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PKPM温度荷载计算要点及实例解析 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