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文章作者：徐卫东（北京构力科技有限公司） 温差效应对结构来说属于一种间接作用，《混凝土规范》5.7.1指出：“当混凝土的收缩、徐变以及温度变化等间接作用在结构中产生的作用效应可能危及结构的安全或正常使用时，宜进行间接作用效应的分析，并应采取相应的构造措施和施工措施。”实际的工程中设计师经常会遇到一些超长的结构，对于超长的结构在混凝土规范上也提供了一些构造上的规定，如下截图《混规》8.1.1条规定了钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距。 图1 伸缩缝最大间距 而很多的实际工程中伸缩缝的设置可能会给我们整个结构的使用带来一些不好的影响，所以对于超长的结构在很多情况下，可能并不允许我们进行伸缩缝的设置，这个时候就需要我们进行一些特殊的计算分析，《混规》的8.1.3条也有相应的规定，“当伸缩缝间距增大较多时，尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。”，对于这一条的这一点我们由结构力学知识也很容易得知，对于超静定结构，温度的变化等间接作用将会引起结构的变形从而在超静定结构中产生约束力，这种约束力会导致混凝土的开裂甚至会使结构的受力形态发生变化，因此我们有必要对温度作用进行一定的分析。 多高层建筑的温度场难以确定，同时混凝土的收缩、徐变等随时间变化的因素也难以量化，所以通长很难准确计算出建筑结构的温度效应。《高规》中并不要求直接计算温度作用等非荷载效应，而对于这一块都是强调由构造措施来解决的。 1 . 温度荷载引起结构变形简介 在SATWE和PMSAP软件中，都提供了计算温度荷载的功能，而我们很多设计师在使用软件的时候不清楚如何进行温度荷载的定义，如下图2和图3所示，分别为SATWE和PMSAP中的温度荷载的定义，在进行温度分析之前，设计师首先应该合理确定结构的温度场，目前在SATWE及PMSAP程序中均是通过定义节点处的温差来定义温度荷载的，程序利用有限元法计算温度荷载对结构的影响，并通过自定义荷载组合功能与其他荷载效应进行相应的组合，从而能够较准确的考虑温度对结构的影响，有助于设计人员采取相应的对策和措施。 图2 SATWE中的温度定义 图3 PMSAP中的温度定义 由结构力学知识可知，温度变化对结构构件的变形可以分为两部分进行考虑，即沿杆件轴线方向的伸缩和截面绕中性轴的转动，此时杆件不存在剪切变形；而沿杆件的轴向变形即杆件的均匀升温或降温引起的伸长或缩短，绕中性轴的转动即杆件内外表面温差造成的弯曲；复合变形如图4所示，图中α为材料的线膨胀系数，而对于这两部分的变形也可由结构力学知识进行求得。 图4 温度变化引起的杆件变形 2 . SATWE和PMSAP程序中温度荷载的实现 由于一般的建筑结构中出现的温度荷载主要是均匀的普遍升温或者降温作用，所以目前在SATWE和PMSAP软件程序中均采用杆件截面均匀受温、均匀伸缩的温度加载方式，也即对于杆件内外表面的温差影响没有考虑，所以在SATWE和PMSAP程序中对于温度的计算，只考虑了均匀受温引起的轴向变形，不考虑杆件两侧温差所引起的弯曲变形。 在SATWE和PMSAP程序中，设计师在定义温度荷载时，对于梁、柱构件，只需在两端的节点上分别定义节点温差，从而定义了一根杆件温度升高或者温度降低。温差是指结构某部位的当前温度值与该部位处于无温度应力时的温度值的差值。 图5 SATWE中温差的定义 图6 PMSAP中温差的定义 SATWE及PMSAP程序中对于温度荷载的输入时候均可输入升温和降温两个工况，设计师在输入的时候升温填入正值，降温填入负值，对于设计师填入的温差值，SATWE和PMSAP均会把温差转为节点荷载施加在杆件的两端节点上，由材料力学及结构力学的知识可得转换的节点荷载如下图7所示。 图7 温差荷载 在STAWE程序及PMSAP中定义好升温和降温两组工况后，输入温差后选择指定在模型中捕捉相应的节点即可来施加所定义的温度荷载，SATWE及PMSAP程序中施加完的温度荷载如下图8图9所示。 图8 SATWE中温度荷载的布置 图9 PMSAP中温度荷载的布置 在输入温差荷载的时候，SATWE程序及PMSAP程序稍微有点不同，由于在SATWE中都是依据平面进行操作的，所以需要注意的是在SATWE中，前面建模的时候是按照标准层来建模的，然后组装成若干个自然层，而温度荷载的输入使用的是自然层而不是采用标准层来施加的，且自然层号从0层开始，0层对应首层的地面，这样可以方便用户输入地基处的温度变化，SATWE中输入温度荷载的自然层如图10所示；而PMSAP程序中对于温度荷载的输入这一块直接是基于一个三维的空间来输入的，所以在这一块与SATWE中的操作方式稍微有些不同。 图10 SATWE中温度对应的自然层号 定义好温度荷载后，在SATWE的参数工况信息及荷载组合信息中也会出现相应的温度工况及温度荷载组合，设计师可以在该处进行相关组合系数的人为干预。
图11 SATWE中的温度工况
图12 SATWE中温度荷载组合 事实上，温度对构件的影响是不均匀的，对钢构件，由于传热性能好，截面相对也薄，当温度变化时，可以认为截面中的温度是均匀变化的，但是对于混凝土构件，由于截面厚度大，温度从里到外是逐渐衰减的，呈梯度变化，程序目前对于这种梯度变化的荷载无法精细考虑，所以不管是对于混凝土构件还是钢构件，SATWE和PMSAP中都认为截面上的温度是均匀的，这种近似的考虑比较适合用于钢构件，但将使得实心的混凝土结构的温度荷载效应计算偏大，这一点我们设计师应该对程序计算的结果有所了解。 3 . SATWE及PMSAP中温度荷载计算注意事项 很多设计师在使用SATWE或者PMSAP程序计算温度荷载的时候，查看计算结果的时候，感觉内力结果或者结构变形失真了，与自己想象中的结果不符，主要原因是设计师多数忽略了楼板属性这一影响因素，在SATWE及PMSAP中，程序默认的状态下楼板均是一块刚性板，也就是在刚性板的假定条件下，梁构件的膨胀或者收缩的变形必然会收到平面内无限刚的楼板约束住，因此不论最终的计算内力结果还是变形结果肯定是不对的，这也就要求我们设计师在进行结构温度荷载分析的时候，施加完温度荷载后，首先要做的一步就是到程序的前处理中，将楼板的默认刚性板属性改为弹性模属性，当然也可以改为弹性板6属性，这两种板属性均可真实的考虑板的面内刚度，但同时设计师也应该了解到，如果是用弹性板6属性，板的面外刚度也会真实的考虑，在整体的结构分析中，弹性板6假定的情况下，一部分竖向楼面荷载将通过楼板的面外刚度直接传递给竖向构件，从而导致梁的弯矩减小，相应的配筋也比刚性楼板假定减少。而过去所有关于梁的工程经验都是与刚性楼板假定的前提下配筋安全储备县对应的，所以建议设计师不要轻易采用弹性板6假定。 目前程序是按照线弹性理论计算结构的温度效应的，对于混凝土结构，考虑到徐变应力松弛特性等非线性因素，实际的温度应力并没有弹性计算的结果那么大，所以我们设计师也应该清楚这一点，在具体的工程项目中设计师可视具体的情况在组合系数的基础上乘以徐变应力松弛系数0.3，但是对于钢结构不应该考虑此项的折减，温度荷载的组合值系数如下图13所示。
图13 温度荷载的组合值系数 4 . 案例分析 如图14所示为某钢结构厂房结构，共两层，局部带有夹层，结构纵向长度较大，因建筑使用要求不得设置伸缩缝，所以需要进行温度荷载分析，温度荷载考虑全楼最高升温15°，最高降温-15°，注意计算时需要将全楼的楼板设置为弹性模，如图15所示，否则无法正确计算出梁、柱的内力。
图14 钢结构厂房结构
图15 全楼弹性模属性 图16和图17为SATWE中该结构首层梁在升温工况下的弯矩、轴力示意图，温度荷载产生的内力是结构的自内力，应满足自身的平衡条件。由图14可以看出该结构基本对称，所以从图16、图17的梁内力图所示，也基本呈现出对称特性。
图16 升温工况1下的梁弯矩图
图17 升温工况1下的梁轴力图 对于温度荷载在SATWE中及PMSAP中的分析结束后，进入到这两款程序的后处理进行内力查看的时候，会看到增加了两个单工况，温荷1及温荷2，温荷1即对应着升温工况，温荷2对应着降温工况；本工程案例的钢结构厂房在SATWE及PMSAP中计算的结果如下（截取首层左上角部分）：
图18 SATWE中梁弯矩图（温荷1）
图19 PMSAP中的梁弯矩图（温荷1）
图20 SATWE中柱弯矩（温荷1）
图21 PMSAP中柱弯矩（温荷1） 由图18至图21所示，对于温度的分析在SATWE程序中及PMSAP程序中的计算结果是非常接近的，两款软件的计算结果基本一致，所以设计师在需要进行温度荷载的分析时，可以采用SATWE软件，也可以采用PMSAP软件进行分析。但是同时对于温度分析这块，设计师应该清楚的是，全楼升温或者降温的荷载是比较粗略的，通常情况下产生的内力也不大。如果设计师需对温度做更精细的分析，就需要设计师对温度场有比较准确的定义。 5 . 总结 本文主要介绍了SATWE软件及PMSAP软件程序中对于温度荷载是如何进行分析的，帮助我们设计师更好的理解和应用这两款软件进行温度荷载的分析，我们很多设计师在使用软件中可能不关注这一块，往往在施加完温度并计算结束后，首先就是看结构的配筋，看看配筋有没有红，有没有超限的构件，而对于温度荷载程序计算的准不准确并不关注或者关注的较少，计算完后可能对于程序如何计算温度荷载的也不了解；因此本文主要是对这两款常用的软件介绍并以一具体的工程案例分析对比来帮助设计师更好的了解SATWE及PMSAP程序对温度荷载的计算机制。 |
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