【框架结构温度内力简析】框架结构内力计算

时间：2019-04-10 03:26:27　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：产生建筑裂缝的一个很重要的因素就是温度内力。借助结构力学求解器，我们可以清楚地确定现浇整体式框架结构在冬季温度降低时所产生的侧移以及相应的温度内力的大小及分布情况，从而找出框架结构的最不利部位，以便在设计建造过程中对相应部位进行适当地加强，以防建筑物由于温度的降低产生裂缝，从而破坏建筑物的外观甚至影响其正常使用。
　　关键词：框架结构温度内力侧移最不利部位
　　Abstract:One of the important factors causing the cracks is temperature stress. Using structure mechanics solver, we can clearly confirm the sidesway of the structure and the corresponding temperature stress of the cast-in-situ integral frame structure in winter when temperature reduces , as to find out the most unfavorable frame structure parts, so that we can strengthen the corresponding parts in the design and construction process, in case of the occurrence of building cracks because of the temperature drop , resulting in the damage of the building appearance or even influence of its normal service.
　　Key words: frame structure temperature stress sidesway the most unfavorable parts
　　中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
　　0. 引言
　　混凝土构筑物出现的各种裂缝现象就一直困扰着全世界的土木工程师门。经过多年的研究，已经取得的共识是可以把混凝土构筑物裂缝分为荷载裂缝和非荷载裂缝两种，而统计资料又显示出非荷载裂缝几乎占了全部混凝土构筑物裂缝的八成左右。对荷载裂缝的控制问题，土木工程界的对策已经比较成熟，这反映在各国的规范里都有成文的建议或规定；对非荷载裂缝的控制的研究一直在探索中。也就是对大部分混凝土构筑物上所发生的裂缝现象，土木工程师们还没有完全掌握其发生、发展规律[1]。
　　本文所探讨的便是现浇整体式框架结构在冬季降温时所产生的侧移以及相应的温度内力的大小及分布情况，从而为避免框架结构由于温度降低而产生裂缝提供帮助。
　　1. 构建模型
　　本文以三层11开间的现浇整体式框架结构为模型。其开间均为4m，第一层层高为5m，其余层层高为4m。混凝土默认为C30混凝土（E=30kn/mm2），梁柱参数见下表。由于结构的梁板是现浇一体的，因而在计算中将梁的抗弯以及抗拉刚度乘以3。至于柱子，其不会受到太大的影响，因而按其自身计算，不加强。
　　
　　
　　2．室内外温度变化相同时
　　2.1情况简介
　　由于现如今大型框架结构很多，整个建造期比较长，而且建造完毕后还有一定的维护期，所以从开始建造到投入使用有很大的时间开间，在这期间，由于季节的变化，室外温度也会有很大的变化，结构也会因此产生侧移及内力。此种情况下由于建筑物尚未投入使用，认为其室内外温度的变化相同，也就是说室内外温度变化相同。我们假设框架结构浇筑时室外温度为25℃，冬季室外最低温度为-4℃。
　　2.2 侧移及内力的计算与分析
　　通过结构力学求解器求得的结构侧移及内力如下：
　　
　　
　　表3室内外温度变化相同时冬季结构最不利部位轴力值
　　从以上图表中我们可以看出温度的变化确实对结构产生了不可忽略的侧移和内力。其中侧移量、弯矩均是从两端到中部呈减小的趋势，而对于梁的轴向拉力则是中间部位最大向两端减小。故此种情况下结构的不利部位为：
　　影响因素侧移量弯矩值拉内力
　　部位顶层梁两端端点底层两端梁柱底层中部梁
　　表4室内外温度变化相同时冬季结构最不利部位
　　
　　另外我们还可以看出二三层框架的内力都很小，甚至可以忽略不计。以上现象的成因也许可以从侧移图中找到答案。从侧移图中我们可以看出只有第一层框架的柱子发生了比较大的弯曲形变，而且越靠两端形变越大，而上部两层几乎保持原有的形状。这是因为温度降低结构发生冷缩，但梁的轴向收缩会受到底层柱子和地面的约束，两者相互作用就产生了如图的形变。我们把促使柱顶产生单位侧移所需要的推力作为度量柱子对横梁的约束程度，称之为“侧移刚度”，用R表示，则
　　 R=CB/H3
　　式中：C—系数，与梁柱连接形式及变截面有关；
　　 B---柱的抗弯刚度；
　　 H---柱高。
　　可知，框架约束程度与柱高的三次方成反比，故随高度的增加柱对梁的约束力会急速下降，故除一层外可以近似忽略其约束，认为梁可以自由收缩因而可以忽略二三层的内力[2]。所以对于此类情况的分析只需考虑第一层框架即可。
　　3．室内外温度变化不同时
　　3.1情况简介
　　此情况下建筑物已投入使用，故冬季室内温度一般均大于室外温度。为了与情况一进行对比我们假设施工框架结构浇筑时的温度与冬季室外最低温度与其相同分别为25℃和-4℃，另外我们再假设一个冬季正常使用时的室内温度为14℃。
　　3.2侧移及内力的计算与分析
　　结点码 37 25 13
　　侧移量（单位：mm） 4.27361 2.53623 2.34321
　　表5室内外温度变化不同时冬季结构最不利部位侧移量
　　
　　
　　
　　表7室内外温度变化不同时冬季结构最不利部位轴力值
　　此种情况下的内力分布情况与之前明显不同。弯矩主要分布在结构的外围杆件上；最外围杆件受拉内力，由外向内第一根杆受压内力。另外，位移图也不像情况一那样整齐。此种情况下结构的不利部位为：
　　影响因素侧移量弯矩拉内力
　　部位顶层梁两端端点以两端为首的顶层梁
　　一、三层两端柱顶层中部梁
　　底层两端柱
　　表8室内外温差部位零时冬季结构最不利部位
　　我们来分析一下此种情况产生的原因。正常使用时室内温度为14℃，室外温度为-4℃，则最外层框架杆件的中性层温度为5℃，内部杆件的中性层温度为14℃。相对于施工时的25℃，最外层杆件中性层温度降低了20℃，内部杆件中性层温度则降低了11℃。由于内外层杆件中性层温度降低的值不同其冷缩量也不同：外侧冷缩量大，内侧冷缩量小。外侧杆件的收缩就受到了内部杆件的约束，从而产生了相应的内力。
　　4. 结论
　　综上所述，对于现浇整体式框架结构在设计建造过程中应注意以下几点：
　　（1）结构两端侧移量较大，故应适当加强结构两端处梁和墙体的连接，并提高墙体抗剪能力，以免因侧移量过大而受剪产生裂缝。
　　（2）应适当提高两端柱（尤其是顶层和底层柱）的抗弯能力。不仅因为此处弯矩较大，另外由于夏季结构受热伸长，其弯矩内力与冬季冷缩时拉压分布刚好相反，通过此反复作用，更容易导致该部位的破坏。
　　（3）结构正常使用过程中冬季顶层梁的弯矩（尤其是两端部位）以及顶层梁中部的拉应力较大，故应适当提高顶层梁相应部位的抗弯抗拉能力以免出现裂缝。
　　参考文献
　　徐荣年徐欣磊.工程结构裂缝控制[M].上海:中国建筑工业出版社,2010.1.
　　王铁梦.建筑物的裂缝控制[M ]上海:上海科学技术出版社,1987.150.
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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