摘 要：本文就温度对建筑结构的影响、温度类型、温度应力的特点、超长高层建筑温度应力分析方法等相关内容进行了综述，对解决超长高层建筑温度应力的技术措施进行了总结。
关键词：超长高层建筑；建筑结构；温度
随着我国城市建设的发展，高层建筑得到了飞速的发展，随之超长建筑越来越多，但一般来说，结构越长，温度及收缩变形越大，约束内力越大，往往引起结构开裂，影响正常使用，所以超长混凝土结构的温度及收缩裂缝问题目前已经成为结构领域内一个研究的热点。本文就此对有关内容及相关的研究成果做一简述。
1 温度对建筑结构影响
温度及收缩应力是引起超长混凝土结构开裂的主要原因。从结构本身来说，结构的超长将对结构产生两个方面的不利影响。一是连续浇筑的超长混凝土构件内部自身的收缩和水化作用引起的混凝土构件体积的不均匀变化使混凝土内部产生较大的应力而开裂。二是外界环境温度变化导致结构构件热胀冷缩，由此引起的整体结构构件之间的不均匀变形和位移对于超静定的混凝土结构可能引发较大的约束应力，这种约束应力对建筑物的影响主要在长度和高度两个方面。这两个角度的不利因素对超长结构的影响是温度作用的主要表现形式。
2 温度类型
置于自然环境中的工程结构，经受各种自然环境条件变化的影响。它与所处的地理位置、地形地貌条件、结构物的方位、朝向以及所处季节、太阳辐射强度、气温变化、云、雾、雨、雪、周围空气等等有关，由此形成的工程结构物的温度分布也是很复杂的。但就混凝土工程结构来讲，由于自然环境条件变化所产生的温度荷载，一般可分为年温温差作用、骤然降温温度作用和日照温度变化作用三种类型。年温温差作用是由于年温变化所引起的结构物温度变化。骤然降温温度作用主要是强冷空气的侵袭作用和日落形成内高外低的温度分布状态。日照温度变化作用指同一天太阳照射在结构的不同部位引起的温度变化。
按作用的形式来看，温差可分为均匀温差和表里温差两类，因为升温对结构不利影响较小，这里考虑的主要是降温温差。均匀温差是指混凝土全截面的温度变化，它引起混凝土的均匀变形，易产生贯穿裂缝。年温温差就是一种均匀温差。表里温差是指混凝土表层和内部的温差，这是因为混凝土是热的不良导体造成的。日照温差[1]等均会引起较大的表里温差，会引起混凝土表面收缩而内部膨胀，产生表面裂缝。骤然降温介于两者之间，可能引起两种裂缝。
3 温度应力的特点
一是它与一般的荷载应力不同。基本上应力和应变不再符合简单的虎克定律关系，即出现应变大而应力小，应变小而应力大的情况。二是因混凝土结构的温度分布是瞬时变化的，所以在结构中的温度应力也是瞬时变化的，具有明显的时间性。三是由于混凝土结构的温度荷载沿壁板厚度方向的非线性分布，故截面上温度应力分布具有明显的非线性特征。
4 超长高层建筑温度应力分析方法
有关温度作用对超长结构影响的计算方法，主要有如下几种：
4.1 温度应力的近似简化计算方法
该方法的主要思路是：假定基础和地下室不变形，多层框架按两层计算，计算时根据各柱的侧移刚度将梁的温度水平侧移在节点上进行分配，由柱上下端的位移差值确定固端弯矩，然后按二次弯矩分配法求得温度引起的内力[2]，该方法是目前框架结构温度应力研究的基本思路之一，我们可以称之为“分层法”。樊江[3][4]、谢靖中[5]用这种计算方法分别讨论了框架结构、超长框架结构的温度应力变形计算问题。另外一种计算框架剪力墙结构的简化方法是先整体后局部的连续化方法，这种思路由于计算的原因而进行了一些简化，因此给计算结果带来了一定的误差。
4.2 有限元法
有限元法是应用数学、力学及计算机科学相互渗透和综合利用的边缘科学，其物理实质是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度的问题为有限自由度的问题。其数学实质是用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的微分方程求解问题为有限个参数方程组的求解问题。有限元方法可以求解许多过去用解析方法无法求解的问题，是一种行之有效的现代分析方法。40年来，有限元方法经历了产生、发展、完善三个历史时期，有限元理论与计算机科学的完美结合成为现代力学的重要标志。其成功的另一标志就是出现了大量的有限元分析的商品软件。其中著名的有限元结构分析软件如NASTRAN、ANSYS、ABQUS等已在全世界广泛被应用。有限元分析方法已成为近年来众多科研设计人员用来解决温度应力问题的重要方法，并取得了许多成功的经验。文献[6]采用SAP84结构分析软件通过计算一个五层超长框架在季节温差下的总体温度内力分布，进行了多种计算模型的分析比较，研究了这类结构在温度荷载下的受力特点，讨论不同结构形式对温度内力的影响以及温度内力的优化和如何通过构造措施减小超长建筑的温度内力等问题，这些结果对工程设计和施工有一定的参考价值。文献[7]使用SAP，ANSYS等通用有限元程序计算大面积混凝土梁板结构温度应力，其中梁和楼板分别用三维梁单元和板单元来模拟，且在分析多层框架结构的温度应力时，梁板粘合引起的误差仅在10%左右，所以用梁、板单元分别模拟结构梁柱和楼板，进行结构的温度应力分也析是可行的，是目前应用最多的一种模型。
4.3 局部构件的温度应力计算方法
由于研究对象是建筑结构中的局部构件，计算工作量较小，为求得逼近理论解的结果，可以采用经典理论方法或采用数值方法来确定结构构件的温度场的分布，从而得出较为精确的温度应力值。韩重庆采用弹性有限元的方法对大面积混凝土梁板结构温度应力进行了分析，采用季节温差与当量温差的叠加得到结构计算温差，用SAP 、ANSYS 等通用有限元程序分析结构在温差作用下的应力。文献[8][9]等从日照和水化热两个方面考虑高层剪力墙结构的温度作用效应，用数值方法求解墙体的温度场分布，以及构件水化热反应的等效温差，温度应力采用有限元分析程序SAP90进行计算。上述文献所进行的研究工作，还可以采用经典理论方法或数值方法来确定构件的温度场分布，从而求解出接近理论解的温度应力值。
综合分析上述文献，可以发现手算法计算简单，结果易于分析，适合于形式单一、布局规则的多层框架结构温度应力计算，此方法还可进行一般结构温度分析的前期估算工作。其存在的问题主要是计算粗糙，误差太大，计算结果无法体现整体结构的温度效应，这些不足使手算法无法用于大型结构的整体温度应力计算。局部构件的温度应力计算法虽然能得到很理想的结果，但对于实际的复杂工程，若要对其整体结构进行温度场分析，显然有很大的难度，因而该方法只适用于理论性研究和局部构件分析，很难用于解决实际工程的整体温度应力分析。而有限元分析方法具有计算精度高、适用范围广等优点，目前已被广泛应用于结构温度问题的研究。
5 解决超长高层建筑温度应力的技术措施
参考国内外近几年来一些有关温度作用的工程设计和科研成果，可将超长结构温度作用的处理方法概括为“抗”、“放”、“调”三种方式。
“抗”是通过提高混凝土的强度、提高钢筋混凝土的配筋率达到提高结构混凝土的极限抗拉、抗压应变，采用补偿收缩混凝土，以预压应力抵消结构混凝土工作时的受拉变形，加强结构受温度作用影响较大的部位。“抗”的主要措施有在结构设计时选择的结构布置形式、合理确定结构承受的温差作用、选用高强材料，采用专门的预应力措施[10]、使用添加剂[10]减小混凝土温度的变化和收缩、设保温层等。
“放”是按规范的要求，通过设置永久性伸缩缝减小结构混凝土温度应力的影响范围，使结构在较小的范围内任其变形。“放”的主要措施有设置伸缩缝、层间橡胶支座使构件变柔等。
“调”是“抗”、“放”两种方法的综合应用。通过混凝土配合比设计和材料选用、外加剂掺入、合理留置施工缝和施工期间临时的温度缝(通常称为后浇带)以及在施工时控制混凝土后期干缩量；采用混凝土低温入模、低温养护，尽量降低混凝土终凝时温度，减少水化热和收缩；充分掌握混凝土的浇灌振捣技术及振捣时间；墙、梁构件应分层散热浇灌[11]；在温度应力较大部位合理配置预应力钢筋同时加强薄弱部位。此外还可以通过支撑及边界处理，减小结构构件的约束变形。
我国正在建造一些超长高层建筑，为了保证超长高层建筑结构在温度作用下正常使用和建造的经济性，急需此方面研究成果。超长高层建筑结构整体计算模型异常复杂，加之温度作用问题的复杂性，造成超长高层建筑结构温度问题计算理论还不完善，也需要开展此方面的研究，以丰富高层建筑结构分析的内容。因此我们应该加强对超长高层建筑结构温度应力问题的研究，为超长高层建筑结构温度问题的合理设计提供基础。应用有限元分析方法，对整体超长高层建筑结构温度应力问题进行系统研究，给出温度变化引起结构内力变化的范围，将是目前超长高层建筑结构温度问题研究的重点和方向。
参考文献
[1]李鸿猷，高层建筑结构日照影响的探讨，《建筑结构学报》Vol.10，No.3，1989.
[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
[3]樊江、陶燕、王汝鹏.框架结构温度应力变形计算及构造措施[J]昆明理工大学学报，2000，Vol.25，N01.
[4]樊江，陶燕.框架结构温度应力的简化计算及裂缝控制[J]工程力学增刊2000年I卷，419~424.
[5]谢靖中，谢查俊.超长结构整体温度作用的理论解[J].工程力学增刊2000年I卷，488~492
[6]赵海东，赵鸣，沈水明.超长钢筋混凝土结构的温度响应IJ].四川建筑科学研究，2000.
[7]韩重庆、孟少平.大面积混凝土梁板结构温度应力问题的探讨[J]建筑技术,2000;vo131，NO.12,33~35.
[8] 韩重庆，冯健，吕志涛，大面积混凝土梁板结构温度应力分析的徐变应力折减系数法.
[9]夏勇 裴若娟，高层剪力墙结构温度应力初探，《建筑结构》2000.2，8一11页.
[10]《混凝土结构设计规范》GBJ10·89，北京，中国建筑工业出版社，1989）.
[11]顾渭建,贺小岗. 超长无缝高层建筑温度场分析研究,建筑结构学报, 2005.10 ,Vol.26,No.5，36~39.
作者简介：孔玉琴（1979-），女，甘肃武威人，讲师，在读硕士，结构工程。
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