影响框架结构内力大小因素分析

摘要:温度内力是建筑裂缝产生的一个十分重要的因素。借助结构力学求解器可以找出结构温度内力的大小对于哪些因素的变化较为敏感，以便在设计建造过程中充分考虑这些因素的影响，尽可能防止结构由于温度内力过大而产生裂缝。
关键词:框架结构温度内力影响因素
Abstract: Temperature internal force is a very important factor causing construction cracks. Through structure mechanics solver, we can find out those factors whose change the size of structural temperature internal force is sensitive to, as to fully consider the impact of those factors during design and construction and prevent cracks caused by excessive temperature internal force .
Key words: frame structure temperature internal force influence factors
1 引言
自从混凝土这种人工合成材料问世以来，混凝土构筑物出现的各种裂缝现象就一直困扰着全世界的土木工程师门，可以说没有一座建筑物是没有裂缝的。经过多年的研究，已经取得的共识是可以把混凝土构筑物裂缝分为荷载裂缝和非荷载裂缝两种，而统计资料又显示出非荷载裂缝几乎占了全部混凝土构筑物裂缝的八成左右。对荷载裂缝的控制问题，土木工程界的对策已经比较成熟，这反映在各国的规范里都有成文的建议或规定；对非荷载裂缝的控制的研究一直在探索中。换句话说，也就是对大部分混凝土构筑物上所发生的裂缝现象，土木工程师们还没有完全掌握其发生、发展规律。
本文所探讨的便是现浇整体式框架结构在冬季降温时所产生的温度内力大小的影响因素，从而为避免框架结构由于温度降低而产生裂缝提供帮助。

2 基本参数

本文以三层11开间的现浇整体式框架结构为模型。其开间均为4m，第一层层高为5m，其余层层高为4m。混凝土默认为C30混凝土（E=30kn/mm2），梁柱参数见下表。由于结构的梁板是现浇一体的，因而在计算中将梁的抗弯以及抗拉刚度乘以3。至于柱子，其不会受到太大的影响，因而按其自身计算，不加强。


表1模型梁柱的基本参数

3 基准情况

3.1情况简介

基准情况我们选取两层11跨结构为模型。检测定框架结构浇筑时的温度与冬季室外最低温度分别为25℃和-4℃，另外我们再检测定一个冬季正常使用时的室内温度为14℃，此时构件中性层温度降低20℃，内部构件中性层温度降低11℃，因而内外构件中性层温度降低的差值为9℃。

3.2结构内力分布及梁柱最不利部位内力值

此种情况下框架结构的内力分布情况及梁柱最不利部位的内力大小如下：
图1弯矩图


表2梁柱最不利部位弯矩值
图2轴力图


表3梁柱最不利部位轴力值

3.3情况分析

由以上图表可以看出，此时弯矩主要分布在结构的杆件上且以顶层两端梁和两端柱最大；最杆件受拉应力，且顶层中部梁处最大。
我们来分析一下此种情况产生的原因。正常使用时室内温度为14℃，室外温度为-4℃，则最外层框架杆件的中性层温度为5℃，内部杆件的中性层温度为14℃，相对于施工时的25℃，最外层杆件中性层温度降低了20℃，内部杆件中性层温度则降低了11℃。由于内外层杆件中性层温度降低的值不同其冷缩量也不同，外侧冷缩量大，内侧冷缩量小，外侧杆件的收缩就受到了内部杆件的约束，从而产生了相应地内力。

4 减小中性层温度降低量的差值

4.1情况简介

上述分析已经说明，结构内力产生的原因是结构内外构件中性层温度降低值不同而产生的。为了进一步证明此观点，并研究此差值对框架结构内力影响的程度，在力学求解器中设置，使杆件中性层温度降低20℃，内部杆件中性层温度降低15℃，此时内外构件中性层温度降低量的差值为5℃，较之前的9℃（20℃-11℃）减小了4℃，其它条件不变。

4.2梁柱最不利部位内力值

由于此时结构的内力分布特点与上述情况时相同，故只列出最不利部位的内力值。


表4梁柱最不利部位弯矩值


表5梁柱最不利部位轴力值

4.3对比分析

与基准情况对比可以看出，内外中性层温度降低量的差值降低了4℃后，使得结构中梁的最大弯矩减小了80%左右，最大拉应力减小为原来的一半；使得第二层两端柱的弯矩减小为原来的一半，底层柱子的弯矩变化不大。这证明此差值对框架结构的顶层杆件的内力产生了很大影响。为了更直观的说明，我们做以下计算：
设：冬季室内温度为x，室外温度为y，框架浇筑时温度为z；
则：最构件中性层温度降低值为 z-（x+y）/2；
内部构件中性层温度降低值为 z-x；
因而内外构件中性层温度降低值的差值为[z-（x+y）/2]-（z-x）=（x-y）/2，
即： (冬季室内温度－冬季室外温度)/2，也就是室内外温差的一半。
由此计算可以得出，影响现浇整体式框架结构内力的大小的因素为室内外温差的大小而与混凝土浇筑时的温度无关。因而对冬季天气比较寒冷且室内取暖设施比较发达的地区此种情况会十分突出，需要认真对待，对于薄弱部位（顶层两端梁和柱的抗弯，以及顶层中部的抗拉）做好预防措施，以免开裂。

5 增加结构长度

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5.1情况简介

为了研究结构的长度对结构内力大小的影响程度，我们将结构由11跨增加为19跨，其余条件均与基准情况相同，内外构件中性层温度降低量的差值自然也是9℃。

5.2结构内力分布及梁柱最不利部位内力值

图3弯矩图


表6梁柱最不利部位弯矩值
图4轴力图


表7梁柱最不利部位轴力值

5.3对比分析

与基准情况进行比较会发现，当跨数由11跨增加到19跨时，梁的最大弯矩增加了近40%，最大拉应力增加到原来的4倍；柱的最大弯矩增大了一倍，最大拉应力增大了一倍多。这些数据足可以说明结构长度对结构的内力大小的影响相当大。
6 结论
现浇整体式框架结构在考虑室内外温差时，冬季其内力分布情况为：弯矩主要分布在结构的杆件上且以顶层两端梁和两端柱最大；最杆件受拉应力，且顶层中部梁处最大。
现浇整体式框架结构浇筑时的温度与结构的温度内力无关（不考虑浇筑时的水化热造成的受热不均匀而产生的温度内力），直接的影响因素是冬季室内外温差的大小，此温差越大，则结构内力越大，尤其是对于顶层结构的内力影响更为明显。
现浇整体式框架结构的长度对其内力大小的影响相当大，无论是对于柱子还是梁，其内力会随着结构的长度增加明显增大。
参考文献
徐荣年 徐欣磊.工程结构裂缝控制[M].上海:中国建筑工业出版社,2010.1.
王铁梦.建筑物的裂缝控制[M ]上海:上海科学技术出版社,198

7.150.

作者简介
姓名：张亚开 性别：男 生日：1990年08月11日 籍贯：河北省石家庄市
学历：大学在读 专业：工程管理
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。