4.3 温度作用

    沿筒仓高度的温差假定是不变的，实际是有变化的，但不一定很大。若筒体上下温差值的变化确实很大并严重影响计算结果时，则应按具体情况分段计算。条文中给出的各种温度条件，设计时应根据不同的工况进行组合。众所周知，温度作用会使构件产生伸长或压缩变形，当这些变形不受任何约束时，构件是不会产生应力的，反之将出现拉、压应力，约束越大应力也就越大；钢筋混凝土筒仓结构不可能是理想的弹性体，又因其几何特性，对温度变形总是存在约束条件，但又不可能将变形完全约束。因此，可能出现一些微细裂缝。在环境温度变化的条件下，只要出现裂缝甚至是很小的裂缝变形，都会改变其约束条件，从而使温度变化产生的温度应力变小。本节条文中的公式完全是按弹性理论建立的，各种结构计算程序也是按弹性理论原理编制的，若不考虑钢筋混凝土的材质并非完全弹性，而是有限弹性体的特性，将导致错误的计算结果并误导设计者。为此在实际工程计算时，必须根据具体工况，将其计算结果乘以本条提供的刚度折减系数，对计算结果进行修正。由于圆柱形筒壳结构的几何特性，有内外温差时，壁面的温度梯度可按式(4.3.4-1)计算。筒仓温度作用是按仓壁的壁面温度而非筒仓周边的环境温度计算的，因此应根据热工专业提供的热工参数，通过温度梯度（图4.3.4-1）求得筒仓的壁面温差进行筒仓温度作用的计算；圆形筒仓壁面的低温侧总是受拉的，反之受压。

4.3.3～4.3.5  当筒仓的内外温差相同时，仓壁或筒壁的温度作用如同均匀气压的作用，只产生壳体的中面温度应力，可按式(4.3.3)计算。但内外温差不同时，仓壁或筒壁的内外表面将出现不同的温度应力及变形，可按图4.3.4-1及式(4.3.4-3)计算，并可按第4.3.5条的规定进行效应叠加；太阳的辐射或日照对筒仓仓壁或其直射面（阳面）及阴面与季节大气温差产生的温度作用是有区别的，辐射温度往往大于大气的环境温度，对筒仓的温度作用也是不可忽略的因素。

4.3.6  当仓壁或筒壁出现内外温差时，仓壁或筒壁在其竖向或横向（经向或纬向）可能出现弯曲。其弯矩值可按式(4.3.6-1)及式(4.3.6-2)计算。公式的推导及来源可参见Theory of Plates and Shells(S.Timoshenko，1959，New York：McGraw-Hill Book Company)及《特种结构》（2012年第1期）。这两个公式计算的都是按轴对称圆柱形弹性薄壳在温度作用下，仓壁或筒壁竖向及横向截面上产生的弯矩。由于壳体是空间结构，在一个方向发生弯曲时，另一方向必然也有弯曲，其差值就是按泊松比的影响确定的。在计算仓壁或筒壁的弯曲温度应力时，同一点竖向及横向的温度状态应该是相同的，按横向计算的弯矩值对竖向及按竖向计算的弯矩值对横向，同一种材料的筒仓，都需乘以同样的泊松比μ。因此可按本条的附注进行计算，可参见Thin Shell Concrete Structures(David P.Billington，1982，New York：McGraw-Hill Book Company)。

4.3.7  对高纬度地区的大型圆形浅仓，阳面与阴面的日照及辐射温差较大，对筒仓温度作用力的影响应依据当地气象资料进行设计。

4.3.9  贮料的弹性模量应由工艺专业通过实验确定。在没有可供设计参考的资料时，可按本条的公式进行计算；贮料的弹性模量有装、卸料之分，由于卸料的弹性模量对结构计算是不利的，故作为计算釆用值。

4.3.10  我国建材行业的水泥熟料，自出窑后经过一系列的传送设备、设施到达贮料筒仓，入仓温度应控制在200℃以下，这是我国水泥工业生产系统对筒仓设计的要求。在正常情况下，贮料入仓的温度在150℃左右，非正常情况则超过200℃。据现场生产工作人员的反映，瞬间峰值温度可达350℃以上。这种温度工况与烟囱相似，但电厂的高温烟气自锅炉排放后，经各种除尘设备、引风机及较长的烟道进入烟囱，已经有一个很长的降温过程。因此，烟囱的烟气温度是可控的。即使超温，烟囱筒壁的内侧都设置有耐火砖、空气隔热层，可有效地进一步降低传至烟囱内壁面的温度。烟囱设计是由于烟气温度大于150℃时，烟囱的底部、基础在烟气温度、混凝土收缩、蠕变及其他复杂因素影响下，形成裂缝，为符合正常使用极限状态下不出现裂缝的要求，确定烟气的允许温度为150℃。但该值并不是工程设计应该计算的最不利设计值；钢筋混凝土水泥熟料简仓仓壁的内表面，除温度作用外，还有贮料对仓壁的侧压力、摩擦力及装料时贮料撞击仓壁的作用力等，虽然筒仓的温度作用看似与烟囱相同，但其使用功能完全不同，两种构筑物没有可比性。筒仓不具备设置与烟囱相同的内隔热层的条件，如要将贮料入仓允许温度控制在150℃以下，势必要将现有水泥工业生产系统的工艺流程、设备、设施进行系列改造，这显然是不可行的事。为此，在高温条件下，筒仓结构釆用受热钢筋混凝土是解决热贮料问题的最易行的办法。按受控最高温度不大于200℃的最不利值进行设计，而不是与之相反，才能确保水泥熟料筒仓在符合正常使用极限状态下安全运行的要求。钢筋混凝土筒仓结构能否承受不大于200℃的温度作用，只要了解了我国有关 的科研部门以大量的科学检测、试验及工程实践调查为依据确定的钢筋混凝土在高温作用下的物理力学特征及国际、国内有关设计资料，就能得到满意的答复。

    钢筋混凝土在高温作用下的物理力学特征：

    (1)混凝土的临界温度达到580℃后，其表面会产生大量裂缝，并发生爆裂和露筋现象。冷却后的构件出现爆裂和露筋，说明构件截面的温度梯度变化很大。

    混凝土在高温作用下及高温冷却后的力学性能基本上是随温度的升高而降低。混凝土的强度随温度的变化与混凝土的强度等级、骨料品种、温度持续时间及冷却方式等因素有关，但随着温度的升高，这些因素的影响并不明显，总的趋向是强度随着温度的升高而下降。温度升至100℃时，混凝土空隙中的游离水开始大量蒸发，混凝土内的微观结构基本未受到大的影响，混凝土的力学性能稍有下降，但没有太大的改变。当温度升到200℃～300℃时，混凝土中的物理化学结合水逐步排出并气化逸出，水泥石有一定的收缩而骨料却无大的膨胀，虽然造成了一部分微观破坏，但由于内部水分大量的逸出，需要提供相应的热能，从而使混凝土内的热应力的作用减少。同时，混凝土水泥石中未反应的水泥残存熟料重新加速水化，使混凝土强度减小的因素小于使混凝土强度增大的因素。因此，在此温度作用范围内，混凝土的强度不但没有减小反而会出现略高于在正常温度下的强度这一有趣的现象。当温度升到400℃后，混凝土中的水泥石产生相反的变形——膨胀，因此，在骨料与水泥石界面之间引起变形差异，混凝土的内应力在骨料与水泥石之间的胶结面上产生，混凝土的力学性能进一步的下降。随着温度的升高，达到500℃以后，由于水泥石中的氢氧化钙等水化物的脱水、分解导致水泥石破坏，水泥石与骨料之间的变形增大，裂缝由此产生。在此温度下混凝土的抗压强度下降约1/3，在高温冷却后的强度下降1/2，其中水冷却比自然冷却的抗压强度下降得更大。当温度达到700℃～800℃以后，骨料的热膨胀加剧，开始分解，使骨料与水泥石的热变形差异剧增，混凝土的粘结力破坏，接触界面裂缝进一步发展，混凝土在此温度作用下的抗压强度降低约2/3，在自然冷却后的抗压强度降低也约为2/3，在水冷却后的抗压强度下降得更大。这就是高温作用下混凝土折减系数制订的依据。

    (2)钢筋在高温和冷却后的强度折减系数由于各种钢筋所含成分、制造工艺的不同，在高温作用下其抗拉强度的变化也略有不同。普通热轧低碳钢筋在温度大于200℃时屈服消失，出现强化显现。各种钢筋在温度小于400℃时强度下降不明显，温度大于400℃后强度下降显著。温度达到600℃后，各种钢筋抗拉强度下降的趋势相同，说明钢筋已达到变态点温度。而钢筋冷却后其屈服点及抗拉强度与常温相比降低有限，其延伸率也是如此。

    (3)混凝土在高温作用后，其弹性模量及混凝土与钢筋间的粘结强度随温度的升高而降低。温度达到400℃以后，混凝土弹性模量Ec下降的速度比混凝土抗压强度降低的速率更为迅速，下降约60％左右。在此温度下，由于混凝土与钢筋间的粘结强度的降低，HPB23级钢筋与HRB33级钢筋本身的摩阻力和咬合力不同，因而在高温作用后粘结强度的下降程度也有所不同。HPB235级钢筋在500℃以后粘结强度下降50％，HRB335级钢筋下降不到20％。温度达到700％～800℃以后，混凝土的弹性模量几乎为零，此时，混凝土与HPB235级钢筋间的粘结强度已全部丧失，HRB335级钢筋也丧失了60％。

    这就是在高温作用下，混凝土及钢筋各折减系数制订的依据。混凝土高温作用下的抗压强度折减系数、混凝土高温自然冷却后抗压强度折减系数、混凝土高温水冷却后抗压强度折减系数、高温冷却后混凝土弹性模量折减系数、高温冷却后混凝土与钢筋粘结强度折减系数、高温作用下钢筋强度折减系数和HRB335钢筋高温冷却后强度折减系数见表2～表8。

    综上所述，按以上论证可以确定，筒仓热贮料的控制温度不大于200℃，对钢筋混凝土结构几乎没有影响。因此本标准结合我国多年来水泥筒仓设计的实践经验，参考《冶金工业厂房钢筋混凝土结构抗热设计规程》YS 12-79、《火灾后建筑结构鉴定标准》CECS 252:2009、国际混凝土协会《混凝土结构设计》《法国筒仓设计与计算》、欧洲筒仓规范(Eurocode EN-1992-3)“(104)This code is valid for stored materials which are permanently at a temperature between —40℃and＋200℃”的规定及本标准附录E规定的受热钢筋混凝土的设计参数等，釆用控制温度不大于200℃设计热贮料的筒仓，完全是可行的，且能达到安全运行的要求。