淺談溫度對結構的影響

滕潤春

溫度對結構的影響是一個值得研究的因素。從鋼結構到混凝土,從施工到正常使用,溫度的分布和變化對結構的影響不容小視。

1 溫度應力

溫度應力是當一物體中產生不均勻溫度分布時形成的。若取物體的一部分來考慮,由于受溫度不同的相連接部分的影響,結果會使膨脹或收縮受到約束,從而產生應力。由于溫度變化不均勻,使物體各部分膨脹或收縮不同的量,然而物體還是要保持一個連續整體,各部分由于溫度變化自由脹縮是不允許的,因此結構內部各部分之間產生相應的約束和應力,這種由結構內部溫差所產生的應力稱為溫度應力。

由于溫度分布不均勻,一般產生彈性約束,則各單元體的實際變形便會由兩部分組成,即約束應變,自溫度相對變形。假定某點的承受溫差為Δt,線膨脹系數為α,則任何一點(微小立方體)的相對變形對空間問題(三維問題),即三向彈性約束問題來說有公式:

2 溫度應力對大跨度鋼結構的影響

對于一般中小型跨度結構的受力性能對溫度的反應不明顯,但對于大跨度空間結構,溫度引起的變形大導致構件的附加應力和支座反力增加,結構的豎向和水平位移變大。隨著現代大型體育場館(主要是鋼結構)的大規模修建,溫度應力對大跨度鋼結構的影響成為一個具有普遍意義的話題。例如太陽光照對溫度應力的影響,如圖1,圖2所示為一個網殼在太陽斜射角為60°的情況下的溫度場及在該不均勻溫度場作用下的網殼的豎向位移分布。表1為該網殼在兩種工況下的內力和變形情況。

表1 不同工況下某單層網殼的最大內力、反力和位移

從表1中可看出,溫度應力對大跨度鋼結構的影響不容小視,是設計中不可回避的問題。

某體育館雙曲拋物面網殼屋蓋平面尺寸為63 m×63 m,當溫度差為30℃時,拱向桁架弦桿溫度應力最大達到51 MPa。若結構使用Q235鋼,鋼材設計強度210 MPa,溫度應力占到設計強度的24%。另有一雙層雙曲線網殼冷卻塔,高度32 m,底部內側半徑12.3 m,喉部內側半徑7 m,部分桿件的溫度應力達到 50 MPa以上。鋼結構中的溫度作用還會對其支承結構產生影響。某工程屋面選用75 m跨度鋼管拱架,溫度變化產生的拱腳水平推力達到了312 kN,而下部結構頂端所能承受的推力為1 010 kN,可見溫度作用占到其全部承載力的30%。

3 溫度對混凝土養護的影響

實驗表明,混凝土澆筑后強度的增長速率是隨著養護溫度的增高而加快的,也是隨著齡期的增長而漸減的。溫度對混凝土強度的影響主要是在形成強度的前10 d左右的時間,而對混凝土在28 d后的強度影響比較小。特別是在冬季施工,混凝土在澆筑后尚未硬化前,低溫下內部水在結冰時體積會發生9%左右的增長,同時產生約2 500 kg/cm2的冰脹應力。這個應力值常常大于水泥石內部形成的初期強度值,使混凝土受到不同程度的破壞(即早期受凍破壞)而降低強度。此外,當水變成冰后,還會在骨料和鋼筋表面上產生顆粒較大的結晶,減弱水泥漿與骨料和鋼筋的粘結力,從而影響混凝土的抗壓強度。當冰凌融化后,又會在混凝土內部形成各種各樣的空隙,從而降低混凝土的密實性及耐久性。

在實踐中,混凝土低溫下提高溫度的養護主要使用的有蓄熱法和外部加熱法。具體如下:

1)蓄熱法:主要用于氣溫-10℃左右,結構比較厚大的工程。做法是:對原材料(水、砂、石)進行加熱,使混凝土在攪拌、運輸和澆灌以后,還儲備有相當的熱量,以使水泥水化放熱較快,并加強對混凝土的保溫,以保證在溫度降到0℃以前使新澆混凝土具有足夠的抗凍能力。此法工藝簡單,施工費用不多,但要注意內部保溫,且要延長養護齡期。2)外部加熱法:主要用于氣溫-10℃以上,而構件并不厚大的工程。通過加熱混凝土構件周圍的空氣,將熱量傳給混凝土,或直接對混凝土加熱。蒸汽養護:用蒸汽使混凝土在濕熱條件下硬化。此法較易控制,加熱溫度均勻。但因其需專門的鍋爐設備,費用較高。電加熱:將鋼筋作為電極,或將電熱器貼在混凝土表面,提高混凝土的溫度。此法簡單方便,熱損失較少,易控制,不足之處是電能消耗量大。紅外線加熱:用高溫電加熱器或氣體紅外線發生器對混凝土進行密封輻射加熱。

4 混凝土凍融破壞

溫度的交替變化對混凝土損傷和破壞主要表現在混凝土凍融破壞。隨著凍融次數的增加,混凝土的強度特性均呈下降趨勢。

混凝土凍融破壞是我國東北、西北和華北地區水工混凝土建筑在運行過程中產生的主要病害,對于水閘、渡槽等中小型水工混凝土建筑物,凍融破壞的地區范圍更為廣泛。如東北的云峰水電站,大壩建成運行不到10年,溢流壩表面混凝土凍融破壞面積就高達10 000 m2,占整個溢流壩面的50%左右,混凝土平均凍融剝蝕深度達10 cm以上。

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