温度荷载在设计软件中的实现机制

刘丽珍，徐卫东

（北京构力科技有限公司，北京100013）

1 引言

温差效应对结构来说属于一种间接作用，GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）（以下简称《混规》）5.7.1 条指出：“当混凝土的收缩、徐变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，《混规》做出了一些构造上的规定，如8.1.1 条规定了钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距。

在很多的实际工程中，伸缩缝的设置可能会给整个结构的使用带来负面影响，所以超长结构在很多情况下，不允许进行伸缩缝的设置，这时就需要进行一些特殊的计算分析。《混规》8.1.3 条也有相应的规定，“当伸缩缝间距增大较多时，应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响”。对于此条文，由结构力学知识可知，对于超静定结构，温度变化的间接作用会引起结构变形，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开裂甚至会使结构的受力形态发生变化，因此，有必要对温度作用进行分析。

多高层建筑的温度场难以确定，同时混凝土的收缩、徐变随时间变化的因素也难以量化，所以通常情况下很难准确计算出建筑结构的温度效应。JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中并不要求直接计算温度作用的非荷载效应，对于温度效应都是强调由构造措施进行控制[1]。

2 温度荷载引起结构变形

SATWE 和PMSAP 软件都具备计算温度荷载的功能，在进行温度分析之前，应合理确定结构的温度场。目前，在SATWE 及PMSAP 程序中是通过设定节点处的温差来定义温度荷载，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，从而能够较准确地考虑温度对结构的影响，有助于设计人员采取合理的对策和措施。

由结构力学知识可知，温度变化引起结构构件的变形可以分为两部分考虑：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。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。

3 SATWE 及PMSAP 程序中温度荷载的实现

建筑结构中出现的温度荷载一般为均匀升温或降温引起的。目前，在SATWE 及PMSAP 软件中均采用杆件截面均匀受温、均匀伸缩的温度加载方式，未考虑其对于杆件内外表面的温差影响，所以在SATWE 及PMSAP 软件中对于温度的计算，只考虑均匀升温引起的轴向变形，不考虑杆件两侧温差所引起的弯曲变形。

在SATWE 及PMSAP 软件中，对梁、柱构件定义温度荷载时，只需在两端的节点上分别定义节点温差，进而定义一根杆件温度升高或温度降低。其中，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温度值的差值。

SATWE 及PMSAP 软件中对于温度荷载的输入，均可输入升温和降温两个工况，升温填入正值，降温填入负值，SATWE 和PMSAP 软件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知识可转换得到节点荷载由式（1）计算：

式中，F 为由升温或降温引起的作用力；EA 为抗拉或者抗压刚度；α 为线膨胀系数；ΔT 为温差。

在STAWE 及PMSAP 软件中，定义好升温和降温两组工况后，输入温差，在模型中指定捕捉相应的节点即可来施加所定义的温度荷载[2]。

在输入温差荷载的时候，SATWE 及PMSAP 软件稍有不同：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，前面建模时是按照标准层进行建模的，组装成若干个自然层，而温度荷载的输入使用是自然层而不是采用标准层进行施加的，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；而PMSAP 软件中对于温度荷载的输入是基于一个三维的空间进行输入，与SATWE 中的操作方式稍有不同。

事实上，温度对构件的影响是不均匀的。对于钢构件，由于传热性能好，截面厚度相对也薄，当温度变化时，可以认为截面中的温度是均匀变化的；但对于混凝土构件，由于截面厚度厚，温度从里到外是逐渐衰减的，呈梯度变化，目前软件对于这种梯度变化的荷载无法精确考虑。所以不管对于混凝土构件还是钢构件，SATWE 及PMSAP 软件中都认为截面上的温度是均匀的，这种近似的考虑适合用于钢构件，会使得实心混凝土结构的温度荷载效应计算偏大，设计人员应多加注意[3]。

4 SATWE 及PMSAP 中温度荷载计算注意事项

使用SATWE 或者PMSAP 软件计算温度荷载时，一定要注意楼板属性的设置，否则会导致内力或者结构变形失真，与预期的结果不符。其主要原因是在SATWE 及PMSAP 中，软件默认的状态是楼板均为一块刚性板，在刚性板的假定下，梁构件的膨胀或收缩的变形必然会受到平面内无限刚性楼板约束，因此，最终的计算内力结果和变形结果肯定是不正确的。这就要求在进行结构温度荷载分析时，施加完温度荷载后，在SATWE 及PMSAP 软件的前处理中，将楼板的默认刚性板属性改为“弹性模”属性，也可改为“弹性板6”属性，这两种板属性均可考虑板的真实面内刚度。在整体的结构分析中，在“弹性板6”属性假定的情况下，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，相应的配筋数量也比刚性楼板假定条件下的配筋数量减少。以往，有关于梁的工程经验都是与刚性楼板假定前提下的配筋安全储备相对应的，所以通常情况下不轻易采用“弹性板6”假定。

目前，SATWE 及PMSAP 软件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的非线性因素，实际的温度应力并没有弹性计算的结果那么大，所以，在具体的工程项目中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，但对于钢结构不应该考虑此项的折减。

5 案例分析

某钢结构厂房结构，共2 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，否则无法正确计算出梁、柱的内力。钢结构厂房结构计算模型如图1 所示。

图1 钢结构厂房结构计算模型

对于温度荷载在SATWE 及PMSAP 软件中的分析结束后，进入后处理，进行内力查看时，会看到增加了2 个单工况，“温荷1”及“温荷2”，“温荷1”对应着升温工况，“温荷2”对应着降温工况。图2 为SATWE 软件中该结构首层梁在升温和降温工况下梁的弯矩示意图。温度荷载产生的内力是结构的自内力，满足自身的平衡条件，该结构基本对称，所以梁的内力图也基本呈现出对称性。

图2 升温和降温工况下的梁弯矩示意图

对于温度的分析，在SATWE 及PMSAP 软件中的计算结果是非常接近的，计算结果基本一致，所以在需要进行温度荷载的分析时，可采用SATWE 软件，也可以采用PMSAP 软件。但是对于温度分析问题，设计人员应该清楚的是，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。如果需对温度做更精细的分析，就需要对温度场有比较准确的定义[4]。

6 结语

本文主要介绍了SATWE 及PMSAP 软件中，对于温度荷载是如何软件进行分析的，有助于设计人员更好地理解和应用这两款软件进行温度荷载的分析。日常设计中，设计人员可能在施加完温度并计算结束后，首先看结构的配筋，看配筋有没有红，是否存在超限的构件，而对于温度荷载程序是否计算准确关注得较少或并不关注，对于软件如何计算温度荷载也不了解。因此，论文主要是对这两款常用的软件进行介绍并以具体的工程案例进行分析对比，使有关人员更好地了解SATWE 及PMSAP 软件对温度荷载的计算机制。