温度作用对电厂钢结构设计的影响分析

齐秋平，梅彦民，张之川

（东北电力设计院，长春 130021）

近年来随着我国经济技术的发展，国内外电力建设项目日益增多，按照不同国家的设计标准以及项目招标书要求，对温度作用的要求有的明确写到合同中。以往国内工程设计中基本通过构造措施来满足温度效应作用，如采取设置温度伸缩缝对结构进行分区，采取保温隔热措施对结构的热传导进行限制等方法。本文结合电厂工程建设设计实例、各国规范要求以及国内外已有的研究，探讨温度作用对电厂钢结构设计的影响，总结温度作用分析方法，提出合理的建议，为今后的工程设计提供参考。

1 温度作用的分析

温度作用主要由3种因素产生：年温差变化、日照温差变化、骤然温差变化。其中，年温差是指结构闭合阶段的温度与结构正常使用时的最高、最低温度之差；日照温差是指露天日照条件下，结构所形成的不均匀温度分布，以及不同时刻的温度变化，需要计算温度场；骤然温差是指由于寒流及冷空气的影响，形成截面温度的不均匀分布［1］。年温差一般可以根据当地气象资料得到，而日照温差变化、骤然温差变化不易确定，因为其为非稳态温度场，所以目前大多数工程验算年温差的温度作用，只有少数的工程对日照温差变化的温度作用进行温度分析。

钢结构构件温度的变化将导致构件各部位膨胀、收缩，主要有3种形式：轴向变形、弯曲变形和截面不均匀变形。在静定结构中，如果各构件温度沿截面高度呈线性变化，则结构只产生变形，无温度自应力（在截面上能自相平衡的应力）的产生。如果各构件温度沿截面高度呈非线性变化，则构件截面上会产生温度自应力。在超静定结构中，无论温度沿构件截面高度呈非线性变化还是线性变化，都会引起结构的位移，而且由于多余约束的存在，都会在结构中产生温度应力。

2 国内温度场的计算方法

2.1 室外温度综合法［2］

日照下的室外温度以“室外综合温度tz”表征，其等于太阳辐射等效温度峰值tdmax与出现该峰值时刻相应室外气温tw之和（因为室外热作用包括太阳辐射与气温等，它们均非谐波，其峰值一般不在同一时刻出现），建立tz表达式时应考虑风速的影响。确定正晒面外表面温度峰值t1时，以修正系数k 考虑最大气温与太阳辐射等效温度峰值出现时差别。室外综合温度表达式为：

式中：tdmax为太阳辐射等效温度峰值；tw为室外气温昼夜平均值；θtw为出现twp时的室外气温波动值；Jmax为太阳辐射强度峰值；ε为结构外表面对太阳辐射热的吸收系数；αw为结构表面热转移系数。

视室外综合温度为平均值与波动值两部分组成，其相应传热过程也是由稳定传热和单向谐波两部分叠加，据此可得出受太阳辐射的正晒面结构外表面温度峰值t1的基本表达式：

2.2 经验公式法［3］

根据《全国民用建筑工程设计技术措施／暖通空调·动力》，箱型钢构件表面的瞬时辐射温度为：

式中：ρ为太阳辐射吸收系数，J为太阳辐射强度，αh为换热系数。

2.3 有限元分析法

文献［2］提出对温度作用采用有限元计算方法，在不同结构设计中，采用计算软件不同，计算方法稍有不同，但是分析结果与实验数据基本契合，说明采用有限元分析具有一定的可靠性。

3 国内外规范对钢结构温度作用的规定

印度标准IS 800：2007规定：结构中的构件单元由于温度变化引起膨胀或收缩应给与考虑。各地区温度变化包括昼夜温差及季节性温差，有关数据可以在印度国家计量部得到；露天环境或直接暴露于阳光下构件，温度作用也应给与考虑。关于温度伸缩缝，由于受诸多因素影响，由设计工程师按实际工程情况确定。如果结构布置按照图1、图2执行，这样布置的一个单元可不进行温度应力分析。

由于个别项目地处热带沿海区域，在合同条款中提出要求做温度作用计算。设计中与业主工程师沟通，对于温度作用效应，按照年最高温度与最低温度差值的2／3作为温差计算，且仅考虑沿构件轴向方向作用。

美国钢结构规范：无明确规定。《美国房屋钢结构设计、制造和安装规范》（ANSI A 10.13－1989）提到“必须做出与结构使用条件适应的有关伸缩缝适当设置的规定”。

图1 一跨设置支撑的最大长度

图2 中间二跨设置支撑的最大长度

英国有关规定，如英国标准规范BS449，1959《房屋建筑中结构结构钢的应用》指出“在建筑物的设计及施工中，当考虑温度变化作用时，在英国及北爱尔兰假定结构使用温度变化不超过20～120 ℉（－7～49℃），但具体设计温度差应根据建筑地点、形式及用途而定。对在特殊情况下及国外的结构物，承受不同温度变化者，必须做特殊考虑”。BS5950钢结构规范第二部分极限状态设计中指出：在结构的设计和施工过程中，有必要考虑温度变化的影响。可假定英国室内钢结构的温度在－5～35℃变化，应注意温度变化的范围与地点、结构的类型和使用功能有关，当结构所处的环境和地点不同时，其温度变化范围应根据实际情况而定。温度作用的分项系数取1.2。BS5400 规范关于温度作用的规定是迄今国外关于桥梁结构温度作用规定最为详细的。在总则中，考虑了气温、太阳辐射、逆辐射等每日和季节变化因素。

法国有关规定：1956年《钢结构设计和施工规程》：“拱结构和超静定结构都要考虑温度的影响，对其他结构，当长度超过50 m 时，除非采取特殊措施，在计算中必须考虑温度伸缩的因素”，“温度差允许值为±27℃，北非地区为±36℃”。

日本钢结构规范的有关规定：日本建筑学会《钢构造设计规准》（1995年12月10日版）第三章第5条规定：“由于温度应力变化所引起大应力的结构需考虑其影响”。

GB 50017—2003《钢结构设计规范》针对不同的结构类型和使用状态做出设置伸缩缝间距的规定；GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，对温度作用做了简要介绍，对于荷载分项系数，组合系数有了清晰规定，对于如何计算3种温度变化的温度作用，规定不是很详细具体，但提出建筑结构设计时，应首先采取有效构造措施来减少或消除温度作用效应，如设置结构的活动支座或节点，设置温度缝，采取隔热保温措施等。当结构或构件在温度作用和其他可能组合的荷载共同作用下产生效应（应力或变形）可能超过承载力极限或正常使用极限时，比如结构某一方向平面尺寸超过伸缩缝最大间距或温度区段长度、结构约束较大、房屋较高等，结构设计中均需考虑温度作用。

各国规范对温度作用要求不一，并且有的国家没有明确规定。对于一些特殊结构形式，温度作用效应要给予考虑，但是温度作用效应的取值还处于探索阶段。

4 电厂工程实例

4.1 圆形煤场

抚顺某热电厂地处市中心，储煤场为直径120 m 封闭圆形结构，侧面为钢筋混凝土挡墙，屋盖为大跨度钢网架围护结构。由于钢结构近似于直接暴露室外，受温度变化的影响显著。施工安装期间温度差异不大，在使用期随着环境温度的变化，钢结构不同部位在同一时刻的温度差异较大，受太阳辐射和表面风作用的影响，上弦杆的温度变化幅度比斜腹杆、下弦杆略大。利用无线温度传感器网络系统，对安装期及使用期进行温度测试。

4.2 钢结构主厂房建筑

利港某电厂为4×600 MW 机组，主厂房总长343.6m，每台机组作为一个单元，每单元长度分为80m 与90m 两种，两单元间设置一道1.2m 伸缩缝；主厂房横向布置汽机房跨度30.6 m，除氧间跨度9.0m，煤仓间跨度11.0m，横向总宽度50.6m，横向柱间垂直支撑布置在除氧间跨或煤仓间跨内；每单元（即一个温度区段）纵向设置两道柱间垂直支撑；汽机房屋面为钢桁架金属复合板轻型封闭，除氧间与煤仓间中楼屋面为钢梁混凝土浇制板。结构模型计算采用三维计算软件STAAD－III，按照GB 50017—2003执行，模型计算时未进行温度作用核算，电厂分别于2004年、2005年投产，运行至今，厂房使用情况良好，未发现由于温度变化引起的不良现象。

4.3 电厂中的钢结构建筑

印度某电厂脱硫电控楼，长36 m，高15 m，分三层布置，外围护为金属复合保温板，屋面为钢筋混凝土板全封闭结构，楼面采用浇制钢筋混凝土板。结构体系采用特殊中心支撑框架体系，柱脚与基础铰接、梁与柱采用高强度螺栓铰接，纵横向框架设置必要的垂直支撑。此建筑所在地年最低气温20℃，最高气温37℃，按照中国标准规定，此建筑可不进行温度作用核算；但是按照合同及业主要求，需要对地上结构所有钢构件做轴向温度变化计算，温度变化差取为11℃，在工程设计中采用BENTLNEY公司开发计算软件STAAD－Pro计算。同时采用有限元分析法的MIDAS软件进行核算，仅此11℃温差对构件内力影响很小，只是对水平布置钢梁、柱间垂直支撑内力稍有作用，内力变化幅度约为10kN。

在此建筑结构设计中，温度荷载分项系数以及组合系数等如何取用为以后工程提供借鉴，同时在考虑钢构件受温度作用时应考虑楼面混凝土板协调变形。

5 结论

温度作用对于普通的电厂钢结构影响很小，一般仅通过构造措施即可有效降低温度作用对结构的影响；但是随着建筑使用功能新颖独特要求，结构体系越来越庞大，空间布置越来越复杂，对于大空间建筑以及高耸建筑，温度作用对结构构件的影响不容忽视；针对温度作用设计方法，国内外规范并没有明确的列举，温度场作用不是简单几个理论就可解决的，需要大量实测数据与理论探索。

［1］边广生.空间结构温度效应理论分析及试验研究［D］.南京：东南大学，2004.

［2］李洪猷.高层建筑结构日照影响额研究［J］.工程力学，1990，7（3）：65－81.

［3］建设部工程质量安全监督与行业发展司（中国减数标准研究所）.全国民用建筑工程设计技术Ⅱ暖通空调·动力［M］.北京：中国计划出版社，2003.