超長斜交梁鋼屋蓋溫度效應(yīng)控制措施探討

朱偉平 王劍鋒 李永振

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

超長結(jié)構(gòu)一般是指建筑物長度超過規(guī)范規(guī)定的設(shè)置溫度縫(伸縮縫)的最大長度，而不設(shè)置任何形式永久縫的結(jié)構(gòu)。GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范第8.1.5條對單層房屋和露天結(jié)構(gòu)的最大溫度區(qū)段做出規(guī)定:當(dāng)不超過表1的數(shù)值時，一般情況可不考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響。從而可知，對于單層房屋和露天結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單向長度最大可達(dá)到220 m不設(shè)縫。

表1 溫度區(qū)段長度值 m

如圖1所示為東營會展中心，鋼結(jié)構(gòu)大跨度斜交梁屋蓋，外弧長568.40 m，內(nèi)弧長423.36 m，平均弧長495.88 m，最大跨度達(dá)到60.15 m，結(jié)構(gòu)不設(shè)溫度縫，為超長鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。

顧名思義，斜交梁與正交梁在桿件平面布置方式上存在不同。在矩形結(jié)構(gòu)中，斜交梁屋蓋體系沒有一般意義上沿縱橫向的構(gòu)件;在弧(環(huán))形結(jié)構(gòu)中，則沒有沿徑向和環(huán)向的構(gòu)件。雙向斜交構(gòu)件可同時承受結(jié)構(gòu)不同方向上的水平荷載或溫度引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。目前有關(guān)超長結(jié)構(gòu)的研究中，結(jié)構(gòu)平面布置通常為正交梁，對斜交梁體系的研究還不多，文獻(xiàn)[6]對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度效應(yīng)分析并提出結(jié)論，認(rèn)為斜交梁體系能夠顯著減小鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，但須采取相應(yīng)措施才能夠使其特性得以發(fā)揮，本文將對此進(jìn)行分析探討。

1 討論

超長鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)(即屋蓋構(gòu)件溫度應(yīng)力和屋蓋溫度變形的大小、分布和變化情況)一直是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計中所重視的問題。屋蓋組成體系、平面形狀、下部支承結(jié)構(gòu)以及溫度場是決定屋蓋溫度效應(yīng)的主要因素，并且相互影響(比如正交梁與斜交梁屋蓋的下部支承柱分布和數(shù)量是不同的)，涉及參數(shù)多，相互關(guān)系復(fù)雜。

正、斜交梁體系的不同體現(xiàn)在平面布置方式上的差別，從而引起建筑空間和結(jié)構(gòu)性能上的差異。相比正交梁體系，斜交梁體系改變了屋蓋梁的跨度，降低了屋蓋的結(jié)構(gòu)高度，增大了建筑的有效空間。超長結(jié)構(gòu)中，正交梁體系中沿縱向或環(huán)向布置的構(gòu)件，長度非常大，且由軸向剛度抵抗溫度作用，因此其溫度應(yīng)力和變形是設(shè)計的主導(dǎo)因素之一，而斜交梁體系由于其平面布置的特殊性，能夠避免此類超長構(gòu)件的出現(xiàn)，有利于減小結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和變形。然而，斜交梁體系構(gòu)件為菱形相交組成方式，結(jié)構(gòu)以屋蓋梁的軸向和側(cè)向剛度共同抵抗水平荷載以及溫度引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，屋蓋平面內(nèi)剛度與正交梁體系不同，導(dǎo)致溫度效應(yīng)上的差異，從而對下部結(jié)構(gòu)的安全度產(chǎn)生有利影響。

文獻(xiàn)[6]通過有限元分析認(rèn)為，較正交梁，斜交梁體系能夠顯著減小結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，然而實際工程中的情況往往不是理想狀況，仍需采取相應(yīng)措施才能夠?qū)崿F(xiàn)斜交梁體系的溫度特性。首先，由于建筑需要一般不得不設(shè)置封頭梁，其對斜交梁體系的影響巨大，若不做隔斷處理，則溫度作用下封頭梁應(yīng)力集中，在弧形結(jié)構(gòu)中，內(nèi)環(huán)梁最大應(yīng)力甚至大大超過正交梁體系，而其余斜交梁溫度應(yīng)力很小，未能充分利用。其次，若下部為混凝土支承結(jié)構(gòu)，則在溫度作用下，混凝土易受屋蓋結(jié)構(gòu)水平推力作用而開裂，不利于結(jié)構(gòu)的正常使用功能，因此可以通過釋放柱頂位移來減小下部結(jié)構(gòu)的水平推力。綜上可知，對超長斜交梁鋼屋蓋結(jié)構(gòu)采取溫度控制措施是必要的，關(guān)于封頭梁已在文獻(xiàn)[6]中進(jìn)行了分析闡述，本文將不再重復(fù)，下面將運用通用有限元分析軟件ANSYS建立分析模型，分析并探討下部柱頂釋放對斜交梁體系的影響。

2 模型分析

2.1 溫度荷載取值

本文考慮年溫溫度效應(yīng)，即季節(jié)溫差的影響，本文溫度荷載取升溫25℃，在彈性分析中不會影響比較趨勢。

2.2 建立模型

建立超長斜交梁體系屋蓋結(jié)構(gòu)模型，在不影響結(jié)構(gòu)特性規(guī)律的前提下簡化如下:1)屋蓋為平面，且徑向單跨;2)外圍四邊支承形式，支承柱均為箱形截面;3)柱頂均設(shè)固定鉸支座;4)不考慮剛度偏心;5)環(huán)向封頭梁不隔斷。ANSYS模型如圖2所示，具體參數(shù)設(shè)置如下。

圖1 東營會展中心大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 分析模型

鋼材:彈性模量 E=2.06 ×105N/mm2;泊松比 ν=0.3;線膨脹系數(shù) αs=1.2 ×10－5/℃。

幾何:中半徑 R0=320 m，弧心角 θ=72°，弧寬72 m，內(nèi)弧長L1=356.585 m，外弧長 L2=447.363 m，中弧長 L0=402.124 m。

結(jié)構(gòu):屋蓋跨度72 m，四邊支承，柱頂與屋蓋鉸接，柱的數(shù)量分別為82根和84根。屋蓋鋼梁均為工字形截面，設(shè)定斜交網(wǎng)格梁截面為 0.3 m ×1.2 m ×0.016 m ×0.018 m;支承鋼柱箱形截面0.7 m ×0.7 m ×0.02 m ×0.02 m。

2.3 分析結(jié)果

屋蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力如圖3所示。

圖3 屋蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力云圖

在柱頂設(shè)滑動鉸支座后，屋蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力如圖4所示。

圖4 內(nèi)環(huán)梁釋放環(huán)向位移后的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力云圖

3 探討

3.1 柱頂位移釋放

弧形結(jié)構(gòu)的“整體彎曲效應(yīng)”決定了內(nèi)環(huán)梁的溫度應(yīng)力最大，且沿徑向向外環(huán)遞減[3]。因此僅將內(nèi)環(huán)梁下部的柱頂釋放一定的位移便可完全釋放內(nèi)環(huán)側(cè)溫度應(yīng)力。然而，此概念并非完全正確。因為結(jié)構(gòu)是作為一個整體而發(fā)生的變形，內(nèi)、外環(huán)的變形和約束存在相互牽連的關(guān)系，所以盡管釋放了內(nèi)環(huán)的約束，但內(nèi)環(huán)梁變形仍會通過其他水平體系而受到其他下部結(jié)構(gòu)的約束，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。如圖4所示為模型釋放內(nèi)環(huán)梁環(huán)向位移后的溫度應(yīng)力云圖，結(jié)果顯示，內(nèi)環(huán)梁的溫度應(yīng)力雖減小了50%，但仍達(dá)23.8 MPa，而外環(huán)梁溫度應(yīng)力減小幅度不明顯。若同時釋放內(nèi)、外環(huán)梁的柱頂環(huán)向位移，如圖5所示，則內(nèi)、外環(huán)梁溫度應(yīng)力分別為8.92 MPa和5.21 MPa左右，減小了約81%和72%，效果明顯，且內(nèi)環(huán)降幅更為明顯。

圖5 內(nèi)、外環(huán)梁釋放環(huán)向位移后的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力云圖

分析已知斜交梁體系具有短(徑)向溫度位移較大的特點[6]。然而，不僅是在溫度作用下，甚至在豎向荷載作用下，亦會產(chǎn)生一定的徑向位移。這點對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)而言非常重要，若下部支承柱為混凝土柱，柱頂鉸接，則容易對柱子產(chǎn)生較大的水平推力，設(shè)計中沒有充分估計該因素的影響，則混凝土有開裂甚至破壞的危險。因此，可以釋放一定的柱頂短(徑)向位移，以保證下部結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性。

3.2 封頭梁隔斷

在實際結(jié)構(gòu)中，不可能出現(xiàn)之前分析中的封頭梁完全隔斷的情況，所以只能在封頭梁的某些位置作斷縫處理，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)的目的。而斷縫的最大間距為多少是結(jié)構(gòu)工程師所關(guān)心的問題，由于具體間距數(shù)值需要依據(jù)更多的工程經(jīng)驗和資料才能給出，因此本節(jié)僅對此問題做初步探討，提出自己的看法。

GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范給出了鋼結(jié)構(gòu)建筑的最大溫度區(qū)段長度值，見表1。對于斜交梁體系屋蓋結(jié)構(gòu)，封頭梁的斷縫間距可參考此條規(guī)定，將表1中限值作為極端上限值，而實際間距取值應(yīng)較表1中限值小很多，視具體結(jié)構(gòu)情況而定。之所以這樣是因為規(guī)范的限值是針對一般正交體系而言的，對斜交梁體系的對應(yīng)關(guān)系并不確定。斜交梁體系中封頭梁的溫度應(yīng)力過于集中，若一味采用規(guī)范限值，則結(jié)構(gòu)的安全性將存在隱患。以內(nèi)環(huán)封頭梁為主要構(gòu)件，同時考慮內(nèi)環(huán)梁隔斷后屋蓋體系的應(yīng)力重分布將使得外環(huán)封頭梁應(yīng)力集中的因素，建議可將內(nèi)外環(huán)同時分割為若干段。

4 總結(jié)

本文通過建立模型并進(jìn)行比較分析，探討了斜交梁體系超長屋蓋結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)控制的措施，得到以下結(jié)論，以供類似工程參考:

1)討論了斜交梁體系的桿件布置特點，闡述了斜交梁體系鋼屋蓋在溫度作用下的特性及其在實際工程中所需注意的問題。2)對封頭梁的隔斷處理進(jìn)行了探討，指出斜交梁體系屋蓋結(jié)構(gòu)中封頭梁的斷縫間距可將鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的限值作為極端上限值，而實際間距取值應(yīng)較表1中限值小很多，視具體結(jié)構(gòu)情況而定。3)討論了柱頂位移釋放的方式，認(rèn)為同時對內(nèi)外環(huán)封頭梁處柱頂釋放一定的環(huán)向位移能夠最有效的減小溫度應(yīng)力。斜交梁體系屋蓋徑向變形較大，因此可以釋放一定的柱頂短(徑)向位移，以保證下部結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性。

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