网架结构温度作用取值及最不利工况确定*

赵 锐 刘 清 王海花 马国杰

(1.新疆大学建筑工程学院, 乌鲁木齐 830047; 2.新疆建筑结构与抗震重点实验室, 乌鲁木齐 830047;3.中国二十二冶集团新疆分公司, 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

大跨度空间网架结构超静定次数高、结构刚度大,温度变化对结构的影响不可忽视。温度变化作为一种间接作用,在结构设计中应予以考虑。在不同自然环境下,温度对结构的作用是不同的,主要可分为3种:年温差作用、日温差作用及骤然降温作用。目前,对大型钢结构建筑进行结构设计时,仅考虑因年温差变化引起的均匀温度场对结构的影响[1],2008年肖星星对多跨长连桥进行年温差作用下的结构温度响应研究发现,在我国冬夏分明的温带地区,在年温差作用下,升温造成的桥端长度改变量为64.8 mm,降温造成的桥端长度改变量为35.1 mm[2]。2009年杨江朋利用BSAS软件对某连续刚构桥进行了数值仿真研究并对结构在不同温度作用条件下的温度应力进行系统性分析[3],其中,年温差对桥截面的应力影响较大、昼夜温差对各T型刚构前端挠度影响比较大。日照辐射作用下结构的温度场分布及温度效应是目前研究的热点,尤其对于大跨钢结构,如金晓飞等曾利用数值分析方法对南京南站的钢结构屋盖进行了日照温度场作用下的位移分析[4],获得了屋盖网架结构各部位、各时刻的位移大小及分布规律,并针对大跨度屋盖给出了施工合拢温度的建议取值。陈建稳等采用ASHRAE 太阳辐射模型对大尺寸矩形构件的日照温度场分布规律进行分析[5],给出了不同辐射吸收率、不同空间方位时构件温度场的变化规律。骤然降温作用在地球自然气象环境下并不罕见,目前,尽管已经有过若干结构破坏事故被确认是由于这种骤然降温作用造成的,比如鄂尔多斯那达慕大会主会场钢结构于2010年12月15日13:35的塌落事件,经专家鉴定,其主要原因就是带有较大施工缺陷的钢结构遭遇温度骤降后,钢结构出现较大伸缩而发生垮塌[6],但这方面的研究不多。对结构进行温度效应分析前,首先应明确温度作用的取值,由于地理位置对自然气象条件有较大影响,因此,以乌鲁木齐高铁站钢屋盖网架结构为依托工程,结合乌鲁木齐的气象数据,讨论3种温度作用进行结构分析时的取值方法,并应用到结构上进行温度效应分析,为后期结构的设计及施工提供基础资料。

1 工程概况

乌鲁木齐站由主站房和雨棚两部分组成,主站房钢屋盖为多点支承的正交正放焊接球节点网架结构,长度为343 m,宽度为254 m,网架高度为3.3～4.8 m,网格尺寸为5.0～6.0 m,屋盖最高点标高为40.204 m,檐口标高为17.450 m;屋盖采光天窗处杆件抽空,中间部位设有伸缩缝,支座采用抗震球形支座,下部为混凝土框架结构。其整体鸟瞰图、结构平面如图1和图2所示。

图1 乌鲁木齐站整体鸟瞰图

①～为分区号。

2 数值仿真模型的建立

2.1 流场分析模型

为得到结构外轮廓的温度场分布情况,在Workbench的Fluent中需首先建立乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的流场分析三维模型,即固体域。计算域的边界设置离固体域足够远,长度和宽度均为固体域的11倍,高度为固体域的6倍,即长度为55 125 m,宽度为2 794 m,高度为241 m,计算得到阻塞率=建筑物最大迎风面积/计算域面积=1.6%,满足JGJ/T 338—2014《建筑工程风洞试验方法标准》[7]小于3%的规定,所以计算域的选取范围是合适的。固体域设置在计算域长度的1/4位置、宽度的1/2位置处,距离速度入口边界1 715 m,并置于地面上。利用Fluent Meshing对模型进行网格划分,用曲率和弯斜度来控制网格质量,网格各节点之间的最小距离设为3 m,增长率设为1.14。固体域及计算域示意如图3所示,其中,体网格选用poly网格,计算域的网格数量为115 794个,弯斜度为0.699。

a—固体域;b—计算域。

图3a中y轴为南北横轨向,x轴为东西顺轨向。速度入口为南面(y轴正向),压力出口为北面(y轴负向)。流场的边界条件和材料参数设置如表1和表2所列。地表物体产生的热量主要使用P-1模型、晴空模型和太阳辐射追踪来确定,软件会根据计算的时间与位置等信息自动加载太阳辐射强度。采用simple算法进行压力-速度耦合问题的求解,其中,压力松弛因子与能量松弛因子分别设为0.3、0.87,离散格式选择体积力加权格式。

表1 边界条件参数设置

表2 材料参数设置

2.2 结构有限元模型

为对结构进行温度作用下的流固耦合分析,需利用 MIDAS首先建立乌鲁木齐站钢屋盖结构的有限元模型。由于结构具有对称性,可只分析1/2网架,各杆件为梁单元,上部屋盖钢结构和柱子连接处采用铰接支座,有限元模型如图4所示。杆件均为Q345圆钢管,材料参数为:密度7 860 kg/m3,弹性模量206 GPa,泊松比0.3,线膨胀系数14.8×10-6/℃,截面规格有8种,分别为φ127×6、φ140×7、φ102×5、φ152×7、φ299×14、φ350×22、φ219×12、φ114×5.5。模型中单元数为21 795个,节点数为5 498个。

图4 乌鲁木齐站1/2网架结构有限元模型

3 温度作用的取值方法

GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[8]第9.2.2条规定,对金属结构等对气温变化较敏感的结构,宜考虑极端气温的影响。因此,以下主要讨论乌鲁木齐站钢屋盖年温差、日温差和骤然降温温差三种温度作用极端值的取值方法。

3.1 年温差作用

对结构进行年温差作用下的温度效应分析时通常将温度场视为均匀温度场[8]。极端年升Δtk1、降温温差Δtk2的计算公式分别为:

Δtk1=ts,max-t0

(1a)

Δtk2=t0,min-t0

(1b)

式中:ts,max、t0,min分别为结构所在地的最高气温和最低气温;t0为结构的合龙温度。根据乌鲁木齐1971—2019年的气象资料可知,乌鲁木齐的最高气温为40.9 ℃,最低气温为-30 ℃;结构在施工监测期实测的合龙温度为20 ℃。由此可得:结构的极端年升温温差为20.9 ℃,极端年降温温差为-50 ℃。

3.2 日温差作用

乌鲁木齐位于亚洲地理中心,是典型的温带大陆性气候,具有太阳辐射强、风大的气候特点,这对大跨空间结构的温度场分布有较大影响,从乌鲁木齐气象局查询到的近10年的气象资料可知,以6月22日夏至日为例,乌鲁木齐近10年六月风速分布及风向玫瑰图如图5和图6所示。

图5 乌鲁木齐风速分布

图6 乌鲁木齐风向玫瑰图 m/s

从图5、图6中可以看出,乌鲁木齐六月风速的最大频数出现在20 m/s位置,风向角约为300°时风向角的密集度最高。所以对乌鲁木齐站屋盖结构进行夏至日温度作用计算时,风速取20 m/s、风向角取300°。由于乌鲁木齐站位于城市郊区,按照地面粗糙度分类标准应该取为B类。乌鲁木齐的地理位置为北纬 87°32′,东经 43°51′,一天中北京时间14:00为正午,气温最高。基于以上参数,利用Workbench的Fluent对结构进行流场分析,得到结构14:00的温度场分布云图,如图7所示。

图7 乌鲁木齐站屋盖温度场分布云图 ℃

在日温差作用下,结构的极端日升温温差即为屋盖的最不利温度与结构的合拢温度之差。从图7可以看出,乌鲁木齐站屋盖表面温度最大值在屋盖西北处,为50.7 ℃,结构合拢温度为20 ℃,由此可知,结构在日温差作用下的极端日升温温差为30.7 ℃。

3.3 骤然降温作用

骤然降温作用是指由于强冷空气入侵或日落突然降温引起的温度变化,一般可变化十几度[9],因此将其值假定为-18 ℃。乌鲁木齐年冬季平均空气最低气温为-7 ℃,将其设为结构初始环境温度。用MIDAS对网架结构进行温差作用下的轴力分析,找到拉(或压)力绝对值最大的杆件,即最敏感的杆件,该杆件规格为φ127×6、长3.95 m的Q345钢管,两端简支,在Workbench环境下利用瞬态热分析模块对其进行瞬态温度场分析,自然对流时空气的对流系数取为5。对于环境温度,在1 h内以10 min为时间间隔选取4种不同的降温路径,如图8所示;瞬态热分析后得到不同降温路径下结构表面的温度值,如图9所示。

骤然降温作用下屋盖最不利的温度与结构使用阶段的合龙温度之差,即为极端骤然降温温差。从图8和图9中可知,结构的最不利温度与降温路径有关,具体表现为:在结构所处环境的降温幅值相同、降温路径不同的情况下,结构表面的构件温度也会不同。在骤然降温情况下,线性降温比非线性降温对构件表面温度值改变量更大,在线性降温路径4中降温速率为-3 ℃/10 min,结构表面温度降温幅值最大,为-13.26 ℃,此时杆件在冷空气中的温度为-20.26 ℃,与网架结构的合拢温度(20 ℃)差值为-40.26 ℃,故极端骤然降温温差为-40.26 ℃。

4 最不利工况的确定

为确定结构不同温度作用下的最不利工况,需基于以上不同温度作用的取值,利用MIDAS对网架结构进行不同温度作用下的结构响应分析。表3为结构不同温度作用下的最大位移值、最大拉应力和最大压应力值。图10为极端年升温温差作用下的结构响应分布。由于4种温差作用下结构的极端响应位置基本相同,所以图10只列举了一种温差作用下的结构响应分布。

a—最大位移分布,mm; b—最大应力分布,MPa。

4.1 位移分析

从表3网架结构的升温工况中可以看出:在位移方面,该网架结构在日升温作用下的最大位移比年升温作用下的最大位移提高了31.1%;年降温作用下的最大位移比日降温作用(骤然降温)下最大位移提高19.1%。因此,应将极端日升温温差作为网架结构最大的升温工况,年降温温差作为网架结构最大的降温工况。

4.2 应力分析

从图10及图2中可以看出:在构件应力方面,各类工况下的应力最值出现位置基本相同,以升温温差图10为例,拉应力最大值出现在长度方向的轴～轴之间,离轴为10.4 m、宽度方向的轴～轴之间,离轴为10.1 m;压应力最大值出现在长度方向的轴～Ⓕ轴之间,离轴为13.6 m、宽度方向的轴～轴之间,离轴为4.2 m。降温温差作用下应力最大值和最小值的位置刚好相反。从表3中可以看出,极端日升温温差作用下梁单元的压应力达到了Q345钢屈服强度一半以上,且极端日升温温差作用下梁单元的压应力比极端年升温温差作用下的压应力增长了31.9%,故应将极端日升温温差作为网架结构最大的升温工况。极端年降温温差作用下梁单元的拉应力和极端骤然降温温差作用下的拉应力接近或超过了Q345钢的屈服强度,说明这个构件的区域在施工和使用阶段需要做好保温隔热措施,应该将极端年降温温差作为温度设计时的降温工况[10]。

5 实测验证

该工程施工采用分步分块整体提升工艺,结构被分为18个区,如图2所示,应力温度监测点共布置182个,其中上弦杆55个,腹杆46个,下弦杆81个。传感器采用振弦式表面应变计,可以同时测读应力和温度两个参数,实景如图11所示。由于结构较大,以①区22:00时SX1-2上弦杆、FG1-1腹杆、SX1-3上弦杆、XX1-9下弦杆四个具有代表性的测点的一周监测数据与理论分析数据相对比,验证有限元分析的准确性。测点布置如图12所示。

图11 传感器现场照片(红色为传感器外部带有保护盒)

1～10为测点。

利用MIDAS对网架结构进行有限元分析,基于气象数据对7月2—8日不同温度作用下的网架结构进行数值模拟,提取4个测点22:00时对应温度下的应力值,与监测数据进行对比,其误差如图13所示。可以看出:SX1-2上弦杆、FG1-1腹杆、SX1-3上弦杆和XX1-9下弦杆4个测点的应力监测值与模拟值之间的误差在2%～14%之间,误差波动较大,主要有以下几点原因:1)有限元模拟时施加的是通过热传导产生的均匀温度场,而实际工程虽是采集22:00时的温度,但不排除热对流和热辐射产生的非均匀温度场对结构的影响,这是导致结构应力产生误差的原因之一。2)按图纸建立的有限元模型与实际工程存在一定的误差,这在施工中是不可避免的。因此,对一周内的应力误差取平均值,SX1-2、FG1-1、SX1-3和XX1-9四个测点的应力误差平均值分别为8.9%、8.4%、8.6%和8.5%,均在误差允许范围内,所以利用MIDAS对结构进行温度效应分析是可行的。

6 结束语

自然环境下的温度作用主要有年温差作用、日温差作用和骤然降温作用三种类型,本文依据乌鲁木齐气象资料及理论分析结果,分别确定3种温度作用的取值,明确结构的输入荷载,进而分析乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的温度效应,并用实测数据进行验证,得出结论如下:

1)依据乌鲁木齐近50年的气象资料得出:乌鲁木齐地区历史年极端最高温度为40.9 ℃,历史年极端最低温度为-30 ℃。结合结构实测的合龙温度,提出乌鲁木齐地区大跨度网架结构的年极端升温温差和年极端降温温差取值。

2)依据乌鲁木齐近10年的气象资料得出:乌鲁木齐六月份最大的频率风速集中在20 m/s,最大风向角在270°～330°之间。考虑太阳辐射、风速、地面粗糙度和风向角的影响,得出日温差作用下乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的极端日升温温差的取值。

3)在结构所处环境的降温幅值相同、降温路径不同的情况下,结构表面的构件温度也会不同。在骤然降温情况下,线性降温比非线性降温对构件表面温度值改变量更大。

4)在乌鲁木齐站网架结构温度效应分析中,确定了网架结构设计时极端升温工况和极端降温工况的取值,以上3种温度作用的取值方法及极端升、降温工况的取值方法可为今后类似工程提供参考。

5)极端温差作用下,大跨度网架结构梁单元的拉、压应力均比较大,在进行结构设计时需要充分考虑温度变化对结构构件的影响,结构在施工和使用阶段也需要做好保温措施。