复杂钢结构施工过程温度效应分析

张鹏

（山西建筑工程集团有限公司，山西太原 030000）

0 引言

在对钢结构工程项目进行施工的时候，钢结构构件在太阳辐射温度、空气环境温度的影响下，会形成有关温度场并产生一定的温度应力。因此，探究复杂钢结构施工过程中的温度场温度应力影响，并对施工成果开展质量评价，这对于从整体上保障复杂钢结构的施工质量而言具有一定的积极意义。

1 复杂钢结构施工过程中温度作用取值的确定

确定太阳辐射条件下钢结构构件的有效温度、并对比分析钢结构构件有效温度与大气环境温度之间的关系，将为后文探究复杂钢结构施工过程中的温度场提供依据支撑。

1.1 太阳辐射条件下复杂钢结构构件的有效温度

根据大量的文献和实地调研发现，复杂钢结构工程项目不同位置处的构件，在同一太阳辐射环境下的温度不同、其外表面和内里面的温度差异也比较大，故而需要对钢结构构件受到的温度进行修正，修正后的温度被称为“有效温度”[1]。有效温度的产生，是基于对钢结构构件内部应力等效的原则进行修正的，有效温度计算式如式（1）和式（2）所示[2]。

式中：Tce——有效温度，℃；m——各类钢构件的截面数量；Tci和Tci'——某一钢构件同一截面互为对称点的两处位置的实际测量温度值，℃；η——太阳辐射环境下的温度修正系数；σ0——各类钢构件在太阳辐射环境下的实测温度场作用最大应力，MPa；σi——各类钢构件同一截面在太阳辐射环境下的实测温度场作用最大应力，MPa[3]。

1.2 太阳辐射环境下钢构件有效温度对比大气温度

以我国山西省境内的某复杂钢结构工程项目为例，该项目在施工阶段利用式（1）、式（2）计算得到的钢构件有效温度和大气环境实测温度对比如表1 所示。

表1 山西省境内某复杂钢结构工程项目施工阶段钢构件有效温度和大气温度对比

由表1 可以看出，山西省境内某复杂钢结构施工期间各类钢构件的有效温度日最高值均大于大气实测温度日最高值；各类钢构件的有效温度日最低值与大气实测温度日最低值之间的差距非常小。由此可以判断，在有效温度和大气温度之间，将有效温度作为复杂钢结构施工期间的温度效应分析数据来源，更为科学可靠。

2 复杂钢结构施工过程中温度计算范围的确定

依据前文可知，复杂钢结构施工期间经历的工期普遍较长，在施工工期内，不同的季节、月份，会呈现出不同的高温或低温特点[4]。即使利用式（1）和式（2）对钢结构的各类温度进行了计算修正，还需要确定施工过程中的有效温度范围[5]。根据我国山西省内气象部门发布年度天气温度信息，采用两个正态分布相叠加的方式，对于山西省内复杂钢结构工程项目一年工期内的各类钢构件有效温度概率密度进行拟合，得到如式（3）所示的计算式。

式中：f（T）——复杂钢结构工程项目一年工期内的各类钢构件有效温度概率密度；σ1——复杂钢结构工程项目一年工期内在春、夏两个季节的各类构件有效温度平均值，℃；σ2——复杂钢结构工程项目一年工期内在秋、冬两个季节的各类构件有效温度平均值，℃；T——复杂钢结构工程项目一年工期内各类构件有效温度平均值，℃；μ1——复杂钢结构工程项目一年工期内在春、夏两个季节的各类构件有效温度正态分布方差，℃；μ2——复杂钢结构工程项目一年工期内在秋、冬两个季节的各类构件有效温度正态分布方差，℃；e——复杂钢结构施工期间各类钢构件在太阳辐射环境下的温度修正系数[6]。

利用式（3）对山西省内气象部门发布的年度天气温度信息进行拟合，最终得出效温度值范围为-18.9～60℃。

3 复杂钢结构施工过程中温度场模型建立

在有效掌握了复杂钢结构工程项目温度作用取值的有关理论以及有效温度取值范围之后，便可以根据有关理论和“有效”温度取值范围开展复杂钢结构工程项目施工过程中的温度场模型建立。

3.1 复杂钢结构施工阶段温度场模型建立

由于季节变化越大，时间跨度越长，复杂钢结构施工阶段的温度场影响因素就越多，模型误差影响也就越大[7]。因此为了降低误差，建立温度场模型时，应基于统计的月最小有效温度差建立模型。如此，假设整个复杂钢结构在开展施工合拢时的温度为T0，在整个复杂钢结构第i 个施工阶段构件安装有效温度为Ti，那么在施工期间复杂钢结构所承受的温度作用计算式则如式（4）所示。

基于式（4），假如复杂钢结构在施工期间，存在n个不同的施工阶段，那么整个复杂钢结构在施工过程中承受的温度作用，就是n 个不同施工阶段温度作用的叠加，如式（5）所示。

基于式（4）和式（5），可以建立山西省内复杂钢结构工程项目施工过程温度场模型，其建立方式如表2所示。

表2 山西省内复杂钢结构工程项目施工过程温度场模型建立方式

3.2 复杂钢结构施工阶段温度场模型验证

依托于复杂钢结构施工过程温度场模型建立方式，建立相应的温度场模型后，需要对模型进行模拟验证。对山西省内复杂钢结构施工过程中温度场温度应力的动态非线形施工模拟的计算式如式（6）所示。

式中：[Ke]——复杂钢结构施工过程中温度场温度应力的弹性刚度矩阵；[Kg]——复杂钢结构施工过程中受自身重力影响而产生的几何刚度矩阵；[f2]——复杂钢结构施工过程中各类构件在温度场温度应力的作用下产生的节点荷载向量矩阵；[f1]——复杂钢结构施工过程中各类构件在温度场温度应力的作用下处于平衡状态时的节点荷载向量矩阵；Δu——复杂钢结构施工过程中各类构件在温度场温度应力的作用下产生的位移增量向量矩阵。

根据式（6）分别求解复杂钢结构施工过程中n 个不同施工阶段里第i 个施工阶段的温度场温度应力位移Δui，而后依次叠加，可以得到整个复杂钢结构的位移总量为u，其计算式如式（7）所示。

由此可以通过观测u 值是否符合设计要求的温度场温度应力位移极限值，基于温度场温度应力的消极影响角度判断复杂结构施工是否满足有关质量要求。

4 案例分析

位于我国山西省境内的某复杂摩天轮钢结构项目采用满堂支架法进行钢构件安装施工，其钢构件安装顺序依次为外弦杆、内弦杆和编织网格，其中编织网格是在地面拼装成段后再借助塔吊进行安装。该项目现场施工过程如图1 所示。

图1 山西省境内的某复杂摩天轮钢结构项目现场施工过程

利用目前计算精度较大，应用较为成熟的有限元模型建立与计算分析软件（ANSYS 软件），对项目的钢结构施工过程及其温度场、温度应力进行建模，得到相应的有限元计算分析模型，如图2 所示。

图2 山西省境内的某复杂摩天轮钢结构项目施工过程温度场有限元模型

通过图2 可以看出，有限元模型将施工过程分为8个施工阶段，基于有限元计算分析软件（ANSYS 软件），在软件中录入式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）、式（6）、式（7），在软件中设置温度场有效温度范围取值为-18.9～60℃，在软件中录入该项目钢结构设计图中的有关设计参数，再根据表2 的模型建立方式对有效温度范围内的温度进行取值，得出以下结果。

模型-1 在8 个阶段的位移量分别为0.03cm、0.025cm、0.022cm、0.018cm、0.017cm、0.015cm、0.010cm、0.008cm，总的位移沉降量为0.145cm。

模型-2 在8 个阶段的位移量分别为0.05cm、0.042cm、0.031cm、0.029cm、0.025cm、0.022cm、0.016cm、0.011cm，总的位移沉降量为0.226cm。

模型-3 在8 个阶段的位移量分别为0.04cm、0.038cm、0.035cm、0.030cm、0.028cm、0.021cm、0.018cm、0.015cm，总的位移沉降量为0.225cm。

由于设计要求的施工期间温度场温度应力影响下的位移总量不超过0.5cm，从有限元模型-1、模型-2、模型-3 的模拟计算情况来看，模拟计算位移总量都没有超出设计要求的位移总量，因此，可以判断案例项目的施工质量是符合设计标准要求的。

5 结语

疏理掌握太阳辐射条件下复杂钢结构施工过程中的有效温度，通过有效温度和大气环境温度之间的对比，确定有效温度对复杂钢结构施工的温度主导作用。借助气象部门发布的气象信息数据计算确定山西省境内复杂钢结构施工过程中有效温度的范围值，而后开展相关温度场温度应力影响下的节点位移量有限元建模分析，从而为复杂钢结构施工过程温度效应分析提供借鉴，为相关施工成果的质量评价提供参考。