文章作者：徐衛(wèi)東（北京構(gòu)力科技有限公司）
溫差效應對結(jié)構(gòu)來說屬于一種間接作用，《混凝土規(guī)范》5.7.1指出：“當混凝土的收縮、徐變以及溫度變化等間接作用在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的作用效應可能危及結(jié)構(gòu)的安全或正常使用時，宜進行間接作用效應的分析，并應采取相應的構(gòu)造措施和施工措施?！睂嶋H的工程中設計師經(jīng)常會遇到一些超長的結(jié)構(gòu)，對于超長的結(jié)構(gòu)在混凝土規(guī)范上也提供了一些構(gòu)造上的規(guī)定，如下截圖《混規(guī)》8.1.1條規(guī)定了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距。
圖1 伸縮縫最大間距
而很多的實際工程中伸縮縫的設置可能會給我們整個結(jié)構(gòu)的使用帶來一些不好的影響，所以對于超長的結(jié)構(gòu)在很多情況下，可能并不允許我們進行伸縮縫的設置，這個時候就需要我們進行一些特殊的計算分析，《混規(guī)》的8.1.3條也有相應的規(guī)定，“當伸縮縫間距增大較多時，尚應考慮溫度變化和混凝土收縮對結(jié)構(gòu)的影響?！保瑢τ谶@一條的這一點我們由結(jié)構(gòu)力學知識也很容易得知，對于超靜定結(jié)構(gòu)，溫度的變化等間接作用將會引起結(jié)構(gòu)的變形從而在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生約束力，這種約束力會導致混凝土的開裂甚至會使結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)發(fā)生變化，因此我們有必要對溫度作用進行一定的分析。
多高層建筑的溫度場難以確定，同時混凝土的收縮、徐變等隨時間變化的因素也難以量化，所以通長很難準確計算出建筑結(jié)構(gòu)的溫度效應?！陡咭?guī)》中并不要求直接計算溫度作用等非荷載效應，而對于這一塊都是強調(diào)由構(gòu)造措施來解決的。
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溫度荷載引起結(jié)構(gòu)變形簡介
在SATWE和PMSAP軟件中，都提供了計算溫度荷載的功能，而我們很多設計師在使用軟件的時候不清楚如何進行溫度荷載的定義，如下圖2和圖3所示，分別為SATWE和PMSAP中的溫度荷載的定義，在進行溫度分析之前，設計師首先應該合理確定結(jié)構(gòu)的溫度場，目前在SATWE及PMSAP程序中均是通過定義節(jié)點處的溫差來定義溫度荷載的，程序利用有限元法計算溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響，并通過自定義荷載組合功能與其他荷載效應進行相應的組合，從而能夠較準確的考慮溫度對結(jié)構(gòu)的影響，有助于設計人員采取相應的對策和措施。
圖2 SATWE中的溫度定義
圖3 PMSAP中的溫度定義
由結(jié)構(gòu)力學知識可知，溫度變化對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形可以分為兩部分進行考慮，即沿桿件軸線方向的伸縮和截面繞中性軸的轉(zhuǎn)動，此時桿件不存在剪切變形；而沿桿件的軸向變形即桿件的均勻升溫或降溫引起的伸長或縮短，繞中性軸的轉(zhuǎn)動即桿件內(nèi)外表面溫差造成的彎曲；復合變形如圖4所示，圖中α為材料的線膨脹系數(shù)，而對于這兩部分的變形也可由結(jié)構(gòu)力學知識進行求得。
圖4 溫度變化引起的桿件變形
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SATWE和PMSAP程序中溫度荷載的實現(xiàn)
由于一般的建筑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的溫度荷載主要是均勻的普遍升溫或者降溫作用，所以目前在SATWE和PMSAP軟件程序中均采用桿件截面均勻受溫、均勻伸縮的溫度加載方式，也即對于桿件內(nèi)外表面的溫差影響沒有考慮，所以在SATWE和PMSAP程序中對于溫度的計算，只考慮了均勻受溫引起的軸向變形，不考慮桿件兩側(cè)溫差所引起的彎曲變形。
在SATWE和PMSAP程序中，設計師在定義溫度荷載時，對于梁、柱構(gòu)件，只需在兩端的節(jié)點上分別定義節(jié)點溫差，從而定義了一根桿件溫度升高或者溫度降低。溫差是指結(jié)構(gòu)某部位的當前溫度值與該部位處于無溫度應力時的溫度值的差值。
圖5 SATWE中溫差的定義
圖6 PMSAP中溫差的定義
SATWE及PMSAP程序中對于溫度荷載的輸入時候均可輸入升溫和降溫兩個工況，設計師在輸入的時候升溫填入正值，降溫填入負值，對于設計師填入的溫差值，SATWE和PMSAP均會把溫差轉(zhuǎn)為節(jié)點荷載施加在桿件的兩端節(jié)點上，由材料力學及結(jié)構(gòu)力學的知識可得轉(zhuǎn)換的節(jié)點荷載如下圖7所示。
圖7 溫差荷載
在STAWE程序及PMSAP中定義好升溫和降溫兩組工況后，輸入溫差后選擇指定在模型中捕捉相應的節(jié)點即可來施加所定義的溫度荷載，SATWE及PMSAP程序中施加完的溫度荷載如下圖8圖9所示。
圖8 SATWE中溫度荷載的布置
圖9 PMSAP中溫度荷載的布置
在輸入溫差荷載的時候，SATWE程序及PMSAP程序稍微有點不同，由于在SATWE中都是依據(jù)平面進行操作的，所以需要注意的是在SATWE中，前面建模的時候是按照標準層來建模的，然后組裝成若干個自然層，而溫度荷載的輸入使用的是自然層而不是采用標準層來施加的，且自然層號從0層開始，0層對應首層的地面，這樣可以方便用戶輸入地基處的溫度變化，SATWE中輸入溫度荷載的自然層如圖10所示；而PMSAP程序中對于溫度荷載的輸入這一塊直接是基于一個三維的空間來輸入的，所以在這一塊與SATWE中的操作方式稍微有些不同。
圖10 SATWE中溫度對應的自然層號
定義好溫度荷載后，在SATWE的參數(shù)工況信息及荷載組合信息中也會出現(xiàn)相應的溫度工況及溫度荷載組合，設計師可以在該處進行相關組合系數(shù)的人為干預。
圖11 SATWE中的溫度工況
圖12 SATWE中溫度荷載組合
事實上，溫度對構(gòu)件的影響是不均勻的，對鋼構(gòu)件，由于傳熱性能好，截面相對也薄，當溫度變化時，可以認為截面中的溫度是均勻變化的，但是對于混凝土構(gòu)件，由于截面厚度大，溫度從里到外是逐漸衰減的，呈梯度變化，程序目前對于這種梯度變化的荷載無法精細考慮，所以不管是對于混凝土構(gòu)件還是鋼構(gòu)件，SATWE和PMSAP中都認為截面上的溫度是均勻的，這種近似的考慮比較適合用于鋼構(gòu)件，但將使得實心的混凝土結(jié)構(gòu)的溫度荷載效應計算偏大，這一點我們設計師應該對程序計算的結(jié)果有所了解。
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SATWE及PMSAP中溫度荷載計算注意事項
很多設計師在使用SATWE或者PMSAP程序計算溫度荷載的時候，查看計算結(jié)果的時候，感覺內(nèi)力結(jié)果或者結(jié)構(gòu)變形失真了，與自己想象中的結(jié)果不符，主要原因是設計師多數(shù)忽略了樓板屬性這一影響因素，在SATWE及PMSAP中，程序默認的狀態(tài)下樓板均是一塊剛性板，也就是在剛性板的假定條件下，梁構(gòu)件的膨脹或者收縮的變形必然會收到平面內(nèi)無限剛的樓板約束住，因此不論最終的計算內(nèi)力結(jié)果還是變形結(jié)果肯定是不對的，這也就要求我們設計師在進行結(jié)構(gòu)溫度荷載分析的時候，施加完溫度荷載后，首先要做的一步就是到程序的前處理中，將樓板的默認剛性板屬性改為彈性模屬性，當然也可以改為彈性板6屬性，這兩種板屬性均可真實的考慮板的面內(nèi)剛度，但同時設計師也應該了解到，如果是用彈性板6屬性，板的面外剛度也會真實的考慮，在整體的結(jié)構(gòu)分析中，彈性板6假定的情況下，一部分豎向樓面荷載將通過樓板的面外剛度直接傳遞給豎向構(gòu)件，從而導致梁的彎矩減小，相應的配筋也比剛性樓板假定減少。而過去所有關于梁的工程經(jīng)驗都是與剛性樓板假定的前提下配筋安全儲備縣對應的，所以建議設計師不要輕易采用彈性板6假定。
目前程序是按照線彈性理論計算結(jié)構(gòu)的溫度效應的，對于混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到徐變應力松弛特性等非線性因素，實際的溫度應力并沒有彈性計算的結(jié)果那么大，所以我們設計師也應該清楚這一點，在具體的工程項目中設計師可視具體的情況在組合系數(shù)的基礎上乘以徐變應力松弛系數(shù)0.3，但是對于鋼結(jié)構(gòu)不應該考慮此項的折減，溫度荷載的組合值系數(shù)如下圖13所示。
圖13 溫度荷載的組合值系數(shù)
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案例分析
如圖14所示為某鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)，共兩層，局部帶有夾層，結(jié)構(gòu)縱向長度較大，因建筑使用要求不得設置伸縮縫，所以需要進行溫度荷載分析，溫度荷載考慮全樓最高升溫15°，最高降溫-15°，注意計算時需要將全樓的樓板設置為彈性模，如圖15所示，否則無法正確計算出梁、柱的內(nèi)力。
圖14 鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)
圖15 全樓彈性模屬性
圖16和圖17為SATWE中該結(jié)構(gòu)首層梁在升溫工況下的彎矩、軸力示意圖，溫度荷載產(chǎn)生的內(nèi)力是結(jié)構(gòu)的自內(nèi)力，應滿足自身的平衡條件。由圖14可以看出該結(jié)構(gòu)基本對稱，所以從圖16、圖17的梁內(nèi)力圖所示，也基本呈現(xiàn)出對稱特性。
圖16 升溫工況1下的梁彎矩圖
圖17 升溫工況1下的梁軸力圖
對于溫度荷載在SATWE中及PMSAP中的分析結(jié)束后，進入到這兩款程序的后處理進行內(nèi)力查看的時候，會看到增加了兩個單工況，溫荷1及溫荷2，溫荷1即對應著升溫工況，溫荷2對應著降溫工況；本工程案例的鋼結(jié)構(gòu)廠房在SATWE及PMSAP中計算的結(jié)果如下（截取首層左上角部分）：
圖18 SATWE中梁彎矩圖（溫荷1）
圖19 PMSAP中的梁彎矩圖（溫荷1）
圖20 SATWE中柱彎矩（溫荷1）
圖21 PMSAP中柱彎矩（溫荷1）
由圖18至圖21所示，對于溫度的分析在SATWE程序中及PMSAP程序中的計算結(jié)果是非常接近的，兩款軟件的計算結(jié)果基本一致，所以設計師在需要進行溫度荷載的分析時，可以采用SATWE軟件，也可以采用PMSAP軟件進行分析。但是同時對于溫度分析這塊，設計師應該清楚的是，全樓升溫或者降溫的荷載是比較粗略的，通常情況下產(chǎn)生的內(nèi)力也不大。如果設計師需對溫度做更精細的分析，就需要設計師對溫度場有比較準確的定義。
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總結(jié)
本文主要介紹了SATWE軟件及PMSAP軟件程序中對于溫度荷載是如何進行分析的，幫助我們設計師更好的理解和應用這兩款軟件進行溫度荷載的分析，我們很多設計師在使用軟件中可能不關注這一塊，往往在施加完溫度并計算結(jié)束后，首先就是看結(jié)構(gòu)的配筋，看看配筋有沒有紅，有沒有超限的構(gòu)件，而對于溫度荷載程序計算的準不準確并不關注或者關注的較少，計算完后可能對于程序如何計算溫度荷載的也不了解；因此本文主要是對這兩款常用的軟件介紹并以一具體的工程案例分析對比來幫助設計師更好的了解SATWE及PMSAP程序?qū)囟群奢d的計算機制。
