田志昌,韓育民,孟亞楠,趙根田

內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010

大跨度鋼架溫度應(yīng)力對內(nèi)力的調(diào)控效果

田志昌,韓育民*,孟亞楠,趙根田

內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010

本文在大跨度格構(gòu)式鋼架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮在±30℃的均勻溫度場變化，溫度作用對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響。通過選定最佳的合攏溫度，使溫度變化引起的內(nèi)力盡可能的抵消部分結(jié)構(gòu)的受力，降低溫度對結(jié)構(gòu)的不利影響。

鋼結(jié)構(gòu);溫度作用;內(nèi)力;調(diào)控

溫度變化會使鋼結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件發(fā)生伸長和收縮，當(dāng)桿件的變形受到節(jié)點(diǎn)的約束作用，就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力[1]。由于溫度效應(yīng)的復(fù)雜性，以前許多工程在設(shè)計(jì)中受到計(jì)算方法、工具和時(shí)間的限制，大多未做溫度效應(yīng)的具體計(jì)算。而設(shè)計(jì)時(shí)因未重視結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)而導(dǎo)致的工程事故并不少見，結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)一般很難在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中定量考慮，通常是定性分析，然后在構(gòu)造上采取措施，所以設(shè)計(jì)時(shí)要對結(jié)構(gòu)在溫度作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形有一個(gè)趨勢上的把握，以明確結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力集中的部位以及對結(jié)構(gòu)整體的影響，盡量將溫度應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閷Y(jié)構(gòu)有利的內(nèi)力[2-5]。

1 工程概況

本工程系包頭市一足球訓(xùn)練館項(xiàng)目，工程建筑面積為4460 m2，最高處標(biāo)高15.875 m。本工程采用鋼結(jié)構(gòu)[6,7]，主體結(jié)構(gòu)由12榀不等高的格構(gòu)式鋼架組成，鋼架跨度為54.4 m。訓(xùn)練館內(nèi)部兩側(cè)設(shè)有3 m寬的看臺，看臺標(biāo)高為3 m。結(jié)構(gòu)屋面兩端分別往外懸挑7.5 m作為建筑造型。鋼材強(qiáng)度等級采用Q345。如圖1所示為訓(xùn)練館SAP2000的有限元實(shí)體模型。

圖1 主體結(jié)構(gòu)三維模型Fig.1 The 3D model of the main structure

2 鋼架選型

格構(gòu)式鋼架立面如圖2所示。在標(biāo)高3 m以下，鋼架柱子內(nèi)外肢通過8 mm厚的鋼板連接，鋼柱寬度為900 mm；標(biāo)高3 m以上，鋼架內(nèi)外肢通過φ200×5鋼管和φ100×4鋼管的連接，最上端鋼架柱寬度為1800 mm；鋼架梁高度為1800 mm，鋼架柱與鋼架梁之間，布置一根φ200×5鋼管作為加強(qiáng)支撐。鋼架兩端向外懸挑2.4 m。鋼架格構(gòu)截面如圖3所示。格構(gòu)柱外側(cè)采用][25 b熱軋槽鋼組合，因?yàn)闊彳埐垆撛谥谱鬟^程中一次成型，相比焊接H型鋼，質(zhì)量可以保證，且材料自身的殘余應(yīng)力較小。格構(gòu)柱內(nèi)側(cè)采用φ350×8的鋼管，鋼管受壓性能相對較好，同時(shí)有利于建筑內(nèi)部的裝飾。結(jié)構(gòu)其他部分構(gòu)件的材質(zhì)和截面尺寸如表1所示。

圖2 鋼架立面圖Fig.2 The facade of steel frame

圖3 格構(gòu)截面圖Fig.3 The cross section of the lattice

表1 部分構(gòu)件截面Table The cross section of partial components

3 溫度應(yīng)力分析

3.1 計(jì)算溫度選擇

對于鋼結(jié)構(gòu)，由于鋼結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)熱性能好，截面相對較薄，當(dāng)溫度變化時(shí)，可以認(rèn)為構(gòu)件中的溫度變化是均勻的。本文根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、實(shí)際保溫隔熱構(gòu)造的設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，把訓(xùn)練館的使用溫度設(shè)定在0℃～30℃的溫度變化范圍內(nèi)。利用SAP2000有限元軟件[8]，分析結(jié)構(gòu)在0℃～30℃不同的合攏溫度下，溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)控的效果，并以此為依據(jù)選定一個(gè)最優(yōu)的柱腳與基礎(chǔ)最終合攏溫度。因?yàn)橛?xùn)練館的縱向長度并沒有超過鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，而且縱向構(gòu)件大多為鉸接的系桿作為抗側(cè)力體系和螺栓連接的支撐體系，可以較強(qiáng)的適應(yīng)溫度效應(yīng)，故可以不考慮結(jié)構(gòu)縱向的溫度影響。

3.2 內(nèi)力分析

由于鋼架是對稱結(jié)構(gòu)，本文選取一榀鋼架左半側(cè)進(jìn)行分析，如圖4所示為鋼架左半側(cè)結(jié)構(gòu)簡化圖。本文主要分析鋼架A群、B群、C群三處位置在：0℃、+10℃、+20℃、+30℃、-10℃、-20℃、-30℃不同溫差下的內(nèi)力變化?？紤]結(jié)構(gòu)在：1.0×恒載+0.5×活載+1.0×溫度荷載的荷載工況，其中溫差0℃指結(jié)構(gòu)在沒有溫度變化影響時(shí)的狀態(tài)。圖5所示為鋼架只在1.0×恒載+0.5×活載作用下的軸力圖。圖6、圖7所示分別為鋼架在升溫、降溫情況下的變形趨勢圖。表2所示為溫差30℃時(shí)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力在各構(gòu)件中所占比例。表3所示為不同溫度下結(jié)構(gòu)桿件的軸力，表4所示為不同溫度下結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力。

圖4 鋼架左半側(cè)簡化圖 Fig.4 The schematic diagram in left half of steel frame

圖5 左半側(cè)鋼架軸力圖Fig.5 The axial force in left half of steel frame

圖6 鋼架升溫變形圖Fig.6Thedeformationofthesteelframeinrisingtemperature

圖7 鋼架降溫變形圖Fig.7Thedeformationofthesteelframeinbringdowntemperature

圖8 支座反力變化趨勢圖Fig.8Thechangingtendencyofreverseforceonthesupport

圖9 支座彎矩變化趨勢圖Fig.9Thechangingtendencyofthebendingmomentonsupport

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到溫度變化影響時(shí)，結(jié)構(gòu)A群處支座的節(jié)點(diǎn)力F也隨之變化。由于鋼架下部的內(nèi)外肢通過鋼板焊接在一起，所以在共同作用下支座產(chǎn)生了往內(nèi)的拉力，有利于基礎(chǔ)的受力。由圖8、圖9可以得出，溫度升高會導(dǎo)致支座處的內(nèi)力增大。相比溫差0℃，在溫差為-30℃時(shí)候Fx降低了10%，彎矩也隨之降低26%。所以在降溫至-30℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是對結(jié)構(gòu)支座受力是有利的。

表2 溫差30℃時(shí)溫度應(yīng)力在各構(gòu)件中所占比例Table Proportions of stresses in components at 30℃of temperature difference

表3 不同溫度下部分構(gòu)件軸力（單位：kN）Table 3 The axial force of components at different temperature

表4 不同溫度下部分構(gòu)件應(yīng)力（單位：N/mm2）Table 4 The stresses of partial components at different temperatures

根據(jù)表2可得，溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力是不可忽視的，表中溫度應(yīng)力最大的桿件可以達(dá)到34.8 kN。由3.2～3.3可得，當(dāng)溫度降低時(shí)，A群和B群處受力較大構(gòu)件的內(nèi)力隨著溫度降低而減小，例如在溫差-30℃下A群處的受力大的構(gòu)件4軸力降低了12%，B群處的構(gòu)件5軸力降低了16%。而C群處的構(gòu)件內(nèi)力隨著溫度的升高均有所降低，例如在溫差+30℃時(shí)構(gòu)件8降低了13%，雖然降溫導(dǎo)致C群處部分構(gòu)件軸力增大，但是不會產(chǎn)生過大的應(yīng)力變化。

由表5可得，溫度變化對于鋼架的A群、B群處的節(jié)點(diǎn)位移變化較小；對于跨中C群處的位移，因其本身的位移很大為81.16 mm，相比溫差0℃，如節(jié)點(diǎn)f的豎向位移在升溫30℃的條件下變化了19.43 mm，而降溫30℃時(shí)位移最大僅變化了7.4 mm。

表5 不同溫度下的節(jié)點(diǎn)位移Table 5 The nodal displacements at different temperatures

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，鋼架在不同的溫度條件下，溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)力在結(jié)構(gòu)內(nèi)力中占有很大的比重。在降溫30℃的范圍內(nèi)，溫度應(yīng)力可以降低支座的內(nèi)力。對于鋼架A群和B群處的構(gòu)件，降溫不會引起過大的位移反應(yīng)，且大部分構(gòu)件的內(nèi)力是降低的，少數(shù)受力小的構(gòu)件的內(nèi)力是變大的。對于C群處的構(gòu)件，升溫可以降低構(gòu)件內(nèi)力，但降溫不會對構(gòu)件產(chǎn)生較大的內(nèi)力變化；雖然升溫降低了跨中處的位移，但降溫不會引起過大的位移反應(yīng)，有利于結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)。

因?yàn)檐浖囟刃?yīng)的分析是按線彈性理論計(jì)算的，所以在0℃～30℃的結(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)，通過溫度應(yīng)力的變化來調(diào)控各構(gòu)件的內(nèi)力，使溫度應(yīng)力盡可能的抵消結(jié)構(gòu)的部分內(nèi)力，降低結(jié)構(gòu)的變形，最終選定合攏溫度為25℃。這樣鋼架在升溫5℃和降溫25℃的范圍內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力既可以降低受力大的桿件內(nèi)力，又可以控制結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)。

4 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)對溫度效應(yīng)很敏感，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，只有很好的把握結(jié)構(gòu)在溫度工況下內(nèi)力和位移變化的規(guī)律，才能利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定和構(gòu)件內(nèi)力分析，做到經(jīng)濟(jì)合理，安全適應(yīng)。本文以實(shí)際工程為背景，對鋼架在溫度效應(yīng)下進(jìn)行內(nèi)力調(diào)控，分析了結(jié)構(gòu)在升溫和降溫不同工況下的內(nèi)力變化，通過協(xié)調(diào)各主要位置的內(nèi)力和位移，把25℃定位最優(yōu)的柱腳和基礎(chǔ)連接的合攏溫度，充分發(fā)揮溫度應(yīng)力的有利影響，降低溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的不利影響。

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Control Effect of Long Span Steel Frame Temperature Stress on the Internal Force

TIAN Zhi-chang,HAN Yu-min*,MENG Ya-nan,ZHAO Geng-tian
College of Civil Engineering/Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China

In the large span lattice steel frame structural design,the influence of temperature field on the internal force and displacement of the structure is taken into account when the temperature field changes at±30℃.By choosing the optimum closing temperature,the internal forces caused by the temperature change can be taken as much as possible to offset the force of some structures,and reduce the adverse effect of temperature on structure.The optimum final erection temperature is chosen to make the internal force caused by the temperature changes as much as possible to counteract the force of part of the structure,it can reduce the adverse effects of temperature on the structure.

Steel structure;temperature effect;internal force;regulation

TU393.3

:A

:1000-2324(2017)03-0414-04

2016-08-13

:2016-11-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51268042)

田志昌(1961-),男,博士,教授,主要從事有限元軟件開發(fā)和工程防災(zāi)減災(zāi).E-mail:tianzhch@sina.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:46538792@qq.com