[科普中国]-结构温度场

结构温度场是各时刻物体中各个结构温度分布的总称，反映了温度在结构和时间上的分布。

结构温度场应用在工程应用中，由于温度场的变化，使结构产生膨胀或收缩，当结构受到约束时，产生温度应力。而由于温度应力的作用，对结构的强度、刚度产生一定的影响，有时甚至产生裂缝，从而降低结构的寿命。在土木工程中，温度应力对道路、桥梁、隧道、厂房、高层建筑等都有影响，因此分析温度应力可以对结构采取控制措施，以防建筑结构开裂。

开展气动加热与温度场的耦合分析方法研究，是确定飞机结构的热环境和进行热结构设计的一个重要前提。美国从20世纪60年代至今，对气动加热引起的热问题的研究，从早期的“轨道参数→气动加热→结构热响应”的分步骤按次序计算，发展为“轨道参数/气动加热/温度场/结构响应”一体化分析。1

结构温度场的计算高温作用下，材料性能受到不同程度的损伤，混凝土的强度和弹性模量随温度升高而降低，钢筋虽有混凝土保护，强度也会降低.无论是进行高温下和高温后钢筋混凝土材料的强度和变形规律研究，以及钢筋混凝土构件和结构抗火性能的理论分析，还是计算构件和结构的高温承载力和火灾后剩余承载力，都必须首先分析构件的截面温度场.在火灾中，钢筋混凝土构件截面的温度分布随着时间发生变化，升温曲线!构件截面形状!材料的热工性能等都会影响截面的温度场.在确定结构温度场时，一般可根据工程要求的计算精度采用如下几种方法:简化成稳态的和线性的一维或二维问题，求解析解;用有限元法或差分法，或二者结合的方法，编制计算机程序进行数值分析，有些通用的结构分析程序可以计算简单的温度场问题;制作足尺试件进行高温试验，加以实测;直接利用有关设计规程和手册所提供的温度场图表或数据。

结构温度场中抗高温力学性能（1）不均匀温度——混凝土的导热系数极低。结构受火后表面温度迅速升高，但杆系结构一般不考虑沿构件纵向的温度不均匀性。决定截面温度场的主要因素是火灾温度和持续时间，以及构件的形状、尺寸和混凝土的热工性能等。温度场对结构的内力、变形和承载力等有很大影响。

（2）材料性能的严重恶化——高温下，钢筋和混凝土的强度和弹性模量降低很多，混凝土还出现开裂、边角崩裂等现象，是构件的承载力和耐火极限严重下降的主要原因。

（3）应力－应变－温度－时间的耦合本构关系——分析一般的常温结构时，只需要材料的应力－应变本构关系。高温结构的温度值和持续时间对于材料的变形及强度值影响很大。

（4）截面应力和结构内力的重分布——截面的不均匀温度场产生不等的温度变形和截面应力重分布。超静定结构因温度变形受约束而发生内力重分布，改变了结构的破坏机构和破坏形态，影响了极限承载力。2

结构温度场的ansys分析步骤有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值方法。ansys作为大型通用有限元软件在工程中有着广泛的应用，它包括结构分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析等等。ansys软件有限元分析的主要流程包括以下步骤：

（1）按照工程问题，确定分析类型、单元类型、材料性质、几何条件、力学条件、边界条件；

（2）建立有限元实体模型，划分网格、施加边界条件与荷载条件；

（3）根据工程实际问题，进行求解设置并求解；

（4）分析计算结果。

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学