浅谈温度对结构的影响

滕润春

温度对结构的影响是一个值得研究的因素。从钢结构到混凝土,从施工到正常使用,温度的分布和变化对结构的影响不容小视。

1 温度应力

温度应力是当一物体中产生不均匀温度分布时形成的。若取物体的一部分来考虑,由于受温度不同的相连接部分的影响,结果会使膨胀或收缩受到约束,从而产生应力。由于温度变化不均匀,使物体各部分膨胀或收缩不同的量,然而物体还是要保持一个连续整体,各部分由于温度变化自由胀缩是不允许的,因此结构内部各部分之间产生相应的约束和应力,这种由结构内部温差所产生的应力称为温度应力。

由于温度分布不均匀,一般产生弹性约束,则各单元体的实际变形便会由两部分组成,即约束应变,自温度相对变形。假定某点的承受温差为Δt,线膨胀系数为α,则任何一点(微小立方体)的相对变形对空间问题(三维问题),即三向弹性约束问题来说有公式:

2 温度应力对大跨度钢结构的影响

对于一般中小型跨度结构的受力性能对温度的反应不明显,但对于大跨度空间结构,温度引起的变形大导致构件的附加应力和支座反力增加,结构的竖向和水平位移变大。随着现代大型体育场馆(主要是钢结构)的大规模修建,温度应力对大跨度钢结构的影响成为一个具有普遍意义的话题。例如太阳光照对温度应力的影响,如图1,图2所示为一个网壳在太阳斜射角为60°的情况下的温度场及在该不均匀温度场作用下的网壳的竖向位移分布。表1为该网壳在两种工况下的内力和变形情况。

表1 不同工况下某单层网壳的最大内力、反力和位移

从表1中可看出,温度应力对大跨度钢结构的影响不容小视,是设计中不可回避的问题。

某体育馆双曲抛物面网壳屋盖平面尺寸为63 m×63 m,当温度差为30℃时,拱向桁架弦杆温度应力最大达到51 MPa。若结构使用Q235钢,钢材设计强度210 MPa,温度应力占到设计强度的24%。另有一双层双曲线网壳冷却塔,高度32 m,底部内侧半径12.3 m,喉部内侧半径7 m,部分杆件的温度应力达到 50 MPa以上。钢结构中的温度作用还会对其支承结构产生影响。某工程屋面选用75 m跨度钢管拱架,温度变化产生的拱脚水平推力达到了312 kN,而下部结构顶端所能承受的推力为1 010 kN,可见温度作用占到其全部承载力的30%。

3 温度对混凝土养护的影响

实验表明,混凝土浇筑后强度的增长速率是随着养护温度的增高而加快的,也是随着龄期的增长而渐减的。温度对混凝土强度的影响主要是在形成强度的前10 d左右的时间,而对混凝土在28 d后的强度影响比较小。特别是在冬季施工,混凝土在浇筑后尚未硬化前,低温下内部水在结冰时体积会发生9%左右的增长,同时产生约2 500 kg/cm2的冰胀应力。这个应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值,使混凝土受到不同程度的破坏(即早期受冻破坏)而降低强度。此外,当水变成冰后,还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的结晶,减弱水泥浆与骨料和钢筋的粘结力,从而影响混凝土的抗压强度。当冰凌融化后,又会在混凝土内部形成各种各样的空隙,从而降低混凝土的密实性及耐久性。

在实践中,混凝土低温下提高温度的养护主要使用的有蓄热法和外部加热法。具体如下:

1)蓄热法:主要用于气温-10℃左右,结构比较厚大的工程。做法是:对原材料(水、砂、石)进行加热,使混凝土在搅拌、运输和浇灌以后,还储备有相当的热量,以使水泥水化放热较快,并加强对混凝土的保温,以保证在温度降到0℃以前使新浇混凝土具有足够的抗冻能力。此法工艺简单,施工费用不多,但要注意内部保温,且要延长养护龄期。2)外部加热法:主要用于气温-10℃以上,而构件并不厚大的工程。通过加热混凝土构件周围的空气,将热量传给混凝土,或直接对混凝土加热。蒸汽养护:用蒸汽使混凝土在湿热条件下硬化。此法较易控制,加热温度均匀。但因其需专门的锅炉设备,费用较高。电加热:将钢筋作为电极,或将电热器贴在混凝土表面,提高混凝土的温度。此法简单方便,热损失较少,易控制,不足之处是电能消耗量大。红外线加热:用高温电加热器或气体红外线发生器对混凝土进行密封辐射加热。

4 混凝土冻融破坏

温度的交替变化对混凝土损伤和破坏主要表现在混凝土冻融破坏。随着冻融次数的增加,混凝土的强度特性均呈下降趋势。

混凝土冻融破坏是我国东北、西北和华北地区水工混凝土建筑在运行过程中产生的主要病害,对于水闸、渡槽等中小型水工混凝土建筑物,冻融破坏的地区范围更为广泛。如东北的云峰水电站,大坝建成运行不到10年,溢流坝表面混凝土冻融破坏面积就高达10 000 m2,占整个溢流坝面的50%左右,混凝土平均冻融剥蚀深度达10 cm以上。

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