超長斜交梁鋼屋蓋溫度效應控制措施探討

朱偉平 王劍鋒 李永振

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

超長結構一般是指建筑物長度超過規范規定的設置溫度縫(伸縮縫)的最大長度，而不設置任何形式永久縫的結構。GB 50017-2003鋼結構設計規范第8.1.5條對單層房屋和露天結構的最大溫度區段做出規定:當不超過表1的數值時，一般情況可不考慮溫度應力和溫度變形的影響。從而可知，對于單層房屋和露天結構，結構單向長度最大可達到220 m不設縫。

表1 溫度區段長度值 m

如圖1所示為東營會展中心，鋼結構大跨度斜交梁屋蓋，外弧長568.40 m，內弧長423.36 m，平均弧長495.88 m，最大跨度達到60.15 m，結構不設溫度縫，為超長鋼屋蓋結構。

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。在矩形結構中，斜交梁屋蓋體系沒有一般意義上沿縱橫向的構件;在弧(環)形結構中，則沒有沿徑向和環向的構件。雙向斜交構件可同時承受結構不同方向上的水平荷載或溫度引起的結構內力。目前有關超長結構的研究中，結構平面布置通常為正交梁，對斜交梁體系的研究還不多，文獻[6]對此類結構進行溫度效應分析并提出結論，認為斜交梁體系能夠顯著減小鋼屋蓋結構的溫度效應，但須采取相應措施才能夠使其特性得以發揮，本文將對此進行分析探討。

1 討論

超長鋼屋蓋結構的溫度效應(即屋蓋構件溫度應力和屋蓋溫度變形的大小、分布和變化情況)一直是結構工程師在設計中所重視的問題。屋蓋組成體系、平面形狀、下部支承結構以及溫度場是決定屋蓋溫度效應的主要因素，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量是不同的)，涉及參數多，相互關系復雜。

正、斜交梁體系的不同體現在平面布置方式上的差別，從而引起建筑空間和結構性能上的差異。相比正交梁體系，斜交梁體系改變了屋蓋梁的跨度，降低了屋蓋的結構高度，增大了建筑的有效空間。超長結構中，正交梁體系中沿縱向或環向布置的構件，長度非常大，且由軸向剛度抵抗溫度作用，因此其溫度應力和變形是設計的主導因素之一，而斜交梁體系由于其平面布置的特殊性，能夠避免此類超長構件的出現，有利于減小結構的溫度應力和變形。然而，斜交梁體系構件為菱形相交組成方式，結構以屋蓋梁的軸向和側向剛度共同抵抗水平荷載以及溫度引起的結構內力，屋蓋平面內剛度與正交梁體系不同，導致溫度效應上的差異，從而對下部結構的安全度產生有利影響。

文獻[6]通過有限元分析認為，較正交梁，斜交梁體系能夠顯著減小結構的溫度效應，然而實際工程中的情況往往不是理想狀況，仍需采取相應措施才能夠實現斜交梁體系的溫度特性。首先，由于建筑需要一般不得不設置封頭梁，其對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力集中，在弧形結構中，內環梁最大應力甚至大大超過正交梁體系，而其余斜交梁溫度應力很小，未能充分利用。其次，若下部為混凝土支承結構，則在溫度作用下，混凝土易受屋蓋結構水平推力作用而開裂，不利于結構的正常使用功能，因此可以通過釋放柱頂位移來減小下部結構的水平推力。綜上可知，對超長斜交梁鋼屋蓋結構采取溫度控制措施是必要的，關于封頭梁已在文獻[6]中進行了分析闡述，本文將不再重復，下面將運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，即季節溫差的影響，本文溫度荷載取升溫25℃，在彈性分析中不會影響比較趨勢。

2.2 建立模型

建立超長斜交梁體系屋蓋結構模型，在不影響結構特性規律的前提下簡化如下: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)柱頂均設固定鉸支座;4)不考慮剛度偏心;5)環向封頭梁不隔斷。ANSYS模型如圖2所示，具體參數設置如下。

圖1 東營會展中心大跨度鋼屋蓋結構布置圖

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 αs=1.2 ×10－5/℃。

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

結構:屋蓋跨度72 m，四邊支承，柱頂與屋蓋鉸接，柱的數量分別為82根和84根。屋蓋鋼梁均為工字形截面，設定斜交網格梁截面為 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 分析結果

屋蓋結構溫度應力如圖3所示。

圖3 屋蓋結構溫度應力云圖

在柱頂設滑動鉸支座后，屋蓋結構溫度應力如圖4所示。

圖4 內環梁釋放環向位移后的結構溫度應力云圖

3 探討

3.1 柱頂位移釋放

弧形結構的“整體彎曲效應”決定了內環梁的溫度應力最大，且沿徑向向外環遞減[3]。因此僅將內環梁下部的柱頂釋放一定的位移便可完全釋放內環側溫度應力。然而，此概念并非完全正確。因為結構是作為一個整體而發生的變形，內、外環的變形和約束存在相互牽連的關系，所以盡管釋放了內環的約束，但內環梁變形仍會通過其他水平體系而受到其他下部結構的約束，從而產生溫度應力。如圖4所示為模型釋放內環梁環向位移后的溫度應力云圖，結果顯示，內環梁的溫度應力雖減小了50%，但仍達23.8 MPa，而外環梁溫度應力減小幅度不明顯。若同時釋放內、外環梁的柱頂環向位移，如圖5所示，則內、外環梁溫度應力分別為8.92 MPa和5.21 MPa左右，減小了約81%和72%，效果明顯，且內環降幅更為明顯。

圖5 內、外環梁釋放環向位移后的結構溫度應力云圖

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

3.2 封頭梁隔斷

在實際結構中，不可能出現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，以達到減小結構的溫度效應的目的。而斷縫的最大間距為多少是結構工程師所關心的問題，由于具體間距數值需要依據更多的工程經驗和資料才能給出，因此本節僅對此問題做初步探討，提出自己的看法。

GB 50017-2003鋼結構設計規范給出了鋼結構建筑的最大溫度區段長度值，見表1。對于斜交梁體系屋蓋結構，封頭梁的斷縫間距可參考此條規定，將表1中限值作為極端上限值，而實際間距取值應較表1中限值小很多，視具體結構情況而定。之所以這樣是因為規范的限值是針對一般正交體系而言的，對斜交梁體系的對應關系并不確定。斜交梁體系中封頭梁的溫度應力過于集中，若一味采用規范限值，則結構的安全性將存在隱患。以內環封頭梁為主要構件，同時考慮內環梁隔斷后屋蓋體系的應力重分布將使得外環封頭梁應力集中的因素，建議可將內外環同時分割為若干段。

4 總結

本文通過建立模型并進行比較分析，探討了斜交梁體系超長屋蓋結構溫度效應控制的措施，得到以下結論，以供類似工程參考:

1)討論了斜交梁體系的桿件布置特點，闡述了斜交梁體系鋼屋蓋在溫度作用下的特性及其在實際工程中所需注意的問題。2)對封頭梁的隔斷處理進行了探討，指出斜交梁體系屋蓋結構中封頭梁的斷縫間距可將鋼結構規范中的限值作為極端上限值，而實際間距取值應較表1中限值小很多，視具體結構情況而定。3)討論了柱頂位移釋放的方式，認為同時對內外環封頭梁處柱頂釋放一定的環向位移能夠最有效的減小溫度應力。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，以保證下部結構的正常使用和安全性。

[1] GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[2] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社，1997.

[3] 崔 帥，蘇旭霖.彎曲超長混凝土框架結構的溫度應力研究[J].結構工程師，2006，22(5):20-24.

[4] 吳 京.超長混凝土框架中溫度應力的研究[J].工業建筑，2006，36(5):20-22.

[5] 《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊[M].第3版.北京:中國建筑工業出版社，2004.

[6] 鄭毅敏，朱偉平，阮永輝，等.超長斜交網格鋼屋蓋溫度效應分析[J].結構工程師，2010，26(5):32-36.