大跨度钢结构网架温度应力及其影响研究.pdfVIP

大跨度钢结构网架温度应力及其影响研

究

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