超高层矩形钢管混凝土柱太阳辐射下截面温度场分析——文献学习体会

文献概况

本文发表于《工业建筑》2016年第46卷第11期，作者为周婷、杨慧杰、刘红波、闫翔宇，来自天津大学建筑学院和建筑工程学院。研究依托天津市建委科技项目（2015-3），针对超高层建筑中常见的矩形钢管混凝土柱在太阳辐射作用下的截面温度场分布进行了系统分析，揭示了壁面温度、核心混凝土温度及温差的变化规律。

研究背景与工程意义

超高层建筑中，矩形钢管混凝土柱（RCFT）因其优异的承载能力和施工效率而被广泛采用。然而，在施工阶段，钢管柱外露于空气中，直接接受太阳辐射。作者指出，强太阳辐射下钢管表面温度可达50-70℃，而由于截面尺寸通常较大，钢管壁的四面和核心混凝土温度极不均匀。这种非均匀温度场会在钢管和混凝土中产生复杂的温度应力，影响结构的受力性能和长期耐久性。

从钢管制造和焊接的角度来看，这一问题具有特殊的工程意义。矩形钢管通常由钢板卷制焊接而成，焊缝位置、热影响区状态以及焊接残余应力分布都会影响温度场的分布特征。太阳辐射引起的温度梯度可能与焊接残余应力叠加，导致局部应力集中，在极端情况下甚至可能诱发裂纹萌生。

核心发现与技术数据

研究的主要发现包括：

1. 温度场分布的非均匀性：太阳辐射直接照射的壁面温度最高，背阴壁面温度最低，核心混凝土温度介于两者之间但更接近背阴壁面温度。这种温度分布模式在一天中随太阳方位角的变化而动态演变。
2. 截面尺寸效应：截面尺寸越大，温度极值和温差越大，但超过1000mm后增幅变缓。这一规律与热传导的扩散特征有关——截面尺寸增大时，热量从表面向核心扩散的路径变长，核心温度上升变慢，导致温差增大；但当尺寸足够大时，核心区域的热惯性效应使温度趋于稳定。
3. 日照方向效应：东西面壁温差最大，这是因为东西向日照强度差异大，且日照时间分布不对称。南面壁面虽然日照时间长，但太阳高度角较大，单位面积接收的辐射能量反而较低。

温度应力分析与工程影响

太阳辐射引起的非均匀温度场会在钢管和混凝土中产生温度应力。对于矩形钢管混凝土柱，温度应力的计算需要考虑以下因素：

• 钢管的热膨胀：钢材的线膨胀系数约为12×10⁻⁶/℃，在50℃温差下，钢管的自由膨胀量约为0.6mm/m。由于截面各面温度不同，钢管会产生弯曲变形和局部压应力。
• 混凝土的热膨胀：混凝土的线膨胀系数约为10×10⁻⁶/℃，略低于钢材。钢管与混凝土之间的热膨胀差异会在界面产生剪切应力，长期作用下可能导致界面脱粘。
• 温度梯度的应力效应：温度梯度引起的应力与截面几何形状密切相关。对于矩形截面，角部区域的温度梯度最大，应力集中效应也最明显。

从焊接质量的角度来看，温度应力可能影响焊缝的完整性。特别是对于矩形钢管的角焊缝和直焊缝，温度梯度引起的附加应力可能与焊接残余应力叠加，在长期循环载荷下加速疲劳裂纹的萌生和扩展。

与工程实践的结合

在超高层建筑施工中，太阳辐射对钢管混凝土柱的影响可以通过以下措施加以控制：

1. 施工阶段的遮阳措施：在钢管柱外露阶段，采用遮阳网或临时覆盖物减少太阳辐射直接照射，将壁面温度控制在40℃以下，从而降低温度应力。
2. 混凝土浇筑时机选择：选择上午或下午浇筑混凝土，避免在中午高温时段浇筑，减少浇筑时钢管与混凝土之间的温差。
3. 钢管表面涂层：采用高反射率涂层（如白色涂料）提高钢管表面的太阳辐射反射率，降低壁面温度。某些新型纳米涂层反射率可达90%以上，可将壁面温度降低10-15℃。
4. 结构设计考虑：在设计阶段，将太阳辐射引起的温度应力作为荷载工况之一，在有限元模型中考虑非均匀温度场的影响，确保结构的安全储备。

学习心得与启示

这篇文章的研究视角非常独特。通常我们关注钢管混凝土柱的承载力和稳定性，较少关注施工阶段的环境温度效应。然而，超高层建筑施工周期长，钢管柱外露时间长，太阳辐射的长期累积效应不容忽视。

从钢管制造的角度来看，矩形钢管的焊接质量直接影响温度场的分布特征。焊缝区域的材料性能与母材不同，热膨胀系数和导热系数存在差异，可能导致焊缝附近出现温度集中效应。因此，在矩形钢管的焊接过程中，控制焊接残余应力、优化焊缝几何形状，对于改善温度场分布具有重要意义。

此外，这篇文章也提示我们，在超高层结构设计规范中，应当更加重视施工阶段的环境温度效应。目前的设计规范主要考虑运营阶段的温度荷载，对施工阶段的非均匀温度场关注不足。建议在后续规范修订中，增加施工阶段温度效应的计算方法和设计指南。