煉油工業主廠房混凝土框架結構溫度應力分析

摘要:從原理上分析了煉油工業中混凝土框架結構受到破壞以及不穩定的形式，首先根據煉油廠主廠房混凝土框架在機構和功能上的特點，分析了煉油工業主廠房混凝土框架結構受力的特點，由于煉油工業溫度的變化，引起框架局部受熱變形，形成一定的推力或拉力，對框架的內力形成原理，計算假定以及各種內力計算方法進行了分析，針對這個方面的問題，提出了解決方法，提出了在煉油工業主廠房混凝土框架設計時應注意的問題。

關鍵詞:煉油工業主廠房;混凝土框架結構;溫度應力;有限元分析

中圖分類號:TQ178 文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)02-0273-01

在煉油工業主廠房混凝土框架結構中，由于其功能上的特點，受到的溫度變化比較明顯。由于混凝土的導熱系數小，在外表面的溫度突變的情況下，混凝土內各層的溫度變化要慢的多，存在明顯的滯后現象。由于混凝土結構溫度分布的不均勻性和復雜性導致混凝土結構中溫度效應(主要包含溫度應力和溫度變形)的產生。這種溫度效應具有如下特點:

(1)它與一般的載荷應力不同，基本上應力和應變不再符合簡單的虎克定律關系，出現應變大而應力下，應變小而應力大的情況。

(2)在混凝土框架結構中的溫度應力也是非定常的，具有明顯的時間性，溫度應力形成的部位和大小與混凝土框架結構受熱部位、受熱溫度、受熱時間、溫度升降速度等都有很大的關系。甚至與季節特征也有很大的關系。

(3)由于混凝土結構的原因，形成的溫度載荷沿壁板厚度方向具有明顯的非線性，在煉油工業混凝土主廠房框架結構中，框架結構一般是一個整體的結構，在這個整體結構中，框架各部分之間的作用是互相制約的，存在著牽制作用，當某一部分受到溫度應力作用發生變形時，推動著相鄰的部位發生位移。沒有發生變形的或者是熱變形已經穩定的管道阻值阻止著相應部位的位移，兩者互相牽制，使得整個混凝土框架的應力和變形存在一個比較復雜的非線性關系。

(4)溫度應力是一種變形受到約束后積累起來的應力，與材料本身的物理性質有關;

煉油工業混凝土廠房受到的溫度應力作用主要表現在梁、柱、剪力墻和筒體等各個方面。

梁是煉油工業主廠房框架結構中的主要水平受力構件，在溫度變化的作用下，梁的溫度應力包括軸向力(壓力和拉力)以及繞界面強軸的彎矩。在各種溫度工況作用下引起的梁水平軸力均在廠房主框架的底層出現最大值，且最大值位置一般發生在梁軸線長度較長，抗側移剛度較大的軸上，隨著框架位置的升高，梁軸力因約束作用減小而迅速下降。

柱子是框架部分的豎向主要受力構件，由于主廠房的上部一般不受外界約束的作用，沿著建筑高度方向的柱子可以自由熱脹冷縮，因此在溫度應力作用下，豎向柱子的軸力較小，這一點與梁受溫度作用下的受力有本質的區別。

另外，剪力墻和筒體存在是加大建筑結構溫度應力的主要因素，正是由于廠房的縱向端部設計了筒體結構，大大限制了結構的梁和樓板等構件的水平伸縮，從而引起了很大的溫度應力，在廠房框架部分中布置的分段剪力墻也起著增大梁、樓板溫度應力的作用，筒體對梁、板的約束作用另一方面也使其自身受到很大的反作用力。

混凝土框架結構中由于溫度變化的作用形成的溫度應力綜合表現為拉力和壓力的作用，混凝土是脆性材料，在受拉與受壓時表現出不同的特性，混凝土的軸心的抗拉強度約為抗壓強度的1/17~1/8。因此，在混凝土框架結構設計中，為了防止較大拉力的出現，一般在混凝土框架結構中設置多個伸縮縫，從而控制較大拉力作用的出現。

在煉油工業主廠房結構中，由于功能的需要，需要的空面體積較大，因此，一般不設伸縮縫，致使混凝土結構的構件一般較長，對超長結構的溫度變形與溫度應力若在結構設計中處理不當，將使結構產生裂縫，嚴重者將影響結構的正常使用。由于煉油工業主廠房受力比較復雜，溫度變化也存在不確定性，導致計算廠房結構溫度應力存在著較大的困難，這就使得研究和設計人員采取簡化的計算方法，得出的結構粗糙。甚至一些廠房結構設計中都不考慮溫度的作用，只做結構和功能上的處理。因此，溫度效應是我國現在一些廠房結構設計中重要的研究課題之一。

對高層建筑豎向溫度內力的考慮，主要是在兩個方面:其一是整體溫度內力，由不同的構件之間的溫度差所引起的，這部分溫度內力，是連接構件如梁、板對構件的變形差進行約束產生的內力;其二是局部溫度內力，由外表構件自身的內外表面溫度所引起，溫度作用的計算主要是通過等效穩態傳熱法、指數曲線法、線性分步法三種方法來確定，這三種方法各有特點，應根據具體情況進行選用。進行整體溫度內力計算時多采用的是線性分布法。

混凝土建筑的豎向整體溫度內力是由于不同的豎向構件間的溫度變形差受到約束而引起的，這個問題對于高層建筑來說，豎向變形差的累積效應使之不能被忽略，但在煉油工業主廠房結構中，由于其相對高度較小，所以豎向變形較小，影響不明顯而經常被忽略。若進行精確計算時，常采用的計算方法有迭代法、解析法(微分方程法)、等代箱體法、數值法等等。

局部溫度應力是由外表構件自身內外表面的溫度差引起的變位差受到約束而產生的內力，這種局部溫度應力，有的是由于外表構件的內部纖維彼此約束而產生的，有的是由于梁、板等連續構件對節點的約束而產生的，常用的計算方法有:

(1)完全約束法。

這是一種簡化計算的方法，它假定外表構件的溫度梯度呈線性分布，并假定在局部溫差作用下樓層處的節點無側移及無轉角，此時構件處于純彎曲狀態，其溫度彎矩公式可以寫成Mz=a0·ΔT·E·Wz。由于梁柱的實際尺寸，不可能使節點完全做到無側移、無轉角。當然也不會產生不受任何約束的自由變位，實際的情況應當是介于這兩種情況之間。若需進一步提高精度，則可在考慮梁、柱的相對剛度后，適當的減少柱的抗彎剛度來考慮這種影響。

(2)有限元法。

有限元法計算局部溫度應力時是將連續的結構體離散化為有限個單元，由于單元之間除在節點處有聯系外彼此獨立，所以在計算局部溫度內力時，只需將溫度變化劇烈的外表構件細分為若干個單元，并將同樣離散后的溫度作用分別作用到各個單元上，將溫度作用加到荷載列陣中，最后通過方程的求解，得到溫度內力，計算公式可寫為[k]{δ}={P}+{pt}，其中，{pt}是溫度作用，這種計算方法由于計算量非常大，適用于計算機運算，并已在一些計算機應用軟件如SAP，MFEP等中得到實現，采用這種數值分析的方法，可分析比較復雜的結構體系與溫度作用情況，但它的計算工作量較大，由于整個結構的劃分可認為控制，所以可滿足所需要的計算精度。這種有限元計算方法同樣可以用在框架結構整體內力的計算當中。有限元法計算建筑結構的溫度應力問題，具有計算精度高、適用范圍廣等優點，因此，有限元法已經被廣泛應用于結構溫度問題的研究工作。

對于在設計中如何考慮結構的溫度效應問題，我國現行的規范尚未作出明確規定，因此應采用適當的措施以控制混凝土結構的溫度效應，可以采用抗、放、防三種措施。例如，對于減小混凝土應力的措施，一方面可以采用相應的施工工藝措施來減少應變量，相應的計算結構表明，較少水泥泥漿量，水灰比都可以比較大的減少鋼筋混凝土在溫度作用下的形變量，從而減小應力作用。另外，外約束也是煉油廠房混凝土結構產生較大應力的原因之一，當外約束接近完全約束時，結構內的溫度應力便同結構長度沒有關系而變得很大，因此，在煉油工業主廠房混凝土框架結構設計中，改善約束情況是設計方面應該采取的必要措施，它能大大的環節結構中的溫度收縮應力。

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