高层建筑结构日照温差效应研究进展.pdf

第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 O月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 7 7 高层建筑结构 日照温差效应研究进展 林成乐， 隗萍 四川省建筑设计院， 四川 成都6 1 0 0 1 7 摘要 介绍了 日照温差的特点、 影响因素及计算方法， 总结了近年来国内一些工程在考虑 日照温差效应时的做 法 包括气象参数及环境温度的取值、 露天 13照条件下钢构件的温度试验、 考虑 13 照效应的荷载组合、 连体钢结构 合拢温度的确定、 太阳照射幅度分析、 温差引起的变形和内力分析、 目前通用设计分析软件 MI D A S ／ G E N、 E T A B S等 对高层建筑结构 日照温差效应分析结果的比较， 以及施工阶段对 E t 照温差效应的模拟、 监测及应对措施等。 关键词 日照温差效应 ； 高层建筑结构 ； 温度作用； 施工模拟 中图分类号 T U 9 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 3 0 5 0 7 7 0 4 Ad v a nc e s i n r e s e a r c h o f e ffc e t o f s u n l i g h t o n h i g h- r i s e s t r u c t u r e U N Ch e ng l e． W EI Pi n g S i c h u a n P r o v i n c i a l A r c h i t e c t u r a l D e s i g n I n s t i t u t e ， C h e n g d u 6 1 0 0 1 7 ， C h i n a A b s t r a c t T h i s p a p e r c o n t a i n s t h e c h a r a c t e r i s t i c s ， i n fl u e n c e f a c t o r s ， C a l c u l a t i o n me t h o d s o f e ff e c t o f s u n l i g h t t o h i gh- r i s e s t r u c t u r e s ． A n d al s o i n c l u d e s s o m e p r e c t p r a c t i c e s i n r e c e n t y e ars i n C h i n a h o w t o m a k e t h e E n v i r o n me n t t e m p e r a t u r e ， e x p e ri m e n t a l s t u d y o n t h e t e mp e r a t u r e o f s t e e l me mb e rs i n s u nli g h t ， l o a d c o mb i n a t i o n c o n c e r n i n g a b o u t e ff e c t o f s u nli g h t ， h o w t o ma k e t h e f o l d i n g t e mp e r a t u r e f o r j o i n t s t r u c t u re， t h e a n a l y s i s o f r a d i a t i o n ， a n a l y s i s of d e f o r ma t i o n a n d s t r e s s b y t e m p e r a t u re， c o mp a r i s o n of t h e a n al y s i s o f M I D A S ／ G E N an d E T AB S， an d s i mu l a t i o n， mo n i t o ri n g， s o l u t i o n s f o r e ff e c t o f s u n l i g h t i n c o n s t ru c t i o n ． Ke y w o r d s e ff e c t of s u n l i g h t ； h i gh- ri s e s t ruc t u r e ； t e mper a t u r e e f f e c t ； c o n s t ruc t i o n s i m u l a t i o n O 引 言 近年来 ， 我国新建的高层建筑高度不断增加 ， 建 筑造型更加 复杂 ， 结构形式不 拘一格 ， 高层连体 结 构 、 异型结构不断 出现。伴 随而来 的是高层结构从 设计 、 施工 至结构封 顶 ， 历 时也逐渐加 长。C T B U H C o u n c i l o n T a l l B u i l d i n g a n d U r b a n H a b i t a t 对世界 高层建筑结构进行统计 ， 结果表 明 4 0 0 I n以上的建 筑 ， 施工周期一般不少于 5年。在施工期间起保 温 隔热作用的幕墙还没有安装完毕， 空调系统也处于 非工作状态。在这样 的情况下 ， 结构主体将长时间 的曝露于 日照之下 ， 因而 日照温差效应在施工期 间 对结构的性能影响不可忽略 ] 。 1 日照温差效应的特点、 影响因素和 计算方法 对于高层建筑而言 ， 由于 自然环境变化所产生 的温度荷载主要表现为 日照温差荷载， 这样 的荷载 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 2 - 2 7 作者 简介 林成乐 1 9 8 5一， 男 ， 四川大 竹人 ， 助理工 程师 ， 硕士 ， 主 要从事结构工程设计 与研究 。 E m a i l l u e k y h u g o 1 2 6． c o m 效应即为日照温差效应。对建筑结构而言， 日照温 差效应是太阳辐照引起的温度作用， 它既具有温度 作用的一般特点， 同时又有很强的地域性和季节性。 总体而言， 日照温差效应具有如下特点 1 日照温差效应是建筑结构 由于 日照产 生的 温度变化而引起的约束应力 ； 2 其应力和应变不再符合简单的虎克定律关 系， 但伯努利的平面变形规律仍然存在 ， 即温差应力 与平面变形后所保 留的温度应变及 自由应变差成正 比； 3 具有明显的时间性 ， 结构 中由 日照引起 的温 度应力是瞬时变化的； 4 日照引起的温度荷载沿结构 竖向呈现非线 性分布 ， 因而杆件截面上 的温度应力分布也具有非 线性特性 ； 5 结构的变形或挠度最大值出现在结构不同 部分的温度面积矩达到最大的时刻【 2 J 。 影响混凝土结构温度分布的外部因素包括太阳 辐照、 大气温度、 风速和结构方位朝向。内部因素主 要有混凝土的导热系数、 水化热、 结构形状、 是否有 铺装层 、 结构表面颜色等。早在 1 9 6 1年 ， 美 国学者 Z u k 的研究表明 ， 气 温、 风速、 太 阳辐照 和材 料种 7 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 类都会影响桥梁的温度分布。E m e r s o n 刮研究指出 其 中太 阳辐照和风速是两个最主要的影响因素。 对于日照温差效应的计算， 有近似简化算法 和有限元法 】 两种 。由于近似简化算法存在较 多的假定 ， 近年来应用较多 的是利用工程计算软件 和有限元分析软件 S A P、 A N S Y S和 A B A Q U S等进行 计算 。 2 日照 温 差 效 应 分 析在 工 程 领 域 的 实践 目前 ， 虽然国内规范没有明确规定如何考虑 日 照温差效应对建筑结构的影响， 但近年来， 国内高 层、 超高层建筑设计和施工中进行了一些考虑 日照 温差效应的实践 。这些实践总体而言集中在三个方 向 一是确定建筑所在地 的气象条件 ； 二是针对具体 结构分析 日照温差造成的影响并采取相关的设计措 施 ； 三是针对 日照温差效应进行实地施工监测。 具体而言， 包括了设计中气象参数代表值的确 定、 露天 日照条件下钢构件温度试验 、 环境温度的取 值、 考虑温度作用的荷载组合、 日 照温差效应对高层 结构的影响理论分析、 工程软件在温度效应分析 中 的应用 、 施工监测与模拟 、 大跨度钢结构合拢温度确 定 ， 以及针对 日照温差效应的施工应对措施。 2 ． 1 气象参数的确定 在结构温度作用计算中需气象参数作为其边界 条件 ， 主要有太 阳辐照、 气温 日较差 、 风速这三个参 数。同济大学张建荣等 在对上海地区最近 3 0年 的气象资料分析的基础上 ， 确定 了上海地区太 阳辐 照 日最大值 、 夏季最大气 温 日较差 ， 认为年最大气温 日较差的概率分布接近极值 I型分布 ， 日平均风速 最小值的概率分布接近正态分布。根据概率分布模 型， 得到了对应于不同重现期的气象参数代表值。 为了得到露天 日照条件下钢结构构件温度 、 太 阳辐照升温 的实测数据 以及变化规律 ， 清华大学 的 王元清等 在北京对工字形 、 箱形两种截面的钢结 构试件进行了温度试验。试验从 2 0 0 9年4月下半 月至 9月上半月对各个试件进行 了连续的温度测量 记录， 得到了两种截面试件的各块钢板在每半个月 内的平均 日问温度一 时间变化规律和在每半个月最 高温度 日内的日间温度一 时间变化规律。通过整理 得出结论 试件整体的最高温度可达 5 6 C， 最大温 升可达 1 6 ％； 单块钢板的最高温度可达 6 0 C， 最大 温升可达 2 2 c C； 天气状况对试件的辐射升温影响很 大； 钢板沿厚度方 向温度梯度可以忽略 ； 日间试件的 温度场分布不均匀 ， 各钢板 间最大温差可达 1 0 C， 相邻测点间最大温差可达 5 ℃。 樊小卿 在研究环境温度取值及考虑温 度作 用的荷载组合时提出 ①建筑物的环境温度由空气 温度加上太 阳热辐照在建筑物表面产生的 日照温度 组成。空气温度对建筑物来说是一个均匀分布的温 度场 ， 日照温度是由建筑物表面直 接吸收太 阳热辐 射产生。因此 ， 建筑物所对应的温度场都可 以看成 是 由一个与时间无关 的稳态温度场和一个随时间周 期变化的非稳态温度场叠加组成的。②温度作用分 析的温度变化周期以日为宜。③室外空气温度夏季 宜取 3 0年一遇最高 日平 均温度 ， 冬季宜取 3 O年一 遇最低 日平均温度。使用阶段室内空气温度夏季取 空调设计温度 ， 冬季取采 暖设计 温度 。计算 日照温 度时 ， 夏季太阳辐照计算值取有 日照时段 内太阳辐 照的平均值 。构件和结构的初始温度取成型时的环 境空气温度。④在截面设计时， 应考虑混凝土徐变 变形引起 的构件应力松弛系数 ， 建议 取 0 ． 3 。环境 温度取日平均值时荷载效应基本组合中温度作用的 分项系数， 建议取 1 ． 3 。对于承载 能力极限状态荷 载效应的基本组合 以温度作用效应为主时， 组合值 系数建议取 1 ． 0 ； 以永久荷载效应为主时 ， 温度作用 效应 的组合值系数建议取 0 ． 6 ； 与地震或风效应组 合时， 温度作用效应的组合值系数建议取 0 ． 2 。对 于正常使用极限状态的荷载短期效应组合 ， 温度作 用效应 的频遇值 系数建议取 0 ． 4； 荷 载长期 效应组 合 ， 温度作用效应的准永久值建议取0 。 2 ． 2 日照温差效应对结构的影响分析 到目前为止， 如何考虑温度沿建筑高度的变化 以及其应力的计算方法仍然是基 于假定 ， 或者不计 算 。 高耸结构设计规范 中指 出高耸结构上的 可变荷载包括温度变化等作用 ， 但是 ， 关于如何计算 温度荷载却没有任何规定 。 夏勇等- l 从 日照和水化热两方面考虑高层剪 力墙结构温度作用效应 ， 通过热传导微分方 程导 出 日照作用下非匀质材料的差分格式， 用数值方法求 解墙体的温度场分布 ， 并考虑水化热降温 曲线 ， 求得 构件在水化热反应过程中温度应力 的等效温差 ； 计 算了结构最不利温度应力和组合值。经计算发现， 结构的最大应力发生在框 支梁顶部 与剪力墙 交接 处 ； 转换层等上下刚度突变处有较大的应力集 中， 受 温度影响很大。 傅学怡 在计算高层建筑竖向温差内力时， 将 随季节变化、 太阳辐照造成的温差分为两类 一类是 2 0 1 3 N o ． 5 林成乐 ， 等 高层建筑结构日照温差效应研究进展 7 9 外表构件 自身 内外表面的温差 ， 称为局部温差 ； 另一 类是外表构件和室 内构件 中面间的温差 ， 称为整体 温差。将局部温差简化成 在截面上呈线性分布 ； 利 用变形协调方程 ， 同时考虑混凝土徐变应力 松弛特 性 ， 计算整体温差下结构的温度内力及变形。分析 表 明， 温差和建筑物的高度是温度应力的控制因素。 他建议取规范规定 的极 限承载 能力 的 1 0 ％作 为结 构抵抗附加竖 向温差 内力的潜力 ， 并提出 了一个是 否考虑 日 照温差效应的临界表达式， 具有一定的参 考价值 。 李鸿猷 通过系统的分 析混凝 土 包括框架 、 框剪力墙结构 高层建筑， 提出了竖向和水平向 日 照温度应力 、 房屋顶端 日照位移实用计算方法 。该 方法是基于一系列的假定而建立的 结构上的最不 利温度分布是受太 阳辐照 的正 晒面和背 晒面的温 差 ， 且假定温度沿混凝土厚度变化为 t 。 一t e 指 数曲线 其中e 为 自然对数 ， 0为温度衰减系数， 采 取 a 5 ． 7 2 m 。太 阳斜 晒时按两正交方 向正晒 计算 ， 然后叠加 。 何文忠 对钢筋混凝 土屋 盖在 日照作用 下温 度场分布、 温度应力计算以及裂缝控制等进行了较 为系统的分析 ， 提 出了屋盖 日照温差分布 曲线 的经 验计算公式 ， 并提 出了控制措施 。 郑毅敏等 计算了上海地区施工历时较长的 超高层混合结构上海中心大厦在施工阶段的温度作 用 季节温差和 日照温差 ， 给出温度作用的两种工况 和构件计算温度 ， 考虑太阳的照射角度、 日照时间及 构件之间的遮挡情况 ， 选取合理的 日照温差作用范 围 ， 选用考虑重力二阶效应 的有限元分析软件模型， 分析结构在两种工况下代表位置处的整体变形特点 和伸臂构件的受力情况 ， 并 比较两种工况下 的结构 效应。结果表明 日 照温差作用对结构影响较大， 结 构在两种工况下竖向位移较大， 季节温差作用下水 平位移很小 ， 日照温差下水平层 间位移角相对较大 ； 日照温差工况下， 向阳面位置处相邻竖向构件相差 较大， 由于竖向构件的差异变形和结构整体弯曲效 应， 使得伸臂在此工况下的内力较季节温差有很大 差别。 在工程软件应用分析方面 ， 熊爱国等- 1 用 MI D A S 和 E T A B S 对一高度为 9 9 ． 1 8 m的钢一 混凝土组 合结构进行了日照和结构运营状态下的温度效应分 析。发现 日照温差引起的最大层间位移角及顶点位 移均小 于 1 0 0年一遇 的风荷载作用下 的计算结果 ， 此外还计算了日照温差引起的结构底部倾覆弯矩， 二者分析结果接近。 2 ． 3施工监测及应对措施 当前高层建筑物的安全监测主要包括沉降观测 和垂直度监测两个方面。在施工 阶段 ， 影 响高层建 筑垂直度控制精度的因素有风力 和结构温差， 温差 使结构不 同面发生不 同变形 ， 从而使结构整体弯曲， 顶部位移甚至可以达到风载位移的 2 0 ％ⅢJ 。2 3层 重庆杨子江饭店， 总高 7 9 ． 9 5 rn 。在施工过程中施 工方重视温差作用 ， 对南北三大角进行垂直度抽查 ， 结果最大侧向偏差为 1 2 m m- 】 引。杨山波等 认为 施工中对垂直度的监测必须考虑 日照引起 的变形 ， 建议在监控过程中实时i 贝 4 量建筑物向阳面与背阳面 的温度变化， 依两者温差修正垂直度实测结果。 国家体育场大跨度钢结构温度场分析与合拢温 度研究 对 目前我 国正在进行 的许多“ O型结构 ” 即两个混凝土核心筒在顶部通过钢结构桁架连 接 顶部的钢结构施工具有启发意义 。该研究对温 度差异引起桁架结构 的内力效应 、 太阳辐照 吸收系 数 P 。 的影响因素 以及 降低太 阳辐照温升 的措施 进 行 了分析 ， 提出了钢结构合拢 的温度与最大正、 负温 差。 在应对措施方面 ， 除设法改善保温隔热措施 ， 尽 量减小温度变化外 ， 主要集 中在三个方面 ， 即“ 抗” 、 “ 放” 、 “ 调” [ 2 】 。所谓“ 抗” 是通过提高混凝土强 度、 提高配筋率、 选用高强材料等抵御温差效应对结 构 的影响。所谓“ 放 ” 是通过合理 的设置伸缩缝及 设置层 问橡胶支座等措施使构件约束变少 ， 从而降 低温差效应对结构 的影 响。所谓 “ 调 ” 是上述两种 方法的综合运用 ， 可以掺人混凝土外加剂、 施加预应 力等。 3 展 望 对 于如何应对高层建筑结构 日照温差效应 ， 目 前国内在研究和实践中都积 累了不少经验， 但 尚未 形成统一的做法。在进一步深化研究和应用方面尚 有很多工作要做 ， 包括 1 高层建筑结构 日照温差效应分析的温度场 主要是 由气象条件决定 的， 而气象条件具有很强 的 地域性 和季节性 ， 因此应注意各地 区气象资料的收 集分析； 2 日 照温差效应与建筑物的朝向有关， 如何确 定最不利温度工况以及有关荷载组合问题 ， 目前国 内在这方面的研究和工程实践还较少 ； 3 在温度应力分析时， 平截面假定能否继续成 四川建 筑科学研究 第 3 9卷 立及其对结果 的定量影响还有待深入研究 ； 4 在高层结构 的施 工过程 中， 结构 的刚度不 同 于建成以后的刚度， 建筑保温维护结构也未完全形 成。如何考虑 日照温差效应对结构施工过程的影响 还有待研究。 参 考 文 献 郑毅敏 ， 张盼盼 ， 赵昕 ， 等． 上海 中心大厦 日照温差效应分析 [ J ] ． 建筑结构， 2 0 1 1 ， 4 1 5 2 8 - 3 2 ． 潘正旺． 磁悬浮轨道梁受温度作用的变形反应分析研究[ D ] ． 上海 同济大学 ， 2 0 0 3 ． Z u k W． T h e r ma l a n d S h ri n k a g e S t r e s s e s i n C o mp o s i t e B e a ms [ J ] ． ACI J o u rna l ， 1 9 61， 58 3 2 7 - 3 3 9． Eme r s o n M． Br i d g e t e mpe r a t u r e s e s t mi a t e d f r o m t h e s h a d e t e mp e r - a t u m[ R] ． L a b o r a t o r y Re p o r t6 9 6， T r a n s por t a t i o n R oad R e s e a r c h L a - b o rat o r y， Cr o wt h o r e， 1 9 7 6 2 - 3 2． Eme r s o n M． Th e r ma l mo v e me n t s o f c o n c r e t e b rid g e s fie l d me a s u re m e n t s a n d m e t h o d s of p r e d i c t i o n [ R ] ． S u p p l e m e n t a r y R e por t7 4 7 ， Tr a n s p o r t a t i o n R o a d Re s e a r c h L a b o rat o r y． Cr o wt h o r e， 1 9 8 2 5 - 1 0． 徐晓城， 刘荣． 高层建筑温度效应的设计原理和方法[ J ] ． 工 程力学， 2 0 0 0 ， 增刊 8 8 6 - 8 9 0 ． 张嵩 ， 金玮， 赵鸣， 等． 高层建筑结构温度内力的计算 [ J ] ． 结构工程师， 1 9 9 6 4 3 0 - 3 3 ． 张建荣， 陆亚群， 刘恩． 温度作用设计中气象参数代表值的 确定[ J ] ． 建筑科学， 2 0 0 7 ， 2 3 3 2 3 - 2 5 ． 王元清 ， 林错错 ， 石 永久． 露 天 13照条 件下钢结 构构件 温度 的 试验研究[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 0 9 ， 增刊 1 1 4 0 1 4 7 ． [ 1 O ]樊小卿． 温度作用与结构设计[ J ] ． 建筑结构学报， 1 9 9 9 ， 2 0 2 4 3 _ 5 0 ． [ 1 1 ]J G J 6 1 2 o o 3高耸结构设计规范[ S ] ． [ 1 2 ]夏勇， 裴若娟． 高层剪力墙结构温度应力初探[ J ] ． 建筑结 构， 2 0 0 2 2 ． [ 1 3 ]傅学怡． 高层建筑竖向温差内力简化计算[ J ] ． 建筑结构学报， 1 9 9 3 2 ． [ 1 4 ]李鸿猷． 高层建筑结构 13 照影响的探讨[ J ] ． 建筑结构学报， 1 9 9 9 4 ． [ 1 5 ]何文忠． 钢筋混凝土屋盖 13 照温度应力计算与控制研究 [ D ] ． 长沙 湖南大学 ， 1 9 9 9 ． [ 1 6 ]熊爱国， 毛贵牛， 陈学伟 ， 等． M 1 D A S ／ G E N在温度效应中的应 用[ J 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9 ] 9 5 G 4 3 9预应力混凝土叠合板 一 一 三 [ S ] ． J s J T _ _ J 9 3预应力混凝土叠合板[ s ] ． G B 5 0 2 0 4 --2 0 0 2混凝土结构工程施工质量验收规范[ s ] ． G B 5 0 1 5 2 --9 2混凝土结构试验方法[ s ] ． 周旺华． 现代混凝土叠合结构[ M] ． 北京 中国建筑工业出版 社 。 1 9 9 8 ． 法国建筑科学技 术中心． 预 制混凝土 薄板和 现浇混 凝土层 组 成的空心楼板技术规程[ S ] ． 1 9 7 9 ． 中国建筑科学研究院情报 所译 ， 1 9 8 2 ． C0 o k J P ．Co mp o s i t e S tr u c t u r e Me t h o d s ．Prin t e d i n Ame ric a n， 1 9 7 0 4 2 - 4 6． P a r k R ， P a u l a y， Re i n f o r c e d Co n c r e t e S t r u c t u r e， 1 9 7 5 7 3 - 9 5． T h a n o o n A。 J a a f a r M S， No o r z a e i J ． Me a s u r e me n t o f To o l P a r t I n t e r - f a c i a l S t r e s s Du ri n g t h e P r o c e s s i n g of Co mp o s i t e L a mi n a t e s ． I n n o v a t i o n s i n S t r u c t u r a l E n g i n e e fi n g s a n d c o n s t ruc t i o n Vo l u m e 1 ， Me l b o u r n e， Au s t r a l i a， 2 0 08 3 5 9- 3 6 3 ． ] ] j ]