大跨度輕型屋蓋結構在溫度作用下的響應分析

任 杰 王勇奉

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

1 溫度場的確定

溫度作用屬于可變的間接作用，主要由季節性氣溫變化、太陽輻射、使用熱源等因素引起，在結構或構件中一般可用溫度場的變化來表示。對結構的溫度場工況包括最大溫升工況和最大溫降工況兩類。

1．1 氣溫、熱源影響

1．1．1 最大溫升工況

將冬季施工期溫度即參考溫度取最冷月平均氣溫－6℃作為最低初始溫度T0，min，將使用階段夏季的汽機房溫度最高45℃作為最高平均溫度Ts，max，即整體溫升51℃。

1．1．2 最大溫降工況

將夏季施工期溫度即參考溫度取最熱月平均氣溫30℃作為最高初始溫度T0，max，將使用階段冬季的未開汽機時溫度－6℃作為最低平均溫度Ts，min，即整體溫降－36℃。

1．2 太陽輻射的影響

對于上部鋼屋架部分，除考慮氣溫、熱源的影響外，還應考慮由于壓型鋼板吸收太陽輻射的溫升高，取太陽輻射溫度增加值11℃。

1．3 溫度場取值

1．3．1 屋架溫度場取值

最大溫升工況(考慮太陽輻射):62℃;最大溫降工況(不考慮太陽輻射):－36℃。

1．3．2 下部混凝土結構溫度場取值

考慮到鋼屋架下部為混凝土結構，單純的分析上部鋼屋架的溫度作用而不考慮下部混凝土結構的溫度作用的貢獻是不合理的。而且，混凝土的溫降工況溫度場受到材料本身的收縮當量影響，其取值與上部鋼屋架也不盡相同。下部混凝土結構的溫度場取值為:最大溫升工況:51℃;最大溫降工況:－59℃(考慮混凝土的收縮與徐變的影響)。

2 溫度作用的折減

在溫度荷載作用下，混凝土材料與鋼材的變化有所區別。混凝土材料并非是完全彈性的，材料的塑性，裝配式與否，徐變造成的應力松弛等原因對溫度作用的大小均有較大影響，而鋼材受以上因素的影響很小。因此對于考慮溫度作用，需對混凝土材料進行剛度折減，鋼材不需折減。對下部混凝土彈性計算結果的折減系數取值:材料塑性采用0．85系數，裝配式影響采用0．5系數，徐變對應力松弛的影響采用0．5系數[2，3］。三項相乘可得折減系數為 0．212 5。

3 計算結構分析

運用SAP2000有限元分析軟件對主廠房結構進行計算分析，本文在結構整體計算的基礎上提取屋蓋部分進行分析。可得出屋蓋結構的整體變形、桿件的內力分布以及起控制作用的工況組合。

3．1 屋面板的整體變形情況

屋面板的變形能較好的反映屋蓋整體受溫度作用的影響情況，圖1～圖3分別表示了僅考慮屋蓋溫度作用、考慮屋蓋溫度作用及下部混凝土折減溫度作用、考慮屋蓋溫度作用及下部混凝土未折減溫度作用三種情況的屋面板變形云圖。

圖1 僅考慮屋蓋溫度作用的屋面板變形云圖

圖2 考慮屋蓋溫度作用及下部混凝土折減溫度作用的屋面板變形云圖

圖3 考慮屋蓋溫度作用及下部混凝土未折減溫度作用的屋面板變形云圖

可以看出:三種情況的屋面板變形趨勢基本一致，在溫升及溫降工況下，屋面板的最大變形位置均發生在靠近山墻1跨～2跨的位置，最小變形位置均發生在屋面板中部靠近E軸的位置。不折減的混凝土溫度作用改變了屋蓋本身的溫度作用的變形云圖幅值，而折減后的混凝土溫度作用對屋蓋本身的溫度作用的變形云圖幅值影響較小，這與實際工程考慮混凝土剛度折減尤其是考慮下部混凝土結構對上部屋蓋溫度作用小的理念更為吻合。由于本模型采用輕型屋面板，屋面的恒、活荷載不大，其控制作用的荷載是風吸荷載。因此在荷載組合下，溫升工況為不利工況，溫降工況為有利工況。

3．2 上、下弦桿件內力分析

在屋架結構中，上弦、下弦桿是主要受力構件。本文分別選取溫升工況下各榀屋架上弦、下弦的內力進行比較，如圖4，圖5所示。

圖4 溫升工況上弦桿件內力沿桿件長度變化圖

圖5 溫升工況下弦桿件內力沿桿件長度變化圖

由圖4可以看出，溫升工況下，屋架上弦最大拉力、壓力均發生在1軸，12軸，其余軸屋架基本處于受拉狀態，軸力范圍為:－51．74 kN ～105．17 kN，并且1軸，2 軸，11 軸，12 軸的屋架上弦在1．5 m，6 m，36 m，40．5 m的位置發生了較大的軸力突變。由圖5可以看出，溫升工況下，屋架下弦基本處于受壓狀態，軸力范圍為:－976．24 kN～47．93 kN，其中1軸，12軸的屋架下弦壓力最大，并且1軸，2軸的屋架下弦在3 m，39 m的位置發生了較大的軸力突變。同時可以看出，靠近A軸的弦桿軸力比靠近E軸的弦桿軸力大，這與E軸下部的混凝土約束作用強于A軸有關。

3．3 腹桿內力分析

由于在實際設計中，內力最大的腹桿往往發生在靠近支座的位置，為了研究腹桿在整個屋架的內力分布情況，本文分別選取溫升工況下各榀靠近A軸支座、E軸支座的腹桿內力進行比較，如圖6所示。由圖6可以看出，2軸，4軸，9軸，11軸屋架的支座腹桿軸力發生突變，邊榀屋架(1軸，2軸，3軸，10軸，11軸，12軸)中靠近A軸與靠近E軸的支座腹桿軸力基本一致，中榀屋架(4軸～9軸)中靠近A軸與靠近E軸的支座腹桿軸力互為反號。在溫升工況下，最大支座腹桿拉力發生在2軸，11軸，最大支座腹桿壓力發生在1軸，12軸。

3．4 屋架支座端桿內力分析

屋架支座端桿是屋架與下部結構連接的重要構件，它既可以將屋架的荷載傳遞到下部結構，同時，下部結構也可以通過屋架支座端桿影響屋架。在工程設計中，屋架端桿往往是受力最大最復雜的構件，因此，應專門針對此構件進行研究。本工程屋架端桿與下部結構的連接方式采用鉸接。本文選取E軸各橫向軸線支座端桿的內力進行比較，如圖7所示。

圖6 溫升工況下各榀屋架支座腹桿的內力變化圖

圖7 溫升工況下E列各軸線支座端桿內力圖

由圖7可以看出，在溫升工況下，1軸，12軸和2軸，11軸的支座端桿軸力分別承受最大壓力和拉力;最大縱、橫向剪力，最大縱、橫向彎矩均發生在1軸，12軸，其余軸線支座的縱、橫向剪力，縱、橫向彎矩則按由兩邊向中間逐漸減小的規律變化。

4 結語

經過以上對屋蓋變形，屋架上、下弦桿內力，支座腹桿內力、屋架支座端桿內力的分析，可以得到如下的結論:1)溫度變化對于大跨屋架結構的變形起顯著作用，溫度效應的作用不可忽視，在結構設計時，要充分考慮結構的溫度效應，提高結構在正常使用情況下的可靠性要求。2)屋架在荷載組合下，溫升工況為不利工況，溫降工況為有利工況。3)各構件在溫度作用下的最大內力均發生在靠近山墻處的1軸，2軸，11軸，12軸這四榀屋架上，因此在設計中應保證構件截面具有足夠的安全儲備;而對于其余榀屋架構件，考慮到其內力在溫度工況下較小，可在截面設計中進行優化設計。

[1] 北京金土木軟件技術有限公司．SAP2000中文版使用指南[M］．第2版．北京:人民交通出版社，2012．

[2] 王鐵夢．工程裂縫控制[M］．北京:中國建筑工業出版社，1997．

[3] 王鐵夢．工程結構裂縫控制——“抗與放”的設計原則及其在“跳倉法”施工中的應用[M］．北京:中國建筑出版社，1997．