大跨度钢结构网架温度应力及其影响研究

陈德胜 李昆

北京建工路桥集团有限公司 100123

摘要：空间网架结构是我国发展较快的结构形式，广泛应用于体育场馆的等工程，温度应力对大跨度网架结构设计施工有很大影响。温度作用下结构变形受约束，有关温度效应对建筑结构的影响研究取得很多成果，但具有很强的地域性。目前国内外对钢架温度应力研究大多为个案，三维研究主要针对个案进行软件计算，无法满足当前实际工程要求。文章对一二维结构与温度应力关系进行理论推导，对三维钢架结构网架温度应力分析。

关键词：大跨度；结构；网架温度

1 大跨度结构网架温度应力相关研究

1.1 建筑钢结构的应用发展

钢结构是空间结构主要应用材料，钢结构设计中会遇到大量温度问题，近年来天气日益恶劣，大跨度钢结构施工中，弱结构到强结构中经历不确定环境因素，结构竣工时内部留下残余应力，大跨度钢结构在极端天气下的安全问题值得研究[2]。结构设计时会遇到大量温度作用问题，如工业建筑厂房对结构屋面应力分配产生影响，结构温度伸缩缝大小是以温度应力为基础。人们为应对温度应力不利变化采取应对措施降低对混凝土结构的影响，如采用保温隔热材料对结构保温。大跨度钢结构发展较为成熟，大跨度混凝土结构杆件积累变形大，大跨度钢结构对温变敏感，只能靠结构杆件协同变形抵抗温度变形。基本气温是确定温度作用所需主要气象参数，以往建筑结构设计大多根据经验，我国建筑结构荷载规范规定基本气温，热传导速率慢的砼结构温度接近月均温度，热传导速率快的结构温度接近年最高气温[3]。

现存大跨度钢桁架拱桥中，桥型根据拱肋与系梁刚度比例关系分为洛泽拱、系杆拱等。钢桁架拱桥上部结构主要由连接系、桥面系等组成。钢桁架桥在公铁两用桥中具有很大优势，因其具有独特特点，易于与周边景观协调搭配；桥梁上部结构施工多为高空作业，桁架拱桥杆件不需大型起吊设备，桁架桥杆件多为承受轴向力构件，拱桥力学特点决定其具有较好的竖向刚度。钢桁架拱桥缺点体现在承载力高，需要考虑大型支座更换问题；大跨度钢桁架拱桥施工中整体稳定性较弱，桁架拱桥节点构造复杂，杆件设计要求充分考虑稳定性等。

近年来各类大跨度空间结构在欧美等发达国家迅速发展，建筑物采用多种新技术材料，许多特色大跨度建筑成为当地的象征性标志。大跨度空间结构采用各种结构形式，悬索结构、膜结构等张力结构得到广泛应用。大跨度空间结构研究在发达国家发展较快，结构复杂，发达国家大跨度结构形式、施工材料技术水平较高。近年来国内大跨度空间结构研究发展较快，建造大批会展中心等，表明国内空间结构施工技术水平较高，随着中国经济的发展，各地迫切需要现代化国际机场等成为建设热点。

1.2 大跨度钢结构温度应力的研究

目前空间结构设计通常不考虑温度产生应力对结构力学性能的影响，温差引起空间结构杆件伸缩，由于杆件变形产生温度应力，北方地区施工集中于夏季，热胀冷缩是建筑物普遍特性，大跨度钢结构在骤然降温等温度荷载下产生温度应力，导致结构出现裂损现象。自上世纪60年代后国内外出现大量因温度应力导致裂损事故。由于自然环境变化产生温度作用，分为季节温差、日照温差作用。变温是产生温度应力的前提，温度应力实质是变温应力。静定结构中构件温度沿截面高度呈线性变化，无温度自应力产生。超静定结构中温度变化引起结构变形，在结构中产生温度应力。

建筑结构设计中通常不考虑施工对服役状态的影响，大跨度钢结构施工安装杆件变形影响后续拼装，不考虑施工荷载影响会存在安全隐患。我国建造大批大跨度建筑，如天津自然博物馆等，必须对结构进行手工模拟分析[4]。大跨度钢结构为超静定结构，温度作用会引起杆件应力变形。大跨度钢结构施工中结构受温度作用随机，结构施工中温度可能是任意值。结构外形根据温度变化调整，施工温度变化引起结构变形会有残余应力，50℃可引起两端铰接杆件163.3MPa温度应力，结构竣工时温度残余应力是服役应力的重要问题。目前国内外对温度作用效应研究较少，集中于桥梁结构的模拟分析，及温度对结构服役期间的影响。有必要对网壳结构施工温度作用进行模拟分析，为结构设计提供参考。

2网架结构温度应力影响分析

为分析底部支承结构、弦杆尺寸对温度应力的影响，建立网架模型，在弹性状态下分析，柱高18m，横坐标为x轴，原点为网架中心，模型M-3弦杆在温度荷载+30℃下，网架最大温度应力对称出现于四个角部附近下弦杆处。与边柱相连弦杆最大温度应力沿y方向变大。靠近网架外侧差距明显，不与边柱相连弦杆靠近外侧最大温度应力小。分析对弦杆最大温度拉应力σc,tamx,腹杆最大温度拉应力σw,tmax的影响。

随着网架厚度增加，压力应力减小，网架厚度变化对弦杆最大温度拉应力影响较大。随着网架跨度增大，腹杆最大温度拉压应力逐渐增大。网架跨度变化对最大挠度影响较大，对弦杆最大温度拉应力影响较小[

5]。随着网架柱外径增大，弦杆最大温度拉压应力增大。网架柱外变化对弦杆最大温度拉压应力影响较大。弦杆最大拉压应力逐渐增大，网架弦杆外径变化对腹杆最大温度拉压应力影响较大。

建立网架模型M-3,x,y方向与刚度k弹簧代替，分析温度变化30℃时边干刚度与中心处位移关系。随着刚度增加，某刚度时腹杆温度应力增加变缓，随着刚度增加，达到某刚度最大挠度增大。随着刚度增加最大挠度增大放缓。有边柱的约束对弦杆约束能力强，无边柱约束对弦杆约束力弱，x轴约束增强沿y轴方向最大温度压应力增大。柱子外径变化时各项指标变化程度相似，任何因素改变对侧柱最大位移变化较大影响。任意因素变化对弦杆温度应力影响较小。

3结语

一维空间中初始阶段温度应力及长度关系为线性关系，二维空间类似于一维，受到x,y方向不同刚度的影响；调整基础支承可降低温度应力，支承刚度较小时，建议设计减小柱子侧向刚度，把握各部分温度应力变化；一二三维空间中基础支承刚度与应力关系一致，网架厚度、柱外径对杆件温度应力有不同影响。网架厚度对网架温度应力影响较小，应根据实际控制内容综合考虑，减小网架厚度跨度控制温度应力。

参考文献

[1] 郭妍.大跨度钢结构基本温度作用取值与温度效应研究[D].天津大学,2016.

[2] 丁大益.大跨度钢结构选型、设计分析及关键节点试验研究[D].合肥工业大学,2015.

[3] 刘泽祺.大跨度空间网架结构的温度及火灾分析[D].太原理工大学,2012.