂多样，在计算机辅助技术的支持下，实现框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构的设计和安全性、可靠性分析。

2温度裂缝、温度分布和温度载荷

自然环境中温度对高层建筑的影响受到环境变化的制约，钢筋混凝土结构虽然在材料的物理性质上有着非常大的优势，但是想要承担起几十层楼，几百米的楼高不仅需要的是结构的科学合理，更需要考虑各种外界影响因素，地理因素、地形因素、气候条件等，这些因素都会在无形中对钢筋混凝土结构产生不可忽视的影响。钢筋混凝土结构受到温度的影响主要表现在热胀冷缩现象。太阳辐射和气候变化都会使得建筑结构发生一定程度的改变，由于大型建筑的工程周期比较长，温度的变化也会很大，这使得即使材料相同，结构相同，工艺手段、工程误差相同等，也会让钢筋混凝土结构在不同的季节和温度下的存在差异，忽视这种差异，就会出现温度内力。

温度内力的出现如果不能得到合理的、及时的解决就会累积成为温度裂缝。温度裂缝的延伸就会造成建筑物的损害，严重时甚至造成建筑坍塌，危机生命财产安全。在实际的建筑过程中，建筑本身所受到的载荷主要可以分为两种，一种是静载、动载，另一种是变形载荷。变形载荷中，温度的影响能够引起建筑结构的形变，这种形变在长时间的积累情况下，就会产生很大的内力，最终导致温度裂缝的产生。温度分布主要可以分为两种，外界条件下和内部条件的影响。外界条件下，由于受到气候、季节、温度的影响，钢筋混凝土建筑的结构会随温度的变化而发生形变，而内部的影响主要是由于混凝土的导热系数小，外界温度变化而内部变化很慢，巨大的温度差异让混凝土结构形成了不均匀温度状态。

温度应力具有以下特点：第一，它与一般的荷载应力不同。基本上应力和应变不再符合简单的虎克定律关系；出现应变大而应力小，应变小而应力大的情况。第二，因混凝土结构的温度分布是瞬时变化的，所以在结构中的温度应力也是瞬时变化的，具有明显的时间性。第三，由于混凝土结构的温度荷载沿壁板厚度方向的非线性分布，故截面上温度应力分布具有明显的非线性特征。这三点在分析确定混凝土结构的温度载荷和温度应力时需要充分进行考虑。

3温度效应的控制策略

3.1温度变形和温度内力对结构的影响

温度变化使结构引起的附加内力，可以概括如下：第一，在施工过程中由于温度的变化，在底层柱中引起的附加剪力和附加弯矩最大；第二，由于内外整体温差会导致结构横梁中产生附加剪力和附加弯矩，在顶部的楼层部位较为突出；第三，内外整体温差同样会导致在外柱中产生附加轴向力，在底层柱中最为明显，数值最大；第四，由于局部温差，即外柱的内外表明间有温度梯度，外柱还将产生附加弯矩；第五，结构屋顶受日晒的影响，会使顶部楼层的柱中产生附加剪力和附加弯矩。

温度变化给使用方面带来的问题有：第一，有内外整体温差，使柱伸长或缩短，从而引起内外竖向构件在长度上的差异，导致楼面结构的内外边缘发生不同的位移值。这种相对位移值，在结构的顶层附近最大，向下则逐渐减小。若次相对位移值超过其允许极限值，就可能引起上部各层中隔墙的开裂。第二，由于角柱、边柱和内部各竖向构件的竖向变形不一致，将导致楼板翘曲，尤以顶层为甚。当这种翘曲比较大时，会在楼板的角部出现裂缝。第三，屋顶受到太阳的辐射，虽然有隔热层，但其温度场与室内各层楼板的温度场仍有差别，因此相互间将引起变形差。由于顶层和下一层楼板间的变形差，在顶层柱（或墙）中将引起附加剪力和附加弯矩。若在该层角第七章减小或控制温度效应的对策部的墙体上还有洞口，则在该洞口的角部，由于应力集中，会因其主拉应力超过该墙体材料的抗拉强度而产生45度的斜裂缝。

3.2减小或控制温度效应的策略

在高层建筑中，由于温度变形而引起隔墙开裂，似乎是个主要问题。若隔墙的构造未考虑由于竖向构件间的温差所引起的楼面竖向位移，那么，由于这个位移产生的剪力可能会引起隔墙的损坏。因此，应该对高层结构上部楼层的隔墙作相应的构造措施，使其本身不至于因为结构的温度变位而产生应力。若把隔墙从框架中脱开一些，就可有效防止隔墙开裂。此外，若隔墙的门洞一直开至天花板，就可在裂缝出现的常见部位消除裂缝。要适应结构中由于温度变化而产生的内力，应该对结构底部和顶部楼层的构件采取相应的加强措施，提高这些部位构件的配筋率。

4结束语

高层建筑对于人们的生活有着巨大的作用，在社会中也扮演着非常重要的角色，占据的提供住所、办公和商业、娱乐场所的重要地位。高层建筑可以说是现代化的体现，是科技进步的代表。同时人们也越加依赖高层建筑。高层建筑的发展受到诸多因素影响，其中钢筋混凝土结构的温度形变和温度应力制约的高层建筑对楼高的追求。由于外界温度的差异导致的建筑结构内部出现温度应力，这种应力如果不能够及时发现和改善，很容易导致温度裂缝，严重时甚至威胁到建筑的安全和居民的生命财产安全。我国的钢筋混凝土高层建筑的发展需要所有的相关技术人员不怕失败，不断实践，不懈努力，重视温度效应，并针对温度效应产生的问题后果制定出切实可行的策略措施。

参考文献：

[1]李钟一.钢筋混凝土框架结构热—力耦合实验研究[D].中南林业科技大学，2016.

[2]张彤昌.超长混凝土框架结构温度应力分析与设计实践[D].青岛理工大学，2015.

[3]李艺云.钢筋混凝土高层建筑结构温度变形及温度内力研究[D].昆明理工大学，2001.