力学概念 | 超长结构在温度作用下的概念分析

图1a 所示单层工业厂房纵向排架由于温度均匀升高所引起的结构变形。设各柱的截面相同,各纵向水平横梁的截面也相同,材料的线膨胀系数

。忽略因内力引起的横梁轴向变形。

▲图1

温度均匀升高

时排架的变形如图1b中虚线所示。由于结构对称,受对称的温度变化作用,所以变形也是对称的。温度升高时柱子的伸长未受到约束,所以不会产生轴力;横梁的伸长会使柱顶产生水平位移,从而引起柱子的弯矩和剪力,并在横梁内引起轴力。设柱间每一横梁的伸长量为

,则在忽略了内力引起的轴向变形后有

因变形是对称的,离对称轴越远的柱子柱顶水平位移和柱内弯矩数值就越大。以最靠近对称轴的两柱为例,柱底弯矩的数值为

其余柱子的弯矩将按柱顶水平位移的比值而增大,如图1b 所示。

由上述的分析可以了解以下在结构设计中有用的基本概念:

(1) 结构沿某一方向上长度越大,温度变化所引起的结构变形和内力一般也就越大。为了限制温度变化引起的内力,有关设计规范对各类结构的长度分别规定了限值。当结构物超长时,可以通过设置伸缩缝将其分为若干独立的区段，从而减小温度变化所引起的变形和内力。

▲图2 桥梁伸缩缝

(2)为了提高厂房排架的纵向承载能力和刚度，一般需在纵向某一柱间设置柱间支撑,如图3所示。此时应将柱间支撑布置在靠近纵向排架中部,这样对于减小柱子因温度变化引起的内力,以及减小柱间支撑本身的内力都是有利的。同理,对于高层建筑中的框架-剪力墙结构体系来说,为了减小温度应力,纵向剪力墙一般也不宜布置在建筑物的两端。

▲图3 厂房的柱间支撑

(3)高层建筑的电梯间布置尽量靠近中部区域。若在远端，在温度作用下，楼层越高，变形越大，影响精度。