大跨度轻型屋盖结构在温度作用下的响应分析

任 杰 王勇奉

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

1 温度场的确定

温度作用属于可变的间接作用，主要由季节性气温变化、太阳辐射、使用热源等因素引起，在结构或构件中一般可用温度场的变化来表示。对结构的温度场工况包括最大温升工况和最大温降工况两类。

1．1 气温、热源影响

1．1．1 最大温升工况

将冬季施工期温度即参考温度取最冷月平均气温－6℃作为最低初始温度T0，min，将使用阶段夏季的汽机房温度最高45℃作为最高平均温度Ts，max，即整体温升51℃。

1．1．2 最大温降工况

将夏季施工期温度即参考温度取最热月平均气温30℃作为最高初始温度T0，max，将使用阶段冬季的未开汽机时温度－6℃作为最低平均温度Ts，min，即整体温降－36℃。

1．2 太阳辐射的影响

对于上部钢屋架部分，除考虑气温、热源的影响外，还应考虑由于压型钢板吸收太阳辐射的温升高，取太阳辐射温度增加值11℃。

1．3 温度场取值

1．3．1 屋架温度场取值

最大温升工况(考虑太阳辐射):62℃;最大温降工况(不考虑太阳辐射):－36℃。

1．3．2 下部混凝土结构温度场取值

考虑到钢屋架下部为混凝土结构，单纯的分析上部钢屋架的温度作用而不考虑下部混凝土结构的温度作用的贡献是不合理的。而且，混凝土的温降工况温度场受到材料本身的收缩当量影响，其取值与上部钢屋架也不尽相同。下部混凝土结构的温度场取值为:最大温升工况:51℃;最大温降工况:－59℃(考虑混凝土的收缩与徐变的影响)。

2 温度作用的折减

在温度荷载作用下，混凝土材料与钢材的变化有所区别。混凝土材料并非是完全弹性的，材料的塑性，装配式与否，徐变造成的应力松弛等原因对温度作用的大小均有较大影响，而钢材受以上因素的影响很小。因此对于考虑温度作用，需对混凝土材料进行刚度折减，钢材不需折减。对下部混凝土弹性计算结果的折减系数取值:材料塑性采用0．85系数，装配式影响采用0．5系数，徐变对应力松弛的影响采用0．5系数[2，3］。三项相乘可得折减系数为 0．212 5。

3 计算结构分析

运用SAP2000有限元分析软件对主厂房结构进行计算分析，本文在结构整体计算的基础上提取屋盖部分进行分析。可得出屋盖结构的整体变形、杆件的内力分布以及起控制作用的工况组合。

3．1 屋面板的整体变形情况

屋面板的变形能较好的反映屋盖整体受温度作用的影响情况，图1～图3分别表示了仅考虑屋盖温度作用、考虑屋盖温度作用及下部混凝土折减温度作用、考虑屋盖温度作用及下部混凝土未折减温度作用三种情况的屋面板变形云图。

图1 仅考虑屋盖温度作用的屋面板变形云图

图2 考虑屋盖温度作用及下部混凝土折减温度作用的屋面板变形云图

图3 考虑屋盖温度作用及下部混凝土未折减温度作用的屋面板变形云图

可以看出:三种情况的屋面板变形趋势基本一致，在温升及温降工况下，屋面板的最大变形位置均发生在靠近山墙1跨～2跨的位置，最小变形位置均发生在屋面板中部靠近E轴的位置。不折减的混凝土温度作用改变了屋盖本身的温度作用的变形云图幅值，而折减后的混凝土温度作用对屋盖本身的温度作用的变形云图幅值影响较小，这与实际工程考虑混凝土刚度折减尤其是考虑下部混凝土结构对上部屋盖温度作用小的理念更为吻合。由于本模型采用轻型屋面板，屋面的恒、活荷载不大，其控制作用的荷载是风吸荷载。因此在荷载组合下，温升工况为不利工况，温降工况为有利工况。

3．2 上、下弦杆件内力分析

在屋架结构中，上弦、下弦杆是主要受力构件。本文分别选取温升工况下各榀屋架上弦、下弦的内力进行比较，如图4，图5所示。

图4 温升工况上弦杆件内力沿杆件长度变化图

图5 温升工况下弦杆件内力沿杆件长度变化图

由图4可以看出，温升工况下，屋架上弦最大拉力、压力均发生在1轴，12轴，其余轴屋架基本处于受拉状态，轴力范围为:－51．74 kN ～105．17 kN，并且1轴，2 轴，11 轴，12 轴的屋架上弦在1．5 m，6 m，36 m，40．5 m的位置发生了较大的轴力突变。由图5可以看出，温升工况下，屋架下弦基本处于受压状态，轴力范围为:－976．24 kN～47．93 kN，其中1轴，12轴的屋架下弦压力最大，并且1轴，2轴的屋架下弦在3 m，39 m的位置发生了较大的轴力突变。同时可以看出，靠近A轴的弦杆轴力比靠近E轴的弦杆轴力大，这与E轴下部的混凝土约束作用强于A轴有关。

3．3 腹杆内力分析

由于在实际设计中，内力最大的腹杆往往发生在靠近支座的位置，为了研究腹杆在整个屋架的内力分布情况，本文分别选取温升工况下各榀靠近A轴支座、E轴支座的腹杆内力进行比较，如图6所示。由图6可以看出，2轴，4轴，9轴，11轴屋架的支座腹杆轴力发生突变，边榀屋架(1轴，2轴，3轴，10轴，11轴，12轴)中靠近A轴与靠近E轴的支座腹杆轴力基本一致，中榀屋架(4轴～9轴)中靠近A轴与靠近E轴的支座腹杆轴力互为反号。在温升工况下，最大支座腹杆拉力发生在2轴，11轴，最大支座腹杆压力发生在1轴，12轴。

3．4 屋架支座端杆内力分析

屋架支座端杆是屋架与下部结构连接的重要构件，它既可以将屋架的荷载传递到下部结构，同时，下部结构也可以通过屋架支座端杆影响屋架。在工程设计中，屋架端杆往往是受力最大最复杂的构件，因此，应专门针对此构件进行研究。本工程屋架端杆与下部结构的连接方式采用铰接。本文选取E轴各横向轴线支座端杆的内力进行比较，如图7所示。

图6 温升工况下各榀屋架支座腹杆的内力变化图

图7 温升工况下E列各轴线支座端杆内力图

由图7可以看出，在温升工况下，1轴，12轴和2轴，11轴的支座端杆轴力分别承受最大压力和拉力;最大纵、横向剪力，最大纵、横向弯矩均发生在1轴，12轴，其余轴线支座的纵、横向剪力，纵、横向弯矩则按由两边向中间逐渐减小的规律变化。

4 结语

经过以上对屋盖变形，屋架上、下弦杆内力，支座腹杆内力、屋架支座端杆内力的分析，可以得到如下的结论:1)温度变化对于大跨屋架结构的变形起显著作用，温度效应的作用不可忽视，在结构设计时，要充分考虑结构的温度效应，提高结构在正常使用情况下的可靠性要求。2)屋架在荷载组合下，温升工况为不利工况，温降工况为有利工况。3)各构件在温度作用下的最大内力均发生在靠近山墙处的1轴，2轴，11轴，12轴这四榀屋架上，因此在设计中应保证构件截面具有足够的安全储备;而对于其余榀屋架构件，考虑到其内力在温度工况下较小，可在截面设计中进行优化设计。

[1] 北京金土木软件技术有限公司．SAP2000中文版使用指南[M］．第2版．北京:人民交通出版社，2012．

[2] 王铁梦．工程裂缝控制[M］．北京:中国建筑工业出版社，1997．

[3] 王铁梦．工程结构裂缝控制——“抗与放”的设计原则及其在“跳仓法”施工中的应用[M］．北京:中国建筑出版社，1997．