基于高层建筑在昼夜温差作用下的温度问题研究

姜丽敏　　吴淑琴

[摘要]研究高层建筑在昼夜温差作用下的温度效应问题。根据昼夜更替造成的结构温度变化特点，采用线性分布法计算温度荷载，通过与季节性降温工况作用下的高层建筑物温度效应对比，分析不同工况引起高层建筑物温度效应差异的原因，总结昼夜温差给建筑物带来的不利影响。

[关键词]高层建筑昼夜温差研究

中图分类号：TU97文献标识码：A文章编号：1671－7597(2009)0210095－01

由于昼夜温差作用每天都会发生，考虑四季的轮回和气候的差异，昼夜温差对建筑结构产生的温度作用不断变化，由此带来的不利影响将随着建筑物服役期的增长变得愈发突出，这一点已引起了科研人员的关注。许多工程实例表明，暴露于大气中的建筑外围构件开裂现象普遍，直接影响建筑物的正常使用，降低了结构的耐久性能。

一、昼夜温差作用工况

昼夜温差是由于日落后室内外温度变化。从而引起的结构内外构件之间的温度差值。一般情况下，依据正常工作使用要求，现代办公建筑物室内温度由空调调节保持在恒定的水平上，但曝露在大气环境中的结构外围构件(如建筑屋面板、外围墙体和剪力墙体)的外表温度将随着大气温度的升降而改变。

二、温度效应计算与分析

(一)力学模型建立

采用大型通用结构分析程序SUPER SAP对整体建筑结构进行有限元建模。在对整体结构进行有限元离散时，根据结构构件受温度作用的特点，选择相应的单元进行模拟，结构中梁和柱构件采用三维空间梁单元模拟，结构中的楼板、剪力墙、简体均采用四节点矩形薄板单元模拟，部分无法实现规则矩形单元模拟的位置则以三角形薄板单元或不规则四边形单元模拟，整体结构的有限元划分情况为：粱和柱共划分10845个梁单元，6726个节点；楼板共划分6776个板单元，7770个节点。

(二)温度效应分析

1．结构整体变形。在昼夜温差作用下，外围构件遭受昼夜降温作用，整体建筑表现出收缩变形，变形最大位置在建筑纵向两侧筒体顶部外边缘，此处受到底部基础的约束作用和构件之间的相互制约作用最小，自由变形的能力可得到较大充分发挥。经过对变形结果统计，结构中节点绝对位移最大值为4.715m。由于建筑物的平面布置形式为东西轴向对称，温度作用又是均匀施加在整体建筑上，因此，从结构整体变形图中观察到，变形也是关于其横向中轴完全对称，并且在中轴线附近的节点位移值较小，随着向外围扩散，节点的位移逐渐增加。相对于建筑底部，楼层越高变形越大，由此验证了温度效应是温度变化与外界约束共同作用的结果，并符合热胀冷缩的物理概念。

2．构件温度效应分析。由于组成建筑结构的各种构件本身特性不同，其在温度作用下的温度内力或应力的数值和分布也具有各自的特点和规律。下面分别分析结构各种构件在昼夜温差作用下的温度效应。

(1)梁构件。所有梁构件都靠近结构外围，虽然结构中的梁属于内部构件，不直接受温度作用，但外围剪力墙由于自身的温度变形受到约束，带动与其相交的外侧粱构件一起产生内力。因为它们本身不受温度作用，受外围构件的牵连影响也较弱，由此可见，昼夜温差作用主要影响范围集中在结构的外围构件。随着楼层的升高，各个楼层的梁轴力呈现递减的规律。在每一楼层内依然是周边梁构件的轴力相对较大，柱网内部梁轴力较小，与第1层的分布特点相同。从有限元程序抢出的各层梁端弯矩分布图中发现，梁弯矩并不像梁轴力那样具有明显地随楼层位置变化规律，弯矩的分布主要由梁端的刚度状态来决定。结构中刚度较大的节点部位是梁端弯矩突出的位置，应在设计和施工中加以重视。

(2)楼板及屋面板。楼板和屋面板对温度作用较为敏感，尤其建筑屋面板常常发生开裂、变形，影响建筑物的正常使用。

结构中楼板产生温度应力的原因为：外围构件(边缘梁板单元、剪力墙、筒体)在昼夜降温工况作用下发生收缩变形，而楼板不直接受温度作用，外围构件和楼板在交接板单元处发生挤压，由此应力状态波及至平面内部。相比之下，顶部突起部分的平面面积和纵向长度较小，又不与简体和剪力墙交接，其自由变形受到的约束相对较少。

(3)柱子、剪力墙及简体。竖向构件的温度效应主要起因于竖向构件和水平构件的变形不协调性，两者之间产生了相互制约作用，柱子底部的轴力逐渐减小。B轴线柱列中，边柱和对称轴附近柱子的底部轴力较大，而其间的柱底部轴力相对较小，最大值出现在B－6，B－8轴柱的底部，轴力值为770.8kN。c轴柱列中对称轴两侧的6，8轴线柱底部轴力较大，轴力值为776.1kN，沿c轴由中轴向两侧柱列底部的轴力逐渐减小。这是由于B、c轴线与横向对称轴的交叉处设计了短剪力墙，提高了这些位置的抗侧移刚度，但也不可避免地造成了这些部位的温度效应较为显著。温度作用直接影响的建筑顶部几层的柱端弯矩较大，最大弯矩值达到312kN·m。柱端弯矩与梁端弯矩分布规律相似，在温度工况作用下，刚度较大的梁柱节点处必然产生较大的端弯矩。

三、结论

根据上述对结构中各种构件温度效应进行的分析，可以得出以下结论：

1．在昼夜温差作用下，建筑外围构件发生温度变化，结构内部构件温度状态保持不变，这就决定了该种工况引起的温度效应主要集中在建筑结构的外围构件上，建筑底部几层的边梁、边柱以及外围楼板都是温度应力比较集中的部位，但柱网内部的大部分单元受到的影响较小。

2．季节性降温温度效应主要体现在建筑底部和顶部几层，产生这样的温度效应原因在于，构件的自由温度变形受到基础的约束而在构件中产生内力，同时内外变温幅度不同，使边缘构件上出现应力集中现象；造成昼夜降温温度效应的原因在于，结构外围构件随温度变化发生变形，受到相邻无变温的内部构件的制约，限制其温度自由变形，并且以产生内力或应力的代价使内外构件之间原本不协调的变形趋于协调。

3．昼夜更替温度作用是一种周期性往复循环作用。虽然相比于季节性降温作用，其引起的温度效应值较小，但对于建筑物而言，该种工况所产生的局部温度效应会导致结构外围构件与内部构件之间的变形难以协调；再者，外围结构所受的约束作用小，温度变形大，由此可能造成外围结构开裂，严重者会影响建筑物的正常使用，降低结构的使用寿命。不过，随着现代建筑材料技术的发展，以及对建筑立面装饰要求越来越高，外墙装饰也将兼具保温隔热的作用，将减小由昼夜温差作用引起的不利影响。