基于高層建筑在晝夜溫差作用下的溫度問題研究

姜麗敏　　吳淑琴

[摘要]研究高層建筑在晝夜溫差作用下的溫度效應(yīng)問題。根據(jù)晝夜更替造成的結(jié)構(gòu)溫度變化特點，采用線性分布法計算溫度荷載，通過與季節(jié)性降溫工況作用下的高層建筑物溫度效應(yīng)對比，分析不同工況引起高層建筑物溫度效應(yīng)差異的原因，總結(jié)晝夜溫差給建筑物帶來的不利影響。

[關(guān)鍵詞]高層建筑晝夜溫差研究

中圖分類號：TU97文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210095－01

由于晝夜溫差作用每天都會發(fā)生，考慮四季的輪回和氣候的差異，晝夜溫差對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度作用不斷變化，由此帶來的不利影響將隨著建筑物服役期的增長變得愈發(fā)突出，這一點已引起了科研人員的關(guān)注。許多工程實例表明，暴露于大氣中的建筑外圍構(gòu)件開裂現(xiàn)象普遍，直接影響建筑物的正常使用，降低了結(jié)構(gòu)的耐久性能。

一、晝夜溫差作用工況

晝夜溫差是由于日落后室內(nèi)外溫度變化。從而引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)外構(gòu)件之間的溫度差值。一般情況下，依據(jù)正常工作使用要求，現(xiàn)代辦公建筑物室內(nèi)溫度由空調(diào)調(diào)節(jié)保持在恒定的水平上，但曝露在大氣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)外圍構(gòu)件(如建筑屋面板、外圍墻體和剪力墻體)的外表溫度將隨著大氣溫度的升降而改變。

二、溫度效應(yīng)計算與分析

(一)力學(xué)模型建立

采用大型通用結(jié)構(gòu)分析程序SUPER SAP對整體建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模。在對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散時，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受溫度作用的特點，選擇相應(yīng)的單元進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)中梁和柱構(gòu)件采用三維空間梁單元模擬，結(jié)構(gòu)中的樓板、剪力墻、簡體均采用四節(jié)點矩形薄板單元模擬，部分無法實現(xiàn)規(guī)則矩形單元模擬的位置則以三角形薄板單元或不規(guī)則四邊形單元模擬，整體結(jié)構(gòu)的有限元劃分情況為：粱和柱共劃分10845個梁單元，6726個節(jié)點；樓板共劃分6776個板單元，7770個節(jié)點。

(二)溫度效應(yīng)分析

1．結(jié)構(gòu)整體變形。在晝夜溫差作用下，外圍構(gòu)件遭受晝夜降溫作用，整體建筑表現(xiàn)出收縮變形，變形最大位置在建筑縱向兩側(cè)筒體頂部外邊緣，此處受到底部基礎(chǔ)的約束作用和構(gòu)件之間的相互制約作用最小，自由變形的能力可得到較大充分發(fā)揮。經(jīng)過對變形結(jié)果統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)中節(jié)點絕對位移最大值為4.715m。由于建筑物的平面布置形式為東西軸向?qū)ΨQ，溫度作用又是均勻施加在整體建筑上，因此，從結(jié)構(gòu)整體變形圖中觀察到，變形也是關(guān)于其橫向中軸完全對稱，并且在中軸線附近的節(jié)點位移值較小，隨著向外圍擴(kuò)散，節(jié)點的位移逐漸增加。相對于建筑底部，樓層越高變形越大，由此驗證了溫度效應(yīng)是溫度變化與外界約束共同作用的結(jié)果，并符合熱脹冷縮的物理概念。

2．構(gòu)件溫度效應(yīng)分析。由于組成建筑結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)件本身特性不同，其在溫度作用下的溫度內(nèi)力或應(yīng)力的數(shù)值和分布也具有各自的特點和規(guī)律。下面分別分析結(jié)構(gòu)各種構(gòu)件在晝夜溫差作用下的溫度效應(yīng)。

(1)梁構(gòu)件。所有梁構(gòu)件都靠近結(jié)構(gòu)外圍，雖然結(jié)構(gòu)中的梁屬于內(nèi)部構(gòu)件，不直接受溫度作用，但外圍剪力墻由于自身的溫度變形受到約束，帶動與其相交的外側(cè)粱構(gòu)件一起產(chǎn)生內(nèi)力。因為它們本身不受溫度作用，受外圍構(gòu)件的牽連影響也較弱，由此可見，晝夜溫差作用主要影響范圍集中在結(jié)構(gòu)的外圍構(gòu)件。隨著樓層的升高，各個樓層的梁軸力呈現(xiàn)遞減的規(guī)律。在每一樓層內(nèi)依然是周邊梁構(gòu)件的軸力相對較大，柱網(wǎng)內(nèi)部梁軸力較小，與第1層的分布特點相同。從有限元程序搶出的各層梁端彎矩分布圖中發(fā)現(xiàn)，梁彎矩并不像梁軸力那樣具有明顯地隨樓層位置變化規(guī)律，彎矩的分布主要由梁端的剛度狀態(tài)來決定。結(jié)構(gòu)中剛度較大的節(jié)點部位是梁端彎矩突出的位置，應(yīng)在設(shè)計和施工中加以重視。

(2)樓板及屋面板。樓板和屋面板對溫度作用較為敏感，尤其建筑屋面板常常發(fā)生開裂、變形，影響建筑物的正常使用。

結(jié)構(gòu)中樓板產(chǎn)生溫度應(yīng)力的原因為：外圍構(gòu)件(邊緣梁板單元、剪力墻、筒體)在晝夜降溫工況作用下發(fā)生收縮變形，而樓板不直接受溫度作用，外圍構(gòu)件和樓板在交接板單元處發(fā)生擠壓，由此應(yīng)力狀態(tài)波及至平面內(nèi)部。相比之下，頂部突起部分的平面面積和縱向長度較小，又不與簡體和剪力墻交接，其自由變形受到的約束相對較少。

(3)柱子、剪力墻及簡體。豎向構(gòu)件的溫度效應(yīng)主要起因于豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件的變形不協(xié)調(diào)性，兩者之間產(chǎn)生了相互制約作用，柱子底部的軸力逐漸減小。B軸線柱列中，邊柱和對稱軸附近柱子的底部軸力較大，而其間的柱底部軸力相對較小，最大值出現(xiàn)在B－6，B－8軸柱的底部，軸力值為770.8kN。c軸柱列中對稱軸兩側(cè)的6，8軸線柱底部軸力較大，軸力值為776.1kN，沿c軸由中軸向兩側(cè)柱列底部的軸力逐漸減小。這是由于B、c軸線與橫向?qū)ΨQ軸的交叉處設(shè)計了短剪力墻，提高了這些位置的抗側(cè)移剛度，但也不可避免地造成了這些部位的溫度效應(yīng)較為顯著。溫度作用直接影響的建筑頂部幾層的柱端彎矩較大，最大彎矩值達(dá)到312kN·m。柱端彎矩與梁端彎矩分布規(guī)律相似，在溫度工況作用下，剛度較大的梁柱節(jié)點處必然產(chǎn)生較大的端彎矩。

三、結(jié)論

根據(jù)上述對結(jié)構(gòu)中各種構(gòu)件溫度效應(yīng)進(jìn)行的分析，可以得出以下結(jié)論：

1．在晝夜溫差作用下，建筑外圍構(gòu)件發(fā)生溫度變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件溫度狀態(tài)保持不變，這就決定了該種工況引起的溫度效應(yīng)主要集中在建筑結(jié)構(gòu)的外圍構(gòu)件上，建筑底部幾層的邊梁、邊柱以及外圍樓板都是溫度應(yīng)力比較集中的部位，但柱網(wǎng)內(nèi)部的大部分單元受到的影響較小。

2．季節(jié)性降溫溫度效應(yīng)主要體現(xiàn)在建筑底部和頂部幾層，產(chǎn)生這樣的溫度效應(yīng)原因在于，構(gòu)件的自由溫度變形受到基礎(chǔ)的約束而在構(gòu)件中產(chǎn)生內(nèi)力，同時內(nèi)外變溫幅度不同，使邊緣構(gòu)件上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；造成晝夜降溫溫度效應(yīng)的原因在于，結(jié)構(gòu)外圍構(gòu)件隨溫度變化發(fā)生變形，受到相鄰無變溫的內(nèi)部構(gòu)件的制約，限制其溫度自由變形，并且以產(chǎn)生內(nèi)力或應(yīng)力的代價使內(nèi)外構(gòu)件之間原本不協(xié)調(diào)的變形趨于協(xié)調(diào)。

3．晝夜更替溫度作用是一種周期性往復(fù)循環(huán)作用。雖然相比于季節(jié)性降溫作用，其引起的溫度效應(yīng)值較小，但對于建筑物而言，該種工況所產(chǎn)生的局部溫度效應(yīng)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外圍構(gòu)件與內(nèi)部構(gòu)件之間的變形難以協(xié)調(diào)；再者，外圍結(jié)構(gòu)所受的約束作用小，溫度變形大，由此可能造成外圍結(jié)構(gòu)開裂，嚴(yán)重者會影響建筑物的正常使用，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。不過，隨著現(xiàn)代建筑材料技術(shù)的發(fā)展，以及對建筑立面裝飾要求越來越高，外墻裝飾也將兼具保溫隔熱的作用，將減小由晝夜溫差作用引起的不利影響。