非均匀温度场作用下空间钢结构温度分布及应力分析

游 颖 张泽涛 周清富

（湖北工业大学机械工程学院，武汉 430068）

0 引言

随着中国经济的快速发展以及对精神文化需求的提高，大跨空间钢结构的设计也在不断创新，结构造型不仅复杂，而且跨度大，再加上结构本身属于高次超静定结构的特点，温度变化对钢结构的影响不可小觑。如田志昌等［1］对包头市新建体育馆的温度效应分析表明，体育馆上部钢罩蓬与混凝土支撑柱之间受温度影响较大。

大跨空间钢结构体型较大，在实际情况下结构在日照强度、环境风速、空气质量、阴影及施工环境等因素的影响［2］，往往会导致钢结构实际温度变化呈非均匀分布。为解决该问题，国内很多学者都已进行相关研究，但基本都是理论研究，如金晓飞等［3］对山西三馆日照非均匀温度作用下温度分布计算法，王化杰，范重等［4-5］以网架模型为对象研究其非均匀温度场分布规律，刘红波等［6］建立金属结构太阳辐射来研究非均匀温度的计算方法，崔建华等［7］采用ANSYS Fluent软件对山东航海实训中心项目在夏季日照情况下外墙钢板的非均匀温度场进行计算分析，但对于大跨空间钢结构而言，实际情况更加复杂，难以全面考虑各种因素［8］。以上的研究方法有一定的局限性，与实际温度分布有一定差距，非均匀温度场的研究必须依靠实测结果进行分析，基于实际监测的数据对空间钢结构温度效应分析，更接近结构实际状态，如黄凯［9］对珠海大剧院大贝壳空间钢结构的非均匀温度研究。

本文以武汉市东西湖区“国家网络安全与人才创新基地展示中心”钢结构为研究对象，对其进行长期的应力应变及温度监测，通过实测数据研究分析其温度分布规律，详细研究分析了结构在非均匀温度场作用下的受力情况，对于类似该结构，提出非均匀温度的理论计算方法，其计算结果与实测结果较为接近。

1 测点布置与实测方法

以位于武汉的东西湖临空港经济区“国家网络安全人才与创新基地展示中心”空间曲面钢结构为研究对象，本展示中心屋盖网壳采用三维多变自由曲面，东西长109.2 m，南北宽109.2 m，总面积11 924.64 m2。单层网壳结构，标准网格尺寸为1.5 m×1.5 m。屋盖总体呈曲面形状，中间区域呈拱状凸起，屋盖下部落地段呈椭圆形，结构呈东西、南北对称分布。屋面构件均为箱形构件，材质为Q355B和Q420B。构件规格共13种类型。杆件数量为10 420根，约5 200个节点，其中网壳下部为固接，四周各支撑柱与上部网壳之间为铰接，整体结构模型如图1所示。

图1 整体结构模型Fig.1 Overall structural model

对国家网络安全基地展示中心钢结构进行实际监测点布置，共布置有56个测点，主要布置在结构上部网壳和下部网壳，结构构件的横截面均为箱形截面，上部网壳的测点布置在水平构件上且以受拉为主，下部网壳的测点布置在网壳底部的斜向构件上且以受压为主。在实际环境允许的条件下，同一构件两个对面各有一个测点，如测点25、测点26、测点27、测点28、测点29、测点30、测点31和测点32，测点平面布置如图2所示。

图2 结构应力测点布置Fig.2 Structural stress point arrangement

对数据采集是利用振弦式应变传感器，在实际情况下，应变初始值统一设为3 000微应变左右，在实际采集过程中的数据均为相对值，并设受压时为负值、受拉时为正值。其中温度监测采用热电偶测试温度，并记录该点此时的温度。现场监测照片如图3所示。

图3 现场应力监测图Fig.3 Site stress monitoring diagram

需要注意的是，表面应变计在传感器安装调试完成后，加装保护装置以确保其不受外界干扰。

2 结构温度分布规律

整体屋盖钢结构成型时间为2018年8月初，从长期的连续温度及应力监测获取大量实测数据，武汉夏季温度相对较高，钢结构该阶段并没有进行涂漆等隔温保护，直接暴露在外导致温度急剧升高。选取温度较高的一天2018年8月13日，结合现场实际情况，数据采集时间点为10∶00到16∶00期间，该天实测气温分布在27.2℃～37.4℃。

选取结构上部网壳的四个测点36、测点41、测点45和测点52，下部网壳的12个测点测点1、测点2、测点3、测点4、测点5、测点6、测点7、测点8、测点9、测点10、测点11、测点12，由于结构整体呈东西和南北对称，故上部的4个测点和下部的12个测点分别在同一水平面。实测温度分布变化曲线如图4所示，其中纵坐标表示温度T，横坐标表示时间，由图可知：

图4 实测温度变化曲线Fig.4 Measured temperature change curve

（1）不同构件表面温度变化趋势基本一致，呈抛物线变化；

（2）上部网壳直接暴露在太阳下面，接收大量热辐射导致升温幅度较大；

（3）下部网壳侧面与太阳光线有一定的角度，且距离地面较近，升温幅度低于上部网壳；

（4）从结构形状来看，结构从上往下逐渐合拢，再结合实际环境影响，导致结构构件温度从上往下呈递减趋势，不论是上部网壳还是下部网壳，各杆件表面温度变化几乎是以相同规律变化；

（5）上部网壳表面温度变化范围在41.3℃～63.7℃，下部网壳表面温度对应结构表面温度变化范围在32.4℃～45.3℃，可见上部网壳表面温度比下部网壳温度高，最高温差可达18.4℃。

3 非均匀温度作用下结构应力变化实测结果及分析

结构在刚成型后的一段时间内，在没有任何隔温保护直接暴露在太阳照射下，结构构件会接收大量太阳辐射，导致结构升温幅度比较大，在该工况下温度荷载成为对结构造成威胁的最大隐患。因此对结构应力进行跟踪监测尤为重要。

应力的监测采用JMZX-212HAT表面型智能弦式应变计及相应的采集设备对结构应力进行监测，由于Δδ（应力变化）=E（弹性模量）×Δε（微应变变化），即微应变变化也反映应力变化规律，以2018年8月13日10∶00为监测基准值，监测时间为10∶00到16∶00之间下部网壳测点1-测点12应力变化，应变-温度监测结果如图5所示；图6为上部网壳测点36、测点41、测点45和测点52的应力变化。其中纵坐标为微应变。

从图5（a）、（b）可以看出：

图5 应变-温度曲线Fig.5 Measured stress curve

（1）应变变化最大时间为15∶00点，而实际大气温度最高在14∶00，说明结构对温度的响应有一定的滞后性；

（2）非均匀温度对上、下部网壳的影响不同，对下部网壳影响较大，最大增大幅度为25.2 MPa，上部网壳最大增幅为20.8 MPa；

（3）不论是上部网壳还是下部网壳，各测点的应变变化趋势与温度变化趋势基本一致，各个测点之间的应变变化规律相同；

（4）上部网壳的4个测点在同一水平面，下部网壳的12个测点在同一水平面，但各测点均以近似线性的规律变化，而根据文献［10］可知，只有在均匀温度变化下结构应变变化与温度呈线性关系，即在不同高度同一水平面上的构件应变受该水平面的温度影响，从实测数据可以看出上部构件应变与下部杆件应变随时间（温度）变化均以近线性变化，即温度效应在有高度差的构件之间影响较微妙，故可得到关于非均匀温度的一个重要结论，非均匀温度对竖向构件几乎没有影响。

4 非均匀温度作用下结构模型数值模拟

4.1 有限元模型建立

根据结构实际几何尺寸、材料属性、截面形状等，采用有限元软件SAP2000 V15建立实际结构模型，以2018年8月13日的结构工况为准，当天天气状况为晴，除恒载以外的主要荷载为温度荷载，图6所示为平面结构图。

图6 结构平面图Fig.6 Structural plan

以不同颜色代表不同截面杆件，各杆件的属性如表1所示，其中，H表示构件高度，B表示构件宽度，tf表示翼缘厚度，tw表示腹板厚度。

表1 杆件参数表Table 1 Model parameter table

4.2 分层温度计算法

钢结构在实际温度场下的非均匀分布特点是无法进行理论计算，由于实际环境的复杂多变，必须以现场采集的温度数据为基准，并施加在有限元模型上进行分析。根据实际温度分布以及各测点的应力变化规律，本文提出分层温度计算法，即计算某一测点应力时，以该测点所在层的实测温度为整个结构的温度荷载。

为验证该方法的正确性，对上部网壳测点36、测点41、测点45和测点52进行分析计算，由于结构自身对称特点，计算时可针对其中一点（测点36）进行分析。实测得到上部网壳表面温度变化范围在41.3℃～63.7℃，对应应力变化如图7（a）所示；对下部网壳测点1、测点2、测点3、测点4、测点5和测点12（对称性）进行分析。实测得到下部网壳表面温度变化范围在32.4℃～45.3℃，对应应力变化如图7（b）所示。

由图7（a）、（b）可以看出，上部网壳的应力测点36在41.3℃～63.7℃范围变化时应力增幅为19.3 MPa，下部网壳杆件温度在32.4℃～45.3℃变化时，应力测点1增幅为14.5 MPa，测点2增幅为20.2 MPa，测点3增幅为24.4 MPa，测点4增幅为22.2 MPa，测点5增幅为9.4 MPa，测点12增幅为14.5 MPa。

图7 应力变化图Fig.7 Theoretical stress change diagram

4.3 数值模拟结果与实测值对比分析

现将考虑非均匀温度荷载作用下的监测点有限元计算值与实测值进行对比分析，取上部网壳测点36和下部网壳测点1-测点5和测点12进行理论与实际对比，并计算最大误差率，如表2所示。

表2 理论值与实测值对比Table2 Comparison of theoretical and measured values

通过对比可知，分层温度计算法得到的结果相比文献［11］中所研究的温度计算法精度提高2%，表明该计算方法可较好地模拟实际非均匀温度变化对结构应力的影响。

5 结论

本文结合国家网络安全人才与创新基地展示中心钢结构工程，研究空间钢结构在非均匀温度作用下的温度分布规律及应力应变变化规律，并验证分层温度计算法的可行性，得出如下结论：

（1）在结构基本成型后的一段时间内，非均匀温度变化是影响结构应力应变的关键因素，温度作用对钢结构的影响不能忽略。

（2）结构表面温度与实际大气温度有一定的差异，温差最大点位于上部网壳处，最大温差为26.3℃。

（3）在非均匀温度场作用下，结构整体温度存在一定差异，上部网壳温度比下部网壳高，上部网壳最高温度为63.7℃，下部网壳最高温度为45.3℃。

（4）结构应力在不同部位有较大差别，上部网壳温度比下部温度高，但应力变化最大部位为下部网壳，产生的最大应力增量为25.2 MPa。

（5）上、下部网壳温度与应力基本呈线性相关，非均匀温度作用对钢结构的竖向构件影响较小，经过分层温度计算结果表明，理论分析结果与实测结果最大误差在8%以内。

（6）对于类似具有对称性的网壳筒体结构，分层温度计算法对关于非均匀温度理论计算提供重要参考。