溫度荷載應(yīng)力作用

①大壩封拱以后溫度升高對(duì)壩體應(yīng)力的作用

以南方某大壩為例，計(jì)算大壩溫度荷載的方式為以下兩種: 首先是方式 1，把溫度上升與溫度下降荷載一次性地加到整體的拱壩之上; 其次是方式2，根據(jù)假定的方式一層一層地加到封拱之后的溫度荷載。通過(guò)自主研發(fā)的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)多次的仿照實(shí)際情況來(lái)假設(shè)其與非線(xiàn)性分析軟件 Saptis 通過(guò)假設(shè)其為真實(shí)的方式計(jì)算(如圖 1所示)。

通過(guò)溫度荷載計(jì)算方式 1 中把溫度上升與溫度下降荷載一次性地加到整體的拱壩之上; 方式 2 根據(jù)實(shí)際溫度來(lái)設(shè)計(jì)拱壩溫度上升情況，其基礎(chǔ)是泥土在后階段發(fā)熱來(lái)進(jìn)行不斷地反復(fù)演習(xí)分析，仿照真實(shí)的情景分析而得的。為了方便方式 1、方式 2進(jìn)行對(duì)比分析，在兩個(gè)計(jì)算方式計(jì)算的時(shí)候是把假設(shè)的庫(kù)水溫當(dāng)作邊界的條件，澆筑跟封拱的時(shí)間是根據(jù)真實(shí)施工的具體情況來(lái)進(jìn)行概化的。為了使方式 1 與方式 2 可以進(jìn)行對(duì)比，這兩種方式都把其它條件假定為固定的，只把溫度荷載考慮進(jìn)去。

在方式 1 與方式 2 的計(jì)算方式下，拱壩的冠梁部分上游面梁的向應(yīng)力是隨著高程改變而改變的，如圖 2 所示，根據(jù)圖 2 可知，把假定溫度回升與溫度下降荷載一次性地施加到整個(gè)拱壩的時(shí)候，拱壩上游面梁向是以拉應(yīng)力為在，最大的拉應(yīng)力部位是在大概高程 1070m 左右，這個(gè)時(shí)候的拉應(yīng)力有1. 4MPa; 拱壩踵的位置在溫度上升與溫度下降荷載的作用之下梁應(yīng)力是0. 64MPa 與0. 74MPa。將拱壩體一層層的澆筑以及封拱因素都算進(jìn)去時(shí)，壓應(yīng)力是拱壩體上游面主要的梁向應(yīng)，當(dāng)溫度上升和溫度下降的作用之下，此時(shí)壩踵的位置梁向應(yīng)力是0. 85MPa 與 －0. 81MPa。

降拱壩的上升溫度考慮進(jìn)去，同時(shí)也考慮一層層施加的過(guò)程，實(shí)際情況下計(jì)算多的結(jié)果與設(shè)計(jì)情況計(jì)算所得結(jié)果差異非常大，而壩體的上游與壩踵的部位真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)比設(shè)計(jì)所得的結(jié)果要好?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法溫度荷載計(jì)算沒(méi)有把形成過(guò)程的影響考慮進(jìn)去，還需要進(jìn)一步對(duì)其改進(jìn)。

②庫(kù)水面溫度預(yù)測(cè)誤差對(duì)拱壩應(yīng)力的影響

首先是庫(kù)水面溫度預(yù)測(cè)誤差對(duì)溫度荷載的影響。以南方某拱壩為例，降庫(kù)水溫度計(jì)算的設(shè)計(jì)水溫與實(shí)際真實(shí)的庫(kù)水溫荷載，壩拱冠梁上游的荷載與溫度荷載值的對(duì)比如圖 3 和圖 4 所示。

由圖 3 和圖 4 可知，通過(guò)設(shè)計(jì)庫(kù)水溫計(jì)算出來(lái)的溫度上升、溫度下降荷載，其數(shù)值在上游面主要是負(fù)值，說(shuō)明此時(shí)的溫度是下降了，溫度下降最多的地方是在中部高程的地方，壩踵的地方由于封拱

溫度偏低，所以溫度下降幅度比較小。溫度上升荷載的時(shí)候，拱壩的上游面各個(gè)點(diǎn)溫度下降最大值是4. 9℃，而壩踵位置溫度下降值是 1. 6℃。

通過(guò)以上計(jì)算出的結(jié)果相對(duì)比可知，除了拱壩的頂部某些地方以外，上游面實(shí)際真實(shí)溫度荷載大部分區(qū)域與設(shè)計(jì)值不一致，甚至是剛好相反，也就是溫度下降換成了溫度回升，而隨著高程的不斷下降，溫度上升越來(lái)越快。

從以上分析可知，庫(kù)水溫對(duì)壩體的溫度荷載直接產(chǎn)生作用，用不一樣的庫(kù)水溫會(huì)影響到溫度荷載發(fā)生不一致，甚至數(shù)值差異偏大，設(shè)計(jì)庫(kù)水溫高估了實(shí)際壩體上游面的真實(shí)下降溫度，而結(jié)果會(huì)導(dǎo)致壩體應(yīng)力分析結(jié)果失實(shí)。

其次，庫(kù)水面溫度預(yù)測(cè)誤差對(duì)拱壩體應(yīng)力的影響。溫度荷載的值是實(shí)測(cè)的溫度減去設(shè)計(jì)溫度得來(lái)的，通過(guò)有限元等效應(yīng)力的方法進(jìn)行分析，同時(shí)使用拱梁分載的方法分析，對(duì)實(shí)際庫(kù)溫度跟設(shè)計(jì)庫(kù)溫度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)兩者之間產(chǎn)生的差異來(lái)分析影響向應(yīng)力不一致的因素。圖 5 為拱壩拱冠梁剖面上游面梁向應(yīng)力的分布情況。

由上圖 5 可知，實(shí)測(cè)水溫與設(shè)計(jì)水溫計(jì)算所得的結(jié)果其規(guī)律基本上是相同的，上游面很多地方顯示的是壓應(yīng)力，隨著高程的不斷降低，其壓應(yīng)力就會(huì)慢慢地加大，達(dá)到壩踵時(shí)最大。不管溫度上升還是下降，壩拱 1100m 高程之下因溫度不同而應(yīng)力之間的差值都會(huì)超過(guò) － 0. 5MPa。所以，當(dāng)前比較常用的庫(kù)水溫計(jì)算方法高估了上游壩面的溫度下降幅度，進(jìn)而高估了上游壩面會(huì)出現(xiàn)的拉應(yīng)力。設(shè)計(jì)水溫計(jì)算表明，壩踵通常情況下會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，而實(shí)測(cè)的結(jié)果則表明壩踵存在為較大壓應(yīng)力，這是由于庫(kù)水溫計(jì)算的誤差導(dǎo)致設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)測(cè)的差異。

不等水位作用下溫度荷載跟固定水位之下的溫度荷載的差值會(huì)根據(jù)深度的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)庫(kù)水溫的情況下，其高估了壩體上游面的實(shí)際真實(shí)的溫度下降幅度，因此造成了對(duì)壩體上游面的受拉程度也估值過(guò)高，如此，便使得實(shí)際情況與分析所得的結(jié)果不一致。 2100433B

在不等水位的條件下，設(shè)定在某一個(gè)高程處的庫(kù)面水溫度，在水位之上我們使用氣溫，在水位之下我們使用水溫。某個(gè)高程處的庫(kù)面水溫度根據(jù)時(shí)間的不同可以使用傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)表示，把受到不等水位影響的溫度算到溫度荷載的計(jì)算當(dāng)中。設(shè)定上游庫(kù)水面溫度以一年為一個(gè)周期，把上游庫(kù)面水溫值根據(jù)時(shí)間的不同使用傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)表示，得到以下計(jì)算公式:

式中，

影響大壩工作性能的主要荷載之一是溫度荷載，溫度荷載對(duì)大壩的應(yīng)力，尤其是拉應(yīng)力有很大的影響。我國(guó)大壩的設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)于溫度荷載的假設(shè)是建立在上游的水位穩(wěn)定之上的，同時(shí)長(zhǎng)期的平均氣溫跟高程相同的情況下河流庫(kù)水溫根據(jù)時(shí)間的變化按單一的正弦或余弦函數(shù)發(fā)生改變。在實(shí)際運(yùn)行中，水庫(kù)水位是經(jīng)常發(fā)生變化的，固定水位與變化水位條件下，溫度荷載是不同的。比如，因?yàn)樗疁丶皻鉁夭顒e大，導(dǎo)致大壩的上游與下游之間產(chǎn)生溫差; 水的深度不同也會(huì)對(duì)溫度荷載產(chǎn)生影響，水的溫度根據(jù)水深的不同也會(huì)有所不同。所以，影響溫度荷載的主要因素之一是水位的變化，一般情況下長(zhǎng)期的平均氣溫跟高程相同的情況下河流庫(kù)水溫根據(jù)時(shí)間的變化按單一的正弦或余弦函數(shù)發(fā)生改變。

施工荷載施工荷載的非均布性

因?yàn)槭┕げ僮鞯男枰?，樓面或屋面上出現(xiàn)的施工荷載往往集中在中間局部面積上，例如在樓面上砌磚，根據(jù)操作需要，通常將材料集中堆放在房間中央附近面積上。這將使樓板內(nèi)的荷載效應(yīng)放大。

施工荷載集中荷載

模板支撐、腳手架以及堆放構(gòu)件、材料的墊塊所產(chǎn)生的都是集中荷載。在總荷載相同的條件下，集中荷載產(chǎn)生的彎矩通常情況下比均布荷載大，例如堆放構(gòu)件通常在其下面設(shè)墊木，即將均布荷載轉(zhuǎn)化為集中荷載，施工人員若不注意，這種荷載可能出現(xiàn)在梁或板的跨中附近，產(chǎn)生較大的彎矩。在預(yù)制樓蓋上，如果墊木放在一塊樓板上，問(wèn)題更加嚴(yán)重。重慶市某高校宿舍因在樓面上堆放 5 塊空心板，墊木又放在一塊預(yù)制板的跨中附近，當(dāng)施工中站在板上指揮施工時(shí)，該預(yù)制預(yù)應(yīng)力空心板突然斷塌。事后的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算證明，在這種受力狀況下，空心板中的冷拔低碳鋼絲的應(yīng)力已超過(guò)其極限強(qiáng)度，鋼絲斷裂造成板垮塌。

施工荷載施工荷載的動(dòng)力性及重復(fù)性

施工中經(jīng)常利用樓面堆放或轉(zhuǎn)運(yùn)材料，轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生的荷載常具有動(dòng)力作用和重復(fù)作用，當(dāng)荷載出現(xiàn)在跨中附近時(shí)，其后果的嚴(yán)重性不言而喻。轉(zhuǎn)運(yùn)荷載的動(dòng)力作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定乘以 1.5 的系數(shù)，荷載效應(yīng)隨之加大。至于重復(fù)荷載，因?yàn)椴o(wú)規(guī)律性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范也無(wú)具體規(guī)定，但是其后果是不容忽視的。曾有報(bào)導(dǎo)在冷拔鋼絲空心樓板中，盡管板內(nèi)鋼絲應(yīng)力始終低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但也會(huì)發(fā)生破壞。某工程用起重機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)建筑材料，反復(fù)在樓面上同一位置附近加荷、卸荷，次數(shù)過(guò)于頻繁而造成樓蓋嚴(yán)重?fù)p壞。

附加荷載是指非經(jīng)常性作用著的荷載， 多為水平向， 主要包括制動(dòng)力或牽引力、風(fēng)力、列車(chē)搖擺力、水流壓力、冰壓力、溫度變化影響力、凍脹力。

由于附加荷載的最大值并不經(jīng)常出現(xiàn)，而各種附加荷載同時(shí)出現(xiàn)最大值的機(jī)會(huì)更少，因此采用附加荷載時(shí)，材料容許應(yīng)力數(shù)值可提高 20% ～ 30% 。 2100433B

橋（橋梁）荷載 load on bridge ：建筑學(xué)術(shù)語(yǔ)，指橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的各種可能出現(xiàn)荷載的統(tǒng)稱(chēng)，包括恒荷載、活荷載和其他荷載。 2100433B