張偉超，張磊，王磊，董自運(yùn)，古松

（1.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.中鐵建工集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，天津 300451；3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

1 引言

高原地區(qū)擁有最豐富的太陽(yáng)資源，太陽(yáng)輻射總值高達(dá)8500 MJ/（m2·a），比同緯度低海拔地區(qū)高50%～100%，其中直接輻射占總輻射的最高比例達(dá)78%，遠(yuǎn)大于全球平均水平47%，是全國(guó)太陽(yáng)輻照高值區(qū)[1]。高原地區(qū)除了太陽(yáng)輻照強(qiáng)，年日照時(shí)數(shù)也相對(duì)較長(zhǎng)。位于青藏高原中部的拉薩，年日照時(shí)數(shù)超過(guò)3 000 h，遠(yuǎn)大于同緯度重慶的1 121 h[2-3]。隨著我國(guó)在高原地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施投資力度不斷加大，一大批體育場(chǎng)館、大型醫(yī)院以及鐵路站房等大型場(chǎng)館陸續(xù)開工建設(shè)[4-5]。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)因其具有自重輕、承載能力大、抗震性能好以及造型優(yōu)美等有點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型場(chǎng)館的工程設(shè)計(jì)中[6-7]。鋼材對(duì)溫度變化比較敏感，而高原地區(qū)太陽(yáng)輻照強(qiáng)、年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)的獨(dú)特條件對(duì)結(jié)構(gòu)安全的威脅不容忽視。

為探究日照溫度應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安全性的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究。沈祖炎等人[8]在1990年首次對(duì)高層建筑中的鋼結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，提出鋼構(gòu)件朝陽(yáng)面與背陽(yáng)面間的溫度差是影響鋼結(jié)構(gòu)安裝精度重要原因。徐國(guó)彬[9]對(duì)某鋼網(wǎng)架事故進(jìn)行了理論與實(shí)測(cè)分析，認(rèn)為溫度應(yīng)力是造成網(wǎng)架事故的主要原因，且占到總應(yīng)力的一半以上。陳志華與劉紅波等人[10-11]對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)及桿件的日照溫度效應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的溫度作用在某些情況下可能會(huì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載之一，且負(fù)溫差作用較正溫差作用對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響更大。陳建穩(wěn)等人[12]對(duì)矩形鋼結(jié)構(gòu)夏季日照溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，輻射吸收系數(shù)每增加0.15，最高溫度增加10℃，夏季鋼拱架的溫度應(yīng)力可達(dá)到鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1/3。陳濱濱[13]對(duì)太陽(yáng)輻照下的鋼板溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果表明，日照下鋼結(jié)構(gòu)表面升溫明顯，與氣溫的最大溫差達(dá)30.3℃，此時(shí)鋼板的表面溫度達(dá)到68.9℃。金曉飛等人[14]利用ANSYS軟件對(duì)山西三館日照非均勻溫度作用進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)局部最高溫度達(dá)到50℃，最大溫差達(dá)17℃，驗(yàn)證了日照溫度場(chǎng)對(duì)工程設(shè)計(jì)合攏溫度的指導(dǎo)意義。目前，國(guó)外學(xué)者針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)日照溫度應(yīng)力的研究大多集中在射電望遠(yuǎn)鏡方面[15-17]。

現(xiàn)有研究積累了大量成果，促進(jìn)了大跨空間鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)的發(fā)展。但現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[18-20]中關(guān)于溫度作用的內(nèi)容還不完善，因溫度作用引起的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)坍塌事故仍時(shí)有發(fā)生[21]。同時(shí)現(xiàn)有研究成果多集中在東部低海拔地區(qū)，而太陽(yáng)輻照強(qiáng)、年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)的高原地區(qū)研究成果相對(duì)較少，與高原地區(qū)發(fā)展速度存在一定的滯后。因此，有必要對(duì)高原地區(qū)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)日照溫度應(yīng)力進(jìn)行分析。

結(jié)合拉薩某大型醫(yī)院項(xiàng)目中的金屬屋面結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值分析對(duì)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的日照溫度應(yīng)力進(jìn)行研究，擬得到結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分布情況，為高原地區(qū)此類結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

項(xiàng)目位于海拔3 640 m的拉薩市堆龍德慶區(qū)，一期總建筑面積121 450 m2，是西藏的“三大民生工程”之一，將建成一所集醫(yī)、教、科為一體的三級(jí)甲等醫(yī)院，項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目效果圖

鋼結(jié)構(gòu)分布在主體結(jié)構(gòu)間，作為金屬屋面結(jié)構(gòu)，其中門診樓和醫(yī)技樓之間大跨度雙曲線鋼結(jié)構(gòu)施工最為復(fù)雜困難。該大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，單側(cè)長(zhǎng)77.65m，重54.8 t，高18.95～22.85 m，主要桿件為□60～300 mm的箱型桿件和φ600 mm的鋼管混凝土柱，鋼材材質(zhì)為Q355B，核心混凝土為C30。

3 有限元模型建立

本項(xiàng)目中的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)箱型桿件眾多、錯(cuò)綜復(fù)雜，若整體結(jié)構(gòu)采用板殼單元和實(shí)體單元建模將耗費(fèi)大量的時(shí)效，且難以滿足計(jì)算要求。為提高運(yùn)算精度與時(shí)效，本文采用天津大學(xué)的劉紅波和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳德珅等人[22-23]提出的整體結(jié)構(gòu)日照溫度應(yīng)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法對(duì)西藏自治區(qū)醫(yī)院建設(shè)項(xiàng)目中的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，該簡(jiǎn)化方法的研究流程如圖2所示。

圖2 日照溫度應(yīng)力研究流程

3.1 典型桿件日照溫度場(chǎng)模型建立

基于ASHRAE晴空模型和高原計(jì)算參數(shù)，利用ANSYS軟件，采用板殼單元建立典型箱型單桿件的有限元計(jì)算模型。模型中的箱型桿件長(zhǎng)2 m，截面尺寸為300 mm×16 mm，桿件南北水平放置。在有限元模型中，使用SHELL131單元模擬熱傳導(dǎo)，兩層SURF152單元分別模擬輻射和對(duì)流。該箱型桿件的導(dǎo)熱系數(shù)為49.8W/（m·℃），比熱為480 J/（kg·℃），太陽(yáng)常數(shù)為1 336 W/m2，太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)為0.55，計(jì)算典型箱型桿件在最高氣溫日（接近夏至日）的溫度場(chǎng)。

3.2 整體結(jié)構(gòu)日照溫度應(yīng)力模型建立

將ANSYS中的單桿件日照非均勻溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中的最高日照溫度值導(dǎo)入MIDAS整體模型中來(lái)研究高原地區(qū)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的日照溫度應(yīng)力分布情況。MIDAS整體模型采用梁?jiǎn)卧?，利用單元溫度荷載施加均勻升溫，約束情況如圖3所示。模型中的初始溫度一般為結(jié)構(gòu)合龍時(shí)的溫度，且接近年平均氣溫，拉薩高原地區(qū)近49年的年平均氣溫為8.5℃[24-25]，MIDAS整體模型中的初始溫度取10℃。

圖3 MI DAS整體模型約束情況（單位：mm）

4 箱型桿件日照溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

基于ASHRAE晴空模型與拉薩高原地區(qū)的地理位置、氣溫、太陽(yáng)常數(shù)以及空氣清潔度等參數(shù)，高原地區(qū)箱型桿件日照非均勻溫度場(chǎng)如圖4所示。

從圖4中可看出，早上8:00太陽(yáng)位于箱型桿件的東側(cè)，桿件東側(cè)迎光面上產(chǎn)生非均勻的溫度場(chǎng)，最高溫度為34.4℃，背陽(yáng)面最低溫度為18.1℃；正午14:00，氣溫升高、太陽(yáng)輻照強(qiáng)度增大，迎光面位于箱型桿件的頂面，桿件最高溫度65.5℃，背陽(yáng)面桿件最低溫度為28.6℃，桿件迎光面與背陽(yáng)面的溫差達(dá)到最大值36.9℃；下午17:00，氣溫達(dá)到最高值30.8℃，迎光面逐漸從頂面向西側(cè)面移動(dòng)，桿件最高溫度為58.2℃，背陽(yáng)面桿件最低溫度30.8℃；日落20:00，氣溫和輻照強(qiáng)度均下降，迎光面在桿件西側(cè)，桿件最高溫度為44.9℃，背陽(yáng)面桿件最低溫度28.6℃。箱型桿件的日照溫度場(chǎng)具有明顯的非均勻和時(shí)變性，箱型桿件最高溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

圖4 典型時(shí)刻日照溫度場(chǎng)分布

從圖5中可看出，太陽(yáng)輻照作用下箱型桿件在15:00達(dá)到最高溫度65.6℃，滯后于太陽(yáng)輻照強(qiáng)度最高時(shí)刻約1 h，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮太陽(yáng)輻照下構(gòu)件的最高溫度。在14:00，箱型桿件迎光面溫度與氣溫之差達(dá)到最大值37.5℃。上午最高溫度低于下午的最高溫度，12:00～16:00箱型桿件迎光面溫度較高，與背陽(yáng)面溫差也較大，高原地區(qū)的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)避免在此時(shí)段內(nèi)施工成型。

圖5 桿件最高溫度與氣溫對(duì)比圖

5 整體結(jié)構(gòu)日照溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)中的典型箱型桿件日照非均勻溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，在MIDAS整體模型中施加65.6℃的均勻溫度荷載，高原地區(qū)的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的日照溫度應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分布

從圖6a中可看出，日照極端溫度作用下，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的溫度應(yīng)力。其中，最大拉應(yīng)力為168 MPa，發(fā)生在花瓶形鋼架底部約束右側(cè)，同時(shí)左側(cè)的壓應(yīng)力值也達(dá)到了200 MPa，出現(xiàn)該應(yīng)力分布的原因?yàn)榭臻g鋼桁架在溫度作用下伸長(zhǎng)，在右側(cè)支座約束下對(duì)花瓶形鋼架產(chǎn)生位移作用，花瓶形鋼架在底部約束下產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，如圖6b所示；最大壓應(yīng)力為219 MPa，發(fā)生在整體結(jié)構(gòu)右側(cè)豎向腹桿上，從圖6c中可以看出，截面尺寸為60 mm×6 mm和100 mm×8 mm的箱型桿件在支座約束下產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)了200 MPa，支座間距和桿件尺寸越小，桿件壓應(yīng)力越大。在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制支座間距，無(wú)法增大支座間距時(shí)可考慮增大支座處桿件尺寸來(lái)提高結(jié)構(gòu)的安全性。通常通過(guò)桿件實(shí)際應(yīng)力與屈服應(yīng)力之比（簡(jiǎn)稱桿件應(yīng)力比）來(lái)判斷結(jié)構(gòu)具有的安全性[26]，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在日照溫度荷載和日照溫度參與的組合荷載作用下的桿件應(yīng)力比如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比

從圖7a中可看出，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在日照溫度荷載作用下，桿件應(yīng)力比最大值為0.61，具有明顯的分布規(guī)律，即兩邊大中間小，靠近支座的桿件平均應(yīng)力比是中間桿件的2.6倍，桿件最大應(yīng)力達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度的61%。因此，在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)重視太陽(yáng)輻照引起的溫度應(yīng)力；從圖7b中可看出，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在自重、日照溫度以及花瓶形鋼架外側(cè)風(fēng)載組成的荷載組合作用下，最大桿件應(yīng)力比為0.73，出現(xiàn)在曲線鋼桁架與花瓶形鋼架連接處，小于規(guī)范規(guī)定的0.90，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮局部加強(qiáng)，提高整體結(jié)構(gòu)安全性。組合荷載作用下，最大桿件應(yīng)力已達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度的73%，這說(shuō)明，極端太陽(yáng)輻照下的溫度組合荷載在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)按控制荷載考慮。

6 結(jié)論

基于ASHRAE晴空模型和高原計(jì)算參數(shù)，對(duì)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)中的典型箱型桿件進(jìn)行日照非均勻溫度場(chǎng)數(shù)值分析，將日照溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入MIDAS整體模型中進(jìn)行日照溫度應(yīng)力研究，獲得下列結(jié)論。

1）極端太陽(yáng)輻照作用下，箱型桿件的溫度分布具有明顯的非均勻性和時(shí)變性，桿件最高溫度為65.6℃，出現(xiàn)在15:00，滯后于輻照強(qiáng)度最高時(shí)刻約1 h。

2）箱型桿件表面溫度與氣溫的最大差值為37.5℃，發(fā)生在14:00。為減小日照溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)避免在14:00前后2 h內(nèi)施工成型。

3）大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在日照溫度荷載下的溫度具有一定的分布規(guī)律，即支座處的桿件產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為168 MPa，最大壓應(yīng)力值為219 MPa，達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度的61%，在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制支座間距以及桿件尺寸，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性。

4）大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在日照溫度參與的組合荷載作用下，最大桿件應(yīng)力比為0.73，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備。日照溫度組合荷載下，最大桿件應(yīng)力比均大于0.5，太陽(yáng)輻照引起的溫度應(yīng)力不可忽視，日照溫度參與的荷載組合在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)按控制荷載考慮。