溫度荷載在設計軟件中的實現機制

劉麗珍，徐衛東

（北京構力科技有限公司，北京100013）

1 引言

溫差效應對結構來說屬于一種間接作用，GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）（以下簡稱《混規》）5.7.1 條指出：“當混凝土的收縮、徐變及溫度變化等間接作用在結構中產生的作用效應可能危及結構的安全或正常使用時，宜進行間接作用效應的分析，并應采取相應的構造措施和施工措施。”實際的工程中，設計師經常會遇到一些超長的結構，對于超長的結構，《混規》做出了一些構造上的規定，如8.1.1 條規定了鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距。

在很多的實際工程中，伸縮縫的設置可能會給整個結構的使用帶來負面影響，所以超長結構在很多情況下，不允許進行伸縮縫的設置，這時就需要進行一些特殊的計算分析。《混規》8.1.3 條也有相應的規定，“當伸縮縫間距增大較多時，應考慮溫度變化和混凝土收縮對結構的影響”。對于此條文，由結構力學知識可知，對于超靜定結構，溫度變化的間接作用會引起結構變形，從而在超靜定結構中產生約束力，這種約束力會導致混凝土開裂甚至會使結構的受力形態發生變化，因此，有必要對溫度作用進行分析。

多高層建筑的溫度場難以確定，同時混凝土的收縮、徐變隨時間變化的因素也難以量化，所以通常情況下很難準確計算出建筑結構的溫度效應。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》中并不要求直接計算溫度作用的非荷載效應，對于溫度效應都是強調由構造措施進行控制[1]。

2 溫度荷載引起結構變形

SATWE 和PMSAP 軟件都具備計算溫度荷載的功能，在進行溫度分析之前，應合理確定結構的溫度場。目前，在SATWE 及PMSAP 程序中是通過設定節點處的溫差來定義溫度荷載，程序利用有限元法計算溫度荷載對結構的影響，并通過自定義荷載組合功能與其他荷載效應進行相應的組合，從而能夠較準確地考慮溫度對結構的影響，有助于設計人員采取合理的對策和措施。

由結構力學知識可知，溫度變化引起結構構件的變形可以分為兩部分考慮：即沿桿件軸線方向的伸縮和截面繞中性軸的轉動，此時桿件不存在剪切變形。沿桿件的軸向變形，即桿件的均勻升溫或降溫引起的伸長或縮短；繞中性軸的轉動，即桿件內外表面溫差造成的彎曲。

3 SATWE 及PMSAP 程序中溫度荷載的實現

建筑結構中出現的溫度荷載一般為均勻升溫或降溫引起的。目前，在SATWE 及PMSAP 軟件中均采用桿件截面均勻受溫、均勻伸縮的溫度加載方式，未考慮其對于桿件內外表面的溫差影響，所以在SATWE 及PMSAP 軟件中對于溫度的計算，只考慮均勻升溫引起的軸向變形，不考慮桿件兩側溫差所引起的彎曲變形。

在SATWE 及PMSAP 軟件中，對梁、柱構件定義溫度荷載時，只需在兩端的節點上分別定義節點溫差，進而定義一根桿件溫度升高或溫度降低。其中，溫差是指結構某部位的當前溫度值與該部位處于無溫度應力時溫度值的差值。

SATWE 及PMSAP 軟件中對于溫度荷載的輸入，均可輸入升溫和降溫兩個工況，升溫填入正值，降溫填入負值，SATWE 和PMSAP 軟件會把溫差轉為節點荷載施加在桿件的兩端節點上，由材料力學及結構力學知識可轉換得到節點荷載由式（1）計算：

式中，F 為由升溫或降溫引起的作用力；EA 為抗拉或者抗壓剛度；α 為線膨脹系數；ΔT 為溫差。

在STAWE 及PMSAP 軟件中，定義好升溫和降溫兩組工況后，輸入溫差，在模型中指定捕捉相應的節點即可來施加所定義的溫度荷載[2]。

在輸入溫差荷載的時候，SATWE 及PMSAP 軟件稍有不同：由于在SATWE 中都是依據平面進行操作的，所以需要注意的是在SATWE 中，前面建模時是按照標準層進行建模的，組裝成若干個自然層，而溫度荷載的輸入使用是自然層而不是采用標準層進行施加的，且自然層號從0 層開始，0 層對應首層的地面，這樣可以方便用戶輸入地基處的溫度變化；而PMSAP 軟件中對于溫度荷載的輸入是基于一個三維的空間進行輸入，與SATWE 中的操作方式稍有不同。

事實上，溫度對構件的影響是不均勻的。對于鋼構件，由于傳熱性能好，截面厚度相對也薄，當溫度變化時，可以認為截面中的溫度是均勻變化的；但對于混凝土構件，由于截面厚度厚，溫度從里到外是逐漸衰減的，呈梯度變化，目前軟件對于這種梯度變化的荷載無法精確考慮。所以不管對于混凝土構件還是鋼構件，SATWE 及PMSAP 軟件中都認為截面上的溫度是均勻的，這種近似的考慮適合用于鋼構件，會使得實心混凝土結構的溫度荷載效應計算偏大，設計人員應多加注意[3]。

4 SATWE 及PMSAP 中溫度荷載計算注意事項

使用SATWE 或者PMSAP 軟件計算溫度荷載時，一定要注意樓板屬性的設置，否則會導致內力或者結構變形失真，與預期的結果不符。其主要原因是在SATWE 及PMSAP 中，軟件默認的狀態是樓板均為一塊剛性板，在剛性板的假定下，梁構件的膨脹或收縮的變形必然會受到平面內無限剛性樓板約束，因此，最終的計算內力結果和變形結果肯定是不正確的。這就要求在進行結構溫度荷載分析時，施加完溫度荷載后，在SATWE 及PMSAP 軟件的前處理中，將樓板的默認剛性板屬性改為“彈性模”屬性，也可改為“彈性板6”屬性，這兩種板屬性均可考慮板的真實面內剛度。在整體的結構分析中，在“彈性板6”屬性假定的情況下，一部分豎向樓面荷載將通過樓板的面外剛度直接傳遞給豎向構件，從而導致梁的彎矩減小，相應的配筋數量也比剛性樓板假定條件下的配筋數量減少。以往，有關于梁的工程經驗都是與剛性樓板假定前提下的配筋安全儲備相對應的，所以通常情況下不輕易采用“彈性板6”假定。

目前，SATWE 及PMSAP 軟件是按照線彈性理論計算結構的溫度效應的，對于混凝土結構，考慮到徐變應力松弛特性的非線性因素，實際的溫度應力并沒有彈性計算的結果那么大，所以，在具體的工程項目中可視具體的情況在組合系數的基礎上乘以徐變應力松弛系數0.3，但對于鋼結構不應該考慮此項的折減。

5 案例分析

某鋼結構廠房結構，共2 層，局部帶有夾層，結構縱向長度較大，因建筑使用要求不得設置伸縮縫，所以需要進行溫度荷載分析，溫度荷載考慮全樓最高升溫15°，最高降溫15°。注意計算時需要將全樓的樓板設置為彈性模，否則無法正確計算出梁、柱的內力。鋼結構廠房結構計算模型如圖1 所示。

圖1 鋼結構廠房結構計算模型

對于溫度荷載在SATWE 及PMSAP 軟件中的分析結束后，進入后處理，進行內力查看時，會看到增加了2 個單工況，“溫荷1”及“溫荷2”，“溫荷1”對應著升溫工況，“溫荷2”對應著降溫工況。圖2 為SATWE 軟件中該結構首層梁在升溫和降溫工況下梁的彎矩示意圖。溫度荷載產生的內力是結構的自內力，滿足自身的平衡條件，該結構基本對稱，所以梁的內力圖也基本呈現出對稱性。

圖2 升溫和降溫工況下的梁彎矩示意圖

對于溫度的分析，在SATWE 及PMSAP 軟件中的計算結果是非常接近的，計算結果基本一致，所以在需要進行溫度荷載的分析時，可采用SATWE 軟件，也可以采用PMSAP 軟件。但是對于溫度分析問題，設計人員應該清楚的是，全樓升溫或者降溫的荷載是比較粗略的，通常情況下產生的內力也不大。如果需對溫度做更精細的分析，就需要對溫度場有比較準確的定義[4]。

6 結語

本文主要介紹了SATWE 及PMSAP 軟件中，對于溫度荷載是如何軟件進行分析的，有助于設計人員更好地理解和應用這兩款軟件進行溫度荷載的分析。日常設計中，設計人員可能在施加完溫度并計算結束后，首先看結構的配筋，看配筋有沒有紅，是否存在超限的構件，而對于溫度荷載程序是否計算準確關注得較少或并不關注，對于軟件如何計算溫度荷載也不了解。因此，論文主要是對這兩款常用的軟件進行介紹并以具體的工程案例進行分析對比，使有關人員更好地了解SATWE 及PMSAP 軟件對溫度荷載的計算機制。