温度作用对大跨度钢结构天桥设计的影响

张宁

0 引言

大跨度钢结构通常为超静定结构，在约束下温度作用下会产生较大位移和应力，当温度效应占总效应比值较多时，钢结构会出现明显的变形或构件的应力破坏。本文结合温度作用类型和特点，以广州某地区有轨电车近端天桥工程为例，采用MIDAS/Gen 软件进行计算，并通过对比杆件在恒、活、风与温度组合工况作用下的内力和变形分析，得出温度作用对杆件应力、变形和支座内力不同程度的影响，对同类工程温度作用的设计具有一定指导意义。

1 温度作用的类型及特点

1.1 温度作用的类型

结合以往的分析经验，温度作用的产生主要与年温差变化、日照温度变化和骤然温差变化相关。其中，年温差主要是指结构的合拢阶段温度与结构正常使用状态时最高以及最低平均温度的差值；日照温差主要是指在露天日照条件下，结构受到不均匀温度分布变化影响，在不同时刻所表现出的温度变化有所不同；骤然温差主要是指受到寒流和冷空气的影响，导致截面温度不均匀分布现象；其中日照温度和骤然温度变化属于非稳定应力场，需要大量可靠的数据和分析，目前仅有少数工程进行针对性分析，大部分工程仅考虑年温差作用。

1.2 温度作用的变形及特点

温差引起的温度分布主要有均匀分布的温度、沿截面线性变化的分布温度以及沿截面的非线性变化的分布温度。当钢结构构件温度发生明显变化时，钢结构构件主要产生热胀冷缩现象。从变形结果分析，轴向、弯曲以及截面不均匀变形等均可以视为基于温度作用下钢结构所产生的变形表现；在静定结构中，如果各构件温度沿截面高度表现出线性变化特点，此时结构只会发生明显的变形现象，并无温度自应力问题出现。而如果各构件温度沿截面高度表现出非线性变化特点，构件会产生明显的自应力现象以及变形；在超静定结构中，只要温度沿构件截面高度出现线形或非线形变化，都会引起结构位移现象，再加上多余约束的影响，结构内部会产生明显的温度应力变化。

2 工程实例

2.1 工程概况

广州市某有轨电车近端天桥，上部结构采用钢桁架结构，设计基准期为50 年，设计使用年限为50 年，抗震设防烈度为7 度（0.10g），第一组，场地类别为Ⅱ类；天桥主体总长117.042m，结合跨线间距和站台布置，天桥被分成47.8m 和38.24m 两个不等跨，桥面宽度为8m，两侧设置的楼、扶梯，楼、扶梯与天桥采用双柱分缝布置，屋面采用1.2mm 厚铝镁锰金属屋面板，楼面采用140mm 厚钢筋桁架楼承板，下部两端和中部各设置4 个钢筋混凝土支撑柱，桁架截面尺寸：上弦杆口700mm×500mm×22mm；下弦杆口800mmmm×500mm×25mm；直腹杆H 800mm×450mm×18mm×24mm；斜腹杆H 700mm×400mm×12mm×18mm；主体均采用Q355 钢，结构的纵、横向布置详图1、图2。

图1 天桥结构纵向布置

图2 天桥结构横向布置

2.2 荷载作用效应取值

（1）恒荷载：恒荷载根据构件的截面尺寸与材料容重确定。

（2）活荷载：楼面4.5kN/m，不上人屋面0.5kN/m。

（3）风荷载：0.6kN/m（100 年一遇），地面粗糙度 B 类。

（4）温度荷载：结构暴露于室外需考虑年温差作用，根据当地温度气象条件，年平均最高温度46℃，年平均最低温度-3℃，合拢温度取值22±5℃，额外考虑金属屋面材料和色调在太阳辐射下的结构表面温升11℃。作用于主体结构的整体温升工况温度为40℃，整体温降工况为-30℃。

（5）结构主要荷载工况：①1.0 恒；②1.0 恒+1.0 风；③1.0 恒+1.0 温升；④1.0 恒+1.0 温降；⑤1.3 恒+1.5 活；⑥1.3 恒+1.5 活+0.9 温升；⑦1.3 恒+1.5 活+0.9 温降；⑧1.3恒+1.5 活+0.9 风；⑨1.3 恒+1.5 活+0.9 风+0.9 温升；⑩1.3恒+1.5 活+0.9 风+0.9 温降。

3 模型计算与分析

采用有限元软件MIDAS gen进行分析，整体三维模型见图3，主体结构可简化为连续梁，考虑连续梁的受力特点同时降低整体结构的温度效应作用，纵桥向中部柱顶设置三向固定铰支座，两端柱顶横桥向(Y 向)和竖向(Z 向)设置为铰约束，纵桥向设置为延纵向（X 向）可滑动支座。

图3 结构整体三维模型

3.1 温度作用对结构变形的影响

以单元温度加载方式对整体结构施加温升和温降作用，得到恒载、恒载+风载、恒载+整体温升和恒载+整体降温四种工况下的正常使用极限状态下的位移；由于横桥向天桥为对称结构，取单榀桁架杆件变形计算结果，对关键节点的位移进行分析，节点编号及位置如图4 所示，选取的关键节点为541、90、811、796；关键节点的位移计算结果见表1，其中节点541 和796 为端部下弦节点，节点90 和811 为跨中下弦节点。

图4 桁架各节点编号（单榀）

从表1 中各关键节点的位移变形值可以看出，温度作用对于端部纵桥向（X 向）水平位移和竖向位移（Z 向）影响较大。在端部支座附近位置的纵桥向水平变形影响较大，如节点541，在不考虑温度工况下，水平位移为1.19mm，在考虑温升工况下的水平位移为26.9mm，是不考虑温度作用下的10～14倍，可见温度作用对水平的位移的影响很大；温度作用对跨中的竖向位移影响也相对较大，如节点90 和811，考虑温度作用的跨中挠度增加幅度约为22%～50%；温降作用下挠度方向同恒荷载，温升作用下挠度与恒荷载作用方向相反，呈有利作用，这是因为在温度作用下，以跨中支座作为温度不动点向两侧膨胀或收缩，产生的拉、压力在约束作用下使跨中的挠度在温升工况下减小、在温降工况下增加。

表1 不同工况下桁架关键节点位移（mm）

3.2 温度作用对构件应力的影响

以单元温度加载方式对整体结构施加温升和温降作用，得到1.3 恒载+1.5 活载、1.3 恒载+1.5 活载+0.9 温升、1.3 恒载+1.5活载+0.9 温降、1.3 恒载+1.5 活载+0.9 风载、1.3 恒载+1.5 活载+0.9 风载+0.9 温升和1.3 恒载+1.5 活载+0.9 风载+0.9 温降六种工况下的承载力极限状态下的应力，由于横桥向天桥为对称结构，取单榀桁架杆件应力计算结果，对关键杆件的应力进行分析，杆件编号及位置如图5 所示，选取的关键杆件编号为404、1590、1731、1735、412、1519、422、1601、2037、2058，关键杆件的应力计算结果见表2，其中404 和1590 为支座附近下弦杆，1731 和1735 为支座处直腹杆，412 和1519 为支座附近斜杆,422 和1601 为支座上弦杆,2037 为跨中上弦杆、2058 为跨中下弦杆。

图5 桁架各单元编号（单榀）

从表2 中各关键单元的应力值可以看出，属于连续梁受力的天桥在温升或温降组合下的最大应力均超过或接近无温度作用的工况组合；比较数值得出支座附近上弦和跨中的上、下弦杆在有温升作用下应力增加，在有温降作用下的应力减小；两端支座间的下弦杆件422 在温降工况作用下应力变号，应引起重视；支座附近的直腹杆1731 和1735 处于温度零点范围，应力基本无变化。

表2 不同工况下桁架关键杆件应力（N/mm2）

3.3 温度作用对支座内力的影响

以单元温度加载方式对整体结构施加温度作用，得到了1.3恒载+1.5 活载+0.9 风载、1.3 恒载+1.5 活载+0.9 风载+0.9 温升和1.3 恒载+1.5 活载+0.9 风载+0.9 温降四种工况下的支座内力，由于横桥向天桥为对称结构，取单榀桁架支座内力计算结果，对关键支座的内力进行分析，选取的关键支座编号为1、5、9、10，支座编号及位置详图6，关键支座的内力计算结果见表3，其中编号1 和5 为两端支座，9 和10 为中部支座。

表3 不同工况下桁架关键支座内力（KN）

图6 桁架各支座编号（单榀）

从表3 中各支座的内力值可以看出，支座在温度最大组合下的内力均超过无温度工况组合的内力；通过对支座内力数值比较，温度作用对支座长方向水平内力的影响较大，短方向水平内力次之，竖向内力则影响最小；由于两端柱顶支座X 方向释放，中部支座作为温度作用约束，承受了水平方向全部内力。

4 结语

大跨度钢结构通常为超静定结构，在约束下温度作用下会产生较大位移和应力；本文结合广州某地区有轨电车近端天桥工程实例，对连续梁受力类型天桥整体温升和温降工况进行有限元计算，并通过天桥在恒、活、风和温度组合工况作用下的分析，得出温度作用对大跨度天桥的应力、变形和支座内力的影响，尤其是对连续梁受力类型天桥结构的支座水平内力、端部水平变形和跨中挠度影响较大，分析的结果对同类钢桁架天桥工程具有指导作用。