超長(zhǎng)斜交梁鋼屋蓋溫度效應(yīng)控制措施探討

朱偉平 王劍鋒 李永振

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)一般是指建筑物長(zhǎng)度超過(guò)規(guī)范規(guī)定的設(shè)置溫度縫(伸縮縫)的最大長(zhǎng)度，而不設(shè)置任何形式永久縫的結(jié)構(gòu)。GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第8.1.5條對(duì)單層房屋和露天結(jié)構(gòu)的最大溫度區(qū)段做出規(guī)定:當(dāng)不超過(guò)表1的數(shù)值時(shí)，一般情況可不考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響。從而可知，對(duì)于單層房屋和露天結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單向長(zhǎng)度最大可達(dá)到220 m不設(shè)縫。

表1 溫度區(qū)段長(zhǎng)度值 m

如圖1所示為東營(yíng)會(huì)展中心，鋼結(jié)構(gòu)大跨度斜交梁屋蓋，外弧長(zhǎng)568.40 m，內(nèi)弧長(zhǎng)423.36 m，平均弧長(zhǎng)495.88 m，最大跨度達(dá)到60.15 m，結(jié)構(gòu)不設(shè)溫度縫，為超長(zhǎng)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。

顧名思義，斜交梁與正交梁在桿件平面布置方式上存在不同。在矩形結(jié)構(gòu)中，斜交梁屋蓋體系沒(méi)有一般意義上沿縱橫向的構(gòu)件;在弧(環(huán))形結(jié)構(gòu)中，則沒(méi)有沿徑向和環(huán)向的構(gòu)件。雙向斜交構(gòu)件可同時(shí)承受結(jié)構(gòu)不同方向上的水平荷載或溫度引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。目前有關(guān)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的研究中，結(jié)構(gòu)平面布置通常為正交梁，對(duì)斜交梁體系的研究還不多，文獻(xiàn)[6]對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度效應(yīng)分析并提出結(jié)論，認(rèn)為斜交梁體系能夠顯著減小鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，但須采取相應(yīng)措施才能夠使其特性得以發(fā)揮，本文將對(duì)此進(jìn)行分析探討。

1 討論

超長(zhǎng)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)(即屋蓋構(gòu)件溫度應(yīng)力和屋蓋溫度變形的大小、分布和變化情況)一直是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)中所重視的問(wèn)題。屋蓋組成體系、平面形狀、下部支承結(jié)構(gòu)以及溫度場(chǎng)是決定屋蓋溫度效應(yīng)的主要因素，并且相互影響(比如正交梁與斜交梁屋蓋的下部支承柱分布和數(shù)量是不同的)，涉及參數(shù)多，相互關(guān)系復(fù)雜。

正、斜交梁體系的不同體現(xiàn)在平面布置方式上的差別，從而引起建筑空間和結(jié)構(gòu)性能上的差異。相比正交梁體系，斜交梁體系改變了屋蓋梁的跨度，降低了屋蓋的結(jié)構(gòu)高度，增大了建筑的有效空間。超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中，正交梁體系中沿縱向或環(huán)向布置的構(gòu)件，長(zhǎng)度非常大，且由軸向剛度抵抗溫度作用，因此其溫度應(yīng)力和變形是設(shè)計(jì)的主導(dǎo)因素之一，而斜交梁體系由于其平面布置的特殊性，能夠避免此類超長(zhǎng)構(gòu)件的出現(xiàn)，有利于減小結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和變形。然而，斜交梁體系構(gòu)件為菱形相交組成方式，結(jié)構(gòu)以屋蓋梁的軸向和側(cè)向剛度共同抵抗水平荷載以及溫度引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，屋蓋平面內(nèi)剛度與正交梁體系不同，導(dǎo)致溫度效應(yīng)上的差異，從而對(duì)下部結(jié)構(gòu)的安全度產(chǎn)生有利影響。

文獻(xiàn)[6]通過(guò)有限元分析認(rèn)為，較正交梁，斜交梁體系能夠顯著減小結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，然而實(shí)際工程中的情況往往不是理想狀況，仍需采取相應(yīng)措施才能夠?qū)崿F(xiàn)斜交梁體系的溫度特性。首先，由于建筑需要一般不得不設(shè)置封頭梁，其對(duì)斜交梁體系的影響巨大，若不做隔斷處理，則溫度作用下封頭梁應(yīng)力集中，在弧形結(jié)構(gòu)中，內(nèi)環(huán)梁最大應(yīng)力甚至大大超過(guò)正交梁體系，而其余斜交梁溫度應(yīng)力很小，未能充分利用。其次，若下部為混凝土支承結(jié)構(gòu)，則在溫度作用下，混凝土易受屋蓋結(jié)構(gòu)水平推力作用而開(kāi)裂，不利于結(jié)構(gòu)的正常使用功能，因此可以通過(guò)釋放柱頂位移來(lái)減小下部結(jié)構(gòu)的水平推力。綜上可知，對(duì)超長(zhǎng)斜交梁鋼屋蓋結(jié)構(gòu)采取溫度控制措施是必要的，關(guān)于封頭梁已在文獻(xiàn)[6]中進(jìn)行了分析闡述，本文將不再重復(fù)，下面將運(yùn)用通用有限元分析軟件ANSYS建立分析模型，分析并探討下部柱頂釋放對(duì)斜交梁體系的影響。

2 模型分析

2.1 溫度荷載取值

本文考慮年溫溫度效應(yīng)，即季節(jié)溫差的影響，本文溫度荷載取升溫25℃，在彈性分析中不會(huì)影響比較趨勢(shì)。

2.2 建立模型

建立超長(zhǎng)斜交梁體系屋蓋結(jié)構(gòu)模型，在不影響結(jié)構(gòu)特性規(guī)律的前提下簡(jiǎn)化如下:1)屋蓋為平面，且徑向單跨;2)外圍四邊支承形式，支承柱均為箱形截面;3)柱頂均設(shè)固定鉸支座;4)不考慮剛度偏心;5)環(huán)向封頭梁不隔斷。ANSYS模型如圖2所示，具體參數(shù)設(shè)置如下。

圖1 東營(yíng)會(huì)展中心大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 分析模型

鋼材:彈性模量 E=2.06 ×105N/mm2;泊松比 ν=0.3;線膨脹系數(shù) αs=1.2 ×10－5/℃。

幾何:中半徑 R0=320 m，弧心角 θ=72°，弧寬72 m，內(nèi)弧長(zhǎng)L1=356.585 m，外弧長(zhǎng) L2=447.363 m，中弧長(zhǎng) L0=402.124 m。

結(jié)構(gòu):屋蓋跨度72 m，四邊支承，柱頂與屋蓋鉸接，柱的數(shù)量分別為82根和84根。屋蓋鋼梁均為工字形截面，設(shè)定斜交網(wǎng)格梁截面為 0.3 m ×1.2 m ×0.016 m ×0.018 m;支承鋼柱箱形截面0.7 m ×0.7 m ×0.02 m ×0.02 m。

2.3 分析結(jié)果

屋蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力如圖3所示。

圖3 屋蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力云圖

在柱頂設(shè)滑動(dòng)鉸支座后，屋蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力如圖4所示。

圖4 內(nèi)環(huán)梁釋放環(huán)向位移后的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力云圖

3 探討

3.1 柱頂位移釋放

弧形結(jié)構(gòu)的“整體彎曲效應(yīng)”決定了內(nèi)環(huán)梁的溫度應(yīng)力最大，且沿徑向向外環(huán)遞減[3]。因此僅將內(nèi)環(huán)梁下部的柱頂釋放一定的位移便可完全釋放內(nèi)環(huán)側(cè)溫度應(yīng)力。然而，此概念并非完全正確。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)是作為一個(gè)整體而發(fā)生的變形，內(nèi)、外環(huán)的變形和約束存在相互牽連的關(guān)系，所以盡管釋放了內(nèi)環(huán)的約束，但內(nèi)環(huán)梁變形仍會(huì)通過(guò)其他水平體系而受到其他下部結(jié)構(gòu)的約束，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。如圖4所示為模型釋放內(nèi)環(huán)梁環(huán)向位移后的溫度應(yīng)力云圖，結(jié)果顯示，內(nèi)環(huán)梁的溫度應(yīng)力雖減小了50%，但仍達(dá)23.8 MPa，而外環(huán)梁溫度應(yīng)力減小幅度不明顯。若同時(shí)釋放內(nèi)、外環(huán)梁的柱頂環(huán)向位移，如圖5所示，則內(nèi)、外環(huán)梁溫度應(yīng)力分別為8.92 MPa和5.21 MPa左右，減小了約81%和72%，效果明顯，且內(nèi)環(huán)降幅更為明顯。

圖5 內(nèi)、外環(huán)梁釋放環(huán)向位移后的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力云圖

分析已知斜交梁體系具有短(徑)向溫度位移較大的特點(diǎn)[6]。然而，不僅是在溫度作用下，甚至在豎向荷載作用下，亦會(huì)產(chǎn)生一定的徑向位移。這點(diǎn)對(duì)于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)而言非常重要，若下部支承柱為混凝土柱，柱頂鉸接，則容易對(duì)柱子產(chǎn)生較大的水平推力，設(shè)計(jì)中沒(méi)有充分估計(jì)該因素的影響，則混凝土有開(kāi)裂甚至破壞的危險(xiǎn)。因此，可以釋放一定的柱頂短(徑)向位移，以保證下部結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性。

3.2 封頭梁隔斷

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，不可能出現(xiàn)之前分析中的封頭梁完全隔斷的情況，所以只能在封頭梁的某些位置作斷縫處理，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)的目的。而斷縫的最大間距為多少是結(jié)構(gòu)工程師所關(guān)心的問(wèn)題，由于具體間距數(shù)值需要依據(jù)更多的工程經(jīng)驗(yàn)和資料才能給出，因此本節(jié)僅對(duì)此問(wèn)題做初步探討，提出自己的看法。

GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范給出了鋼結(jié)構(gòu)建筑的最大溫度區(qū)段長(zhǎng)度值，見(jiàn)表1。對(duì)于斜交梁體系屋蓋結(jié)構(gòu)，封頭梁的斷縫間距可參考此條規(guī)定，將表1中限值作為極端上限值，而實(shí)際間距取值應(yīng)較表1中限值小很多，視具體結(jié)構(gòu)情況而定。之所以這樣是因?yàn)橐?guī)范的限值是針對(duì)一般正交體系而言的，對(duì)斜交梁體系的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不確定。斜交梁體系中封頭梁的溫度應(yīng)力過(guò)于集中，若一味采用規(guī)范限值，則結(jié)構(gòu)的安全性將存在隱患。以內(nèi)環(huán)封頭梁為主要構(gòu)件，同時(shí)考慮內(nèi)環(huán)梁隔斷后屋蓋體系的應(yīng)力重分布將使得外環(huán)封頭梁應(yīng)力集中的因素，建議可將內(nèi)外環(huán)同時(shí)分割為若干段。

4 總結(jié)

本文通過(guò)建立模型并進(jìn)行比較分析，探討了斜交梁體系超長(zhǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)控制的措施，得到以下結(jié)論，以供類似工程參考:

1)討論了斜交梁體系的桿件布置特點(diǎn)，闡述了斜交梁體系鋼屋蓋在溫度作用下的特性及其在實(shí)際工程中所需注意的問(wèn)題。2)對(duì)封頭梁的隔斷處理進(jìn)行了探討，指出斜交梁體系屋蓋結(jié)構(gòu)中封頭梁的斷縫間距可將鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的限值作為極端上限值，而實(shí)際間距取值應(yīng)較表1中限值小很多，視具體結(jié)構(gòu)情況而定。3)討論了柱頂位移釋放的方式，認(rèn)為同時(shí)對(duì)內(nèi)外環(huán)封頭梁處柱頂釋放一定的環(huán)向位移能夠最有效的減小溫度應(yīng)力。斜交梁體系屋蓋徑向變形較大，因此可以釋放一定的柱頂短(徑)向位移，以保證下部結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性。

[1] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[3] 崔 帥，蘇旭霖.彎曲超長(zhǎng)混凝土框架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006，22(5):20-24.

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[5] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

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