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基于非线性有限元的超长框架结构温度效应深度剖析与精准评估

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的加速和建筑技术的不断进步，超长框架结构在现代建筑中得到了广泛应用。这类结构形式因其独特的空间布局和灵活性，能够满足大跨度、大空间的建筑需求，如大型商场、展览馆、体育馆等公共建筑以及工业厂房等。

在实际工程中，超长框架结构不可避免地会受到温度变化的影响。温度变化会导致结构产生温度应力和温度变形，进而影响结构的稳定性和安全性。当温度应力超过结构的承载能力时，可能会导致结构出现裂缝、变形甚至破坏，严重影响建筑物的正常使用和使用寿命。例如，一些超长框架结构在温度变化较大的季节，出现了明显的裂缝，不仅影响了结构的美观，还降低了结构的耐久性。

传统的线性分析方法在处理温度效应问题时存在一定的局限性，无法准确考虑结构在温度作用下的非线性行为，如材料非线性、几何非线性和接触非线性等。而非线性有限元分析方法能够更加真实地模拟结构的力学行为，考虑各种非线性因素的影响，为超长框架结构的温度效应分析提供了更有效的手段。通过非线性有限元分析，可以准确地预测结构在温度作用下的应力分布、变形情况以及可能出现的破坏模式，为结构的设计、施工和维护提供科学依据。

因此，开展超长框架结构非线性有限元温度效应分析具有重要的理论意义和实际应用价值。在理论方面，有助于丰富和完善结构力学的研究内容，推动非线性有限元分析方法在结构工程领域的发展；在实际应用中，能够为超长框架结构的设计提供更合理的方案，提高结构的安全性和可靠性，减少因温度效应导致的结构破坏和维修成本，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2国内外研究现状

在超长框架结构温度效应研究方面，国内外学者已取得了一系列成果。国外学者较早关注到温度对结构的影响，在理论研究上，通过建立复杂的数学模型来描述温度场与结构应力应变之间的关系，如针对厚壁箱梁提出横向温度应力估计值，定量讨论其温度应力问题，认为温度应力是预应力箱梁发生裂缝的主要原因。在实验研究上，开展了大量现场实验观测，运用温度场理论结合有限元法进行温度应力计算，得出控制温度、防止裂缝的技术措施。

国内研究起步相对较晚，但发展迅速。随着国内城市化进程中大量超长框架结构建筑的涌现，学者们针对实际工程问题展开深入研究。在收缩徐变研究领域，东南大学的韩重庆、冯健、吕志涛等人从混凝土徐变计算的龄期调整有效模量法（t-b法）出发，通过对比典型框架在混凝土收缩及温度变化作用下的弹性和徐变解析解，提出了框架结构约束系数和徐变应力折减系数的概念及计算方法，结合框架结构空间弹性有限元分析，得到了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，为温度应力研究提供了简便有效的计算方法。刘开国对钢筋混凝土框架结构超过规范所规定的伸缩缝最大间距的温度变形与温度应力进行研究，并提出了一个概念清楚、计算简便的计算方法。张永胜等人借助有限元软件，对超长混凝土框架结构承受渐变温度作用下的裂缝开展及应力变化情况从材料的线性和非线性分别进行数值模拟，指出采用非线性有限元开裂模型能够较好地估测结构降温引起的应力分布，对工程设计及实践有重要指导意义。

在非线性有限元分析应用于超长框架结构温度效应研究方面，国内外都在不断探索。通过建立材料非线性模型、接触非线性模型和几何非线性模型等，考虑结构的非线性特性。ABAQUS、ANSYS等大型通用有限元软件被广泛应用于模拟超长框架结构在温度作用下的力学行为。例如，有研究基于ABAQUS软件建立超长框架结构非线性有限元模型，分析其在不同温度荷载作用下的响应特点，包括温度应力、温度变形、结构位移、节点反力等，通过对比不同温度荷载下的结构响应，评估超长框架结构的稳定性和安全性。

然而，当前研究仍存在一些不足之处。一方面，在温度场的精确模拟上，由于建筑物体型复杂，各处温度参数获取困难，现有的温度场模拟方法仍不够精准，导致温度荷载输入存在一定误差，影响温度效应分析结果的准确性。另一方面，对于超长框架结构中多种非线性因素（材料非线性、几何非线性、接触非线性等）的耦合作用研究还不够深入，在实际工程中，这些非线性因素相互影响，共同作用于结构，但目前的研究大多只是分别考虑单个非线性因素，缺乏对其综合作用机制的系统研究。此外，针对不同类型超长框架结构（如高层、大跨度等）在复杂环境条件下（如不同气候区、不同使用功能导致的温度变化差异）的温度效应研究还不够全面，缺乏具有针对性和普适性的设计方法与理论体系。本文将针对这些不足，以某实际超长框架结构工程为背景，深入研究超长框架结构非线性有限元温度效应分析方法，完善温度场模拟，深入探讨多种非线性因素耦合作用机制，为超长框架结构的设计和优化提供更科学的依据。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

本研究聚焦于超长