钢筋混凝土结构设计中温度应力的控制探讨

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摘要：目前，建筑形态的变化，导致建筑结构变化越来越复杂，钢筋混凝土结构的应用广泛应用，其具有强度高、整体性好、耐久性好、耐火性好、可塑性好等优点，但是也有一些缺点，钢筋混凝土结构温度裂缝就普遍存在，主要是温度对钢筋混凝土结构的影响。本文主要对钢筋混凝土结构设计中温度应力的控制进行分析。

关键词：钢筋混凝土；结构设计；温度应力

中图分类号： TU37文献标识码： A

温度应力及温度应力对钢筋混凝土结构的影响

温度应力概念

在各种温度变化的影响下，钢筋混凝土结构内部与表面往往会发生变形，当该变形受到刚度过大的构件约束时将发生温度应力，当温度应力达到一定数值时，结构内部的微观裂纹将会发展成为宏观裂缝。

钢筋混凝土结构中混凝土和钢筋拥有基本相等的温度膨胀系数，然而因为不存在收缩性质，钢筋将对温差作用下的混凝土收缩发生阻碍，进而对混凝土产生拉应力。结构构件截面配筋量越大，这种拉应力越大，结构构件越容易发生裂缝。

温度应力对钢筋混凝土结构的影响

温度应力对建筑物的影响主要在两个方面，一个是高度方向，另一个是长度方向。

在高度方向，对于多高层钢筋混凝土结构，混凝土的自身收缩与温度应力的危害在顶层与底部较为显著。这是由于在房屋底部温度变形与收缩会受到基础的约束。但在顶部，日光直接照射在屋盖上，相对其下各层楼盖，顶层楼盖温度变化强烈，并且因为受到其下数层楼盖的约束，进而在房屋建筑中经常能在顶部看到温度裂缝与收缩。在长度方向，当房屋的长度越大，楼板与梁等连续构件由于温度变化与混凝土自身收缩引起的长度改变就越大。如果这些纵向长度变化受到竖向构件（柱、墙）的约束，在楼盖结构中将发生压应力或拉应力。

现浇钢筋混凝土结构的温度效应分析

钢筋混凝土结构的温度效应受收缩当量温差、日照作用、季节温差的影响，本文主要对收缩当量温差进行分析。

收缩当量温差作用下钢筋混凝土结构的温度效应分析如下：

（一）楼板温度效应分析

在均匀温度作用下用来模拟钢筋混凝土楼板的矩形壳单元，如果不受任何约束，会沿板面方向自由伸展，在垂直于板面方向不发生变形；当有外界限制时，板的变形被完全或部分限制，板单元内将发生温度应力与温度变形。

1、板温度变形

在收缩当量温差作用下，底层与顶层楼板的温度变形图分别如图1与图2所示。

图1 底层楼板变形图

图2 顶层楼板变形图

通过图1和图2可知，在混凝土收缩当量温差作用下，楼板的最大温度变形出现在顶层楼板的最外端点处。每一层楼板的温度变形都遵循中轴线附近的变形最小，随着远离中轴线的位置越远，温度变形就不断增加的规律。因此，楼板纵向端部处的位移矢量都能够达到该层的最大值。

2、板温度应力

在混凝土收缩当量温差作用下，底层楼板与顶层楼板的温度应力分布图分别如图3与图4所示。

图3 底层楼板的温度应力分布图图4 顶层楼板的温度应力分布图

经过图3与图4得出，在混凝土收缩当量温差作用下，底层钢筋混凝土楼板的温度应力最大，最大温度应力为9.54MPa。引起最大底层温度应力的原因是：在温度荷载相同的情况下，底层楼板距离基础最近，受到基础的约束最大。随着楼层的增加，基础对楼板的约束作用逐步变小，楼板的温度应力不断降低。

（二）梁温度应力

如果梁的两端没有外界约束，那么梁仅发生沿其轴向的伸缩而不发生温度内力。如果梁的两端被完全固接，梁的轴向变形被限制，进而发生轴向力(拉力或压力)，然而并不是产生弯矩。但当梁的端点受到竖向钢筋混凝土柱的约束与侧面楼板的不均匀约束时，梁内不但将发生轴力，而且也将发生弯矩。在实际工程中，梁梁交点、梁柱交点、梁和楼板的交点常常是不均匀的侧面约束。以梁柱交点为例，柱子对梁的温度变形起着一定的约束作用，然而并不是理想状态下的完全固接，柱子自身既要温度变形又受到梁对它的约束反作用力。所以，柱端与梁端都将发生弯矩，而弯矩的大小和柱梁线刚度比有关，柱梁线刚度比越大，弯矩越大；反之，弯矩越小。

三、避免或减小温度应力影响的构造措施

（一）设置伸缩缝

我们都知道建筑物构件会随着天气温度的变化发生热胀冷缩现象，容易产生破坏或者形成裂缝，为防止这种状况发生，施工时一般可设置伸缩缝，伸缩缝是一种构造缝，一般沿着建筑物的长度方向选择合适的部位每隔一定的距离竖向设置，可见伸缩缝也会将楼板、屋顶、墙体等分成两个独立的部分，将构件全部断开，而建筑基础深埋于地下受温度的影响并不明显，无需断开。伸缩缝的宽度通常情况下是2cm~3cm，缝内可填充入保温材料，伸缩缝的间距则应根据结构规范并结合工程实际情况设置。在建筑结构设计的相关规范中进行了明文规定，当现浇钢筋混凝土结构长度超过一定的限度时就要设置伸缩缝，这种要求在实践中是得到了广泛验证的，因为有数据显示，建筑物长度在达到约70m的范围时，温度应力的增加非常显著。混凝土结构伸缩缝的设置，断开了上部结构，使得构件能够进行自由的伸缩调整，并形成了独立温度区段。但在框架结构中设置伸缩缝弊端也是很明显的，主要体现在该构造较为复杂，加大了施工的难度，在屋顶伸缩缝处对防水构造也形成影响，且易引发漏水现象。总体上美观度不好，材料资源浪费较大，造价增加较多。

设置后浇带

后浇带是高层建筑结构设计和施工中经常使用的方法，它是在用临时的施工缝将结构临时性的分割成几个部分，待构件完成内部收缩后再对这些位置进行处理，将结构连接成整体，后浇带可以解决沉降差和减少温度收缩，后浇带的运用能够对早期混凝土收缩应力进行有效释放，从而降低收缩变形。如果建筑物比较长，可设置后浇带，注意后浇带位置的选取应在对结构不构成影响的地方，条件允许时可以用设置后浇带的方式来替代伸缩缝。后浇带的位置和布置应严格按照结构规程，并结合工程实际情况来实施。后浇带的封闭应选择气温较低时进行，应选用微膨胀混凝土，要比原结构的混凝土强度增加一级，同时加强养护，注意避免热天补冷天留下来的缝或者冷天补热天留下来的缝。

采用预应力混凝土结构和加强构造配筋

对于预应力混凝土结构来讲，混凝土温度变化和收缩产生的轴向拉应力可以被梁板中所产生的预压应力抵消掉，这样就延缓了混凝土的开裂，能够达到扩大温度伸缩缝间距不设缝的目的。

工程实践表明，无粘结预应力筋对于温度应力的削减作用还是很明显的，此外对于应力分布也有良好改善作用，经验表明，无粘结预应力筋的配置在板上要比在主梁上效果好，控制的效果与布筋形式的关系并不大，而主要取决于无粘结筋布置的总量。

边跨柱的温度内力和变形较大，为适应变形和内力的要求，必须要加强该处的配筋。在建筑的底板和顶部几层楼板所受的温度应力是比较大的，为控制温度裂缝的形成必须加强温度构造配筋；另外，由于应力集中的原因，与边柱交接处板底部会因为应力集中而导致应力的极值，为应对这种情况，结构设计工程师在做设计时应在纵向边柱交接处楼板配上下两层钢筋。对混凝土梁的腰部增配构造钢筋，这种构造配筋的规格和直径要严格遵循结构设计规程中的标准，并且结合建筑结构的实际情况加以科学的设定。

结束语

混凝土结构温度应力的计算及其对结构构件的影响是一个较为复杂的问题，由于温度变化存在很多的不确定性，使得现浇钢筋混凝土结构温度问题的研究变得非常困难，因此，在对钢筋混凝土结构设计时，要认真考虑温度应力对钢筋混凝土的影响。

参考文献

[1]叶国认.超长混凝土结构温度应力研究与应用[J].广东建材,2011(07).

[2]华旦,吴杰,干钢.超长混凝土结构的温度应力分析与设计实践[J].建筑结构,2012(07).