外墻環境溫度效應分析研究

李 晶 佟 磊

（1．沈陽化工研究設計有限公司，遼寧，沈陽，110000）

（2．沈陽沈飛建設置業有限公司，遼陽，沈陽，110000）

外墻環境溫度效應分析研究

李 晶1佟 磊2

（1．沈陽化工研究設計有限公司，遼寧，沈陽，110000）

（2．沈陽沈飛建設置業有限公司，遼陽，沈陽，110000）

本文只考慮墻體混凝土齡期達一個月后對其進行分析，并結合“王鐵夢法-溫度應力計算公式”研究墻體在環境溫度變化以及同時期內混凝土收縮、徐變下的結構效應(應力、應變等)—本文統一稱之為“環境溫度效應”。本文以沈陽市氣候特點為研究聻景，找出最不利時的季脧溫差從而計算出外墻環境溫度收縮應力。

環境溫度效應；最不利溫差；環境溫度收縮應力

一、概述

對于很多實際墻體工程在完工后半年或一年多才出現裂縫，建筑物外墻受季節溫差影響很大，所以考慮季節溫差引起的溫度應力是很有必要的。氣溫的變化是引起混凝土裂縫的另一重要原因，也是計算溫度應力和制定溫度控制措施的重要依據。

四季氣候變化引起的溫度變化則需要結構所在地點的氣候資料，一般可以從當地氣象局得到。設計過程中可以按最不利條件考慮。其中按最不利氣候條件產生的季節氣候變化引起的溫度應力是非常大的，這在裂縫控制設計時應該予以重視。對本文所研究的墻體，其溫度場的變化值將參照沈陽市氣象統計資料并根據民用建筑熱工設計規范中的相關條文來確定。

收縮是混凝土材料的一個固有性質，在混凝土中是普遍存在的。由于鋼筋混凝土結構中混凝土具有收縮性質而鋼筋沒有，因此鋼筋將對混凝土的收縮產生阻礙作用，從而使鋼筋受壓而混凝土受拉，當截面中配筋過多時，這種混凝土內的拉應力也不可忽略。

由于溫度變化和混凝土收縮作用的時間都很長，由于溫度的變化是緩慢的，尤其在考慮季節溫差對墻體的影響時，同時混凝土的收縮也是隨時間的推進而緩慢發展的，因此分析中必須考慮混凝土徐變的影響。

二、環境溫度變化與墻體上的溫度分布

1、墻板溫度分布變化

由于墻體在厚度方向上的幾何尺寸相對很小，所以墻板內部各點的溫度變化受外界溫度變化影響敏感。季節溫度變化也將引起結構物溫度的變化，由于這種變化的長期性和緩慢性，可認為是結構整體發生均勻的溫度變化。所以，在考慮季節溫度變化對結構物的影響時，均以結構物內的平均溫度為依據。內外溫差變化應力分布變化較大，這種非線性溫差產生的溫度應力主要原因是寒潮來襲氣溫驟降。

2、墻體內的溫度分布與計算用溫差的取值

整體溫差越大，產生的結構效應越不利，對內外溫差也一樣。在確定這種溫差的設計計算值時，需要對相關數據進行統計分析，沈陽市氣象資料就是重要的參考資料。

依據上述分析，需要確定的值有墻板初始溫度和墻板溫度整體變化內外表面的最大溫差。

（1）墻體的初始溫度

墻體初始溫度的取值方法各異，但本文研究的是強度和彈性模量均達穩定時墻體的平均溫度為初始溫度。研究墻體在六月中旬澆筑，一個月后適值氣溫最高的七月，七月的平均氣溫可將墻體初始溫度定為25℃。

（2）墻體溫度整體變化時的最大溫差

墻體溫度的整體變化有升溫和降溫兩種。墻整體升溫將使混凝土內產生壓應力，而整體降溫則產生拉應力，可能使墻體拉裂，對墻體更為不利。因此本文在考慮墻體溫度整體變化時只考慮整體降溫而不再考慮整體升溫這種情況

墻體溫度整體變化時按均勻溫差作用考慮，均勻溫差是指結構物內外構件和構件內外溫度變化基本相同，主要由季節溫差引起。季節溫差指混凝土澆筑成型階段的施工溫度(對于設有后澆帶的工程取后澆帶封堵時的溫度)與后期各個階段溫度的差值，它變化長期緩慢，結構整體溫度變化均勻，故考慮其對結構影響時，均以結構的平均溫度為依據。具體可按下式計算:? T =Tmax( Tmin?To其中 Tmax(Tmin)指最熱月(最冷月)平均溫度，To指混凝土澆筑成型時的平均溫度。本文 To=25℃，則 ? T =Tmin?To進制=-11-25=36℃。

三、混凝土的收縮變形及當量溫差的計算

混凝土隨著多余水分的蒸發必將引起體積的收縮，其收縮量甚大，機理比較復雜，隨著許多具體條件的差異而變化，根據國內外統計資料，可用下列指數函數表達式進行收縮值的計算:

由于濕度不均勻，收縮變形也隨之不均勻，基礎的平均收縮變形助長了溫度變形引起的應力，可能導致混凝土開裂。因此在溫度應力計算中必須把收縮這個因素考慮進去。為了計算方便，把收縮換算成“收縮當量溫差”。就是說收縮產生的變形，相當于引起同樣變形所需要的溫度:。即本文在計算中考慮的墻體混凝土的收縮當量溫差為18.45?。

四、單扇墻體降溫和收縮當量溫差作用下溫度收縮應力的計算

王鐵夢在 1974年推導出了長墻及地基板的溫度收縮應力計算公式(以下稱王鐵夢公式)，可用于墻和地基板整體溫度變化時產生的溫度應力的估算，至今在工程實踐中仍得到廣泛應用。

王鐵夢公式中的墻體為一澆筑在混凝土基礎上的長墻，其它邊界面均為自由，其厚度遠小于其它兩個方向尺寸，所推導出的公式為(推導過程略)[1]。

由季節性溫度變化引起的墻整體降溫，墻體溫度整體變化時的最大溫差為36℃，墻體混凝土的收縮當量溫差為18.45?。由于這兩種溫差都使墻體受拉，將產生相同的結構效應，因此可將兩者合并為一項，即同時考慮由季節性溫度變化引起的墻整體降溫和混凝土收縮的不利影響時，應分析最大達54.45℃的溫降。用王鐵夢公式計算該溫差引起的墻體內最大溫度應力，各參數取值如下：

混凝土的強度等級為 C40，E=3.25×104N/mm2， =1×10-5/℃，T=54.45℃，H=3200mm， H ( t ,τ)=0.3，對于 CX值王鐵夢建議取100×10-2~150×10-2N/mm3，因此本文分別取CX1=100×10-2N/mm3，和CX2=150×10-2N/mm3進行計算；對墻長L分別取不同的值。 計算結果如表1-1所示。圖1-1所示為不同CX值下計算所得σm*ax值隨墻長變化情況。

表1-1 不同長度墻體用王鐵夢公式計算所得σmax、σm*ax值(單位:MPa)

圖1-1 計算所得*maxσ值隨墻長變化示意圖

從圖1-1中可以發現計算所得最大溫度應力值隨墻長的增加而加大，但在墻長增加到70m以后時應力變化趨緩，并趨向于*maxσMPa3.5=即可忽略差異的存在。

溫度產生的超靜定內力與混凝土的徐變有關，混凝土的徐變將大大減少溫度在混凝土結構中產生的內力。這一點是溫度應力與荷載應力不同的地方，考慮這一點將使結構的配筋大大的減少。

[1] 王鐵夢. 工程結構裂縫控制.中國建筑工業出版社,1997.8

[2] 徐榮年，徐欣磊.工程結構裂縫控制—“王鐵夢法”應用實例集.中國建筑工業出版社,2005

[3] 沈陽市建設標準 SYJG 2007-1.超長地下室混凝土結構防裂技術規定.沈陽市城鄉建設委員會, 2007

TU548

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1674-3954（2011）02-0029-02