太陽輻射作用下大跨度鋼結構塔架溫度場及應力分析

蔡靖，王斯穎

（中國民航大學機場學院，天津 300300）

太陽輻射作用下大跨度鋼結構塔架溫度場及應力分析

蔡靖，王斯穎

（中國民航大學機場學院，天津 300300）

太陽輻射時非均勻溫度作用是對大跨度鋼結構塔架影響較大的作用之一，由于鋼材的導熱性能好，溫度影響更加顯著．利用有限元軟件建立瞬態熱結構耦合分析大跨度鋼結構整體模型，利用ASHARE晴空模型分析塔架結構整體模型隨時間變化的溫度場分布規律．然后利用熱分析得到的溫度場作為溫度荷載施加到整體模型的各個節點上，獲得塔架整體結構的變形和應力分布規律，給出塔架所在地區太陽輻射作用下整體結構的最大變形量和最大應力值及其分布位置，為施工和設計提供參考和數據支持．

大跨度鋼結構；太陽輻射；瞬態熱結構耦合分析；溫度場；最大變形和應力

大跨度鋼結構輸電塔架暴露于室外，常年受到各種自然環境的影響，由太陽輻射引起的溫度應力對其影響尤為顯著[1-2]，甚至溫度會引起結構產生致命后果．如在1992年和1993年，500 kV高壓輸電線路2次發生倒塔事故，造成了很大經濟損失．

2008年初春一場罕見冰雪災害，致使全國電網中有36 740條10 kV及以上的電力線路停止運行，給生產生活造成了極為嚴重影響．目前，我國學者范重等人[3-4]計算了由溫度變化引起國家體育場構件的軸向應力和彎曲應力，得出溫度作用對國家體育場的影響較大，不可忽視．高昂等人[5]通過分析得出了廣州新火車站主站鋼結構屋頂各個分區在日照條件下溫度作用對整體結構的影響，表明溫度已成為結構施工和設計時的控制荷載之一，在結構設計中要加以考慮．林錯錯等[6]對CCTV新臺址主樓懸臂段的合攏施工過程進行分析．分析得出由溫度引起的焊接應力較大，最大應力可達到94MPa．

綜上所述，對于暴露在外的大跨度鋼結構輸電塔架在設計、使用和施工中必須考慮溫度．但目前對于這種高聳、柔性、大跨度的鋼結構構筑物尚缺乏溫度作用下的力學性能分析和研究．有必要研究整體大跨度鋼結構塔架在太陽輻射作用下的溫度場及應力場分布規律，對此類結構的設計與使用安全提供重要依據，對輸電安全和生產安全具有重要意義．

1 工程概況

本文研究對象為甘肅省某地750 kV特高壓變電站，由鋼結構塔架組成如圖1所示．塔架塔柱高55.9 m，梁跨度49m．塔架塔柱、橫梁及斜撐由23種不同截面組成，如表1所示．塔架主材之間，主材與斜材，梁柱連接處及梁內桿件都可視為剛性連接形式[7]．本文為了研究跨度對溫度應力的影響，分別建立了一跨、三跨和五跨3種跨度塔架分析模型．

圖1 三跨塔架結構圖（單位：m）Fig.1 Structure chartof three-span tower(unit：m)

2 太陽輻射溫度場整體模型分析

2.1 輻射強度ASHRAE晴空模型

塔架接收的太陽輻射由直射輻射、天空散射輻射和地面與建筑物反射輻射組成．根據美國供暖、制冷、和空氣調節工程師協會（ASHRAE）推薦使用的ASHRAE晴空模型[8]，選用根據我國太陽輻射強度擬合得到的隨年序日連續變化的系數，計算瞬時太陽輻射強度．瞬時太陽輻射強度由晴天地球表面太陽直射輻射強度，晴天地球表面非垂直面的太陽散射輻射強度和晴天地球表面的太陽反射輻射強度3部分組成[9]．

晴天地球表面太陽直射輻射強度

式中：GND為直射太陽輻射強度，W/m2；A為大氣層外的太陽輻射強度，W/m2；B為大氣消光系數；為太陽高度角；CN為大氣清潔度；為入射角（即太陽光線與平面法線之間的夾角），如果cos小于0，則沒有直射入射到表面，即表面處于陰影中．

晴天地球表面非垂直面的太陽散射輻射強度：

表1 塔架各桿件截面尺寸Tab.1 Sectionaldimension of barsin the steel tower

式中：C為平面上散射輻射與垂直入射直射的比值；Fws為表面對天空的角系數．

晴天地球表面的太陽反射輻射強度

式中：GR為反射到表面上的輻射量，W/m2；GtH落在壁面之前的水平面或者地面上的總輻射量（直射加散射），W/m2；g地面或水平面的反射率；Fwg表面對地面的角系數．

入射到非垂直結構表面的太陽總輻射為

塔架結構實際得到的太陽輻射熱流密度為

式中：qs為結構構件表面實際得到的太陽輻射熱流密度；為結構構件表面的太陽輻射吸收率．

因此太陽輻射在鋼結構塔架表面形成的溫度場影響因素為，太陽入射角，為太陽高度角，二者由結構所處地區的經緯度決定．平面上散射輻射與垂直入射直射的比值C，g為地面或水平面的反射率，為結構構件表面的太陽輻射吸收率，大氣層外的太陽輻射強度A，大氣消光系數B，大氣清潔度CN，鋼結構表面導熱系數h．

2.2太陽輻射模型建立及參數選取

利用ANASYS軟件，運用太陽輻射與鋼結構散熱耦合分析法采用solid70實體單元建立瞬態熱分析大跨度鋼結構整體實腹式模型如圖2所示．柱體高度50m，截面長5m，寬2.5m，厚度20mm；橫梁截面寬5m，高1.6m，跨度49m，厚度20mm．分別對柱體和橫梁劃分網格后，將重合點粘貼起來，模擬剛接形式．鋼結構溫度場數值模擬分析過程中參數[10]見表2．

2.3 太陽輻射溫度場分析

2.3.1 3個跨度結構溫度場分析

利用以上有限元模型分析計算得出整體結構各節點的溫度變化，轉換為結構分析單元并施加上一步得到的溫度荷載以及約束條件得到結構跨度方向與北向夾角為0℃，輻射吸收率為0.55時3種跨度結構各個時刻的溫度變化規律如圖3所示．

圖2 整體模型Fig.2 Solidmodelof thesteel tower

表2 溫度場數值模擬參數Tab.2 Parametersof temperature simulation

由圖3可以看出結構的最高溫度和最低溫度不隨跨度變化，結構各個表面溫度分布隨時間而變化，最低溫度變化在9～17℃，最高溫度變化在14～71℃；最高溫度出現在下午14時，溫度為70.5℃；最大溫差也出現在下午14時左右，相差53℃．

2.3.2 太陽輻射下塔架柱、梁截面溫度變化規律

選取一跨結構塔架進行溫度沿結構表面路徑變化的分析．圖4結果為連跨方向與北向夾角成0℃，輻射吸收系數為0.55最高溫度時（14時）溫度沿結構表面路徑的變化．

從圖4a）可知，柱體橫截面迎光面中間區域溫度最高，兩側下降，因為迎光面兩側與背光面連接，所以連接處溫度發生下降，中間與兩側相差22℃；由4b）可知，溫度沿梁截面高度方向溫差最大為5℃．

圖4 塔架柱和梁表面溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curves on surfaceof tower columnsand beams

3 溫度作用下3個跨度變形與應力分析

一跨、三跨和五跨結構位移和應力變化情況如表3所示．

由表3中可知，結構所用鋼抗拉和抗壓強度設計值為325～380MPa，抗剪強度設計值為185～220MPa．X方向應力達到設計值的31%～64%，Y方向應力達到設計值的45%～57%，而Z方向應力達到設計值的50%；XY和XZ方向剪應力達到設計強度的66%～70%．從以上分析可以看出，溫度應力在設計中不容忽視，應作為一種荷載進行組合．

4 結論

1）結構的各個表面溫度分布隨時間而變化，最低溫度變化在9～17℃，最高溫度變化在14～71℃．

2）最高溫度出現在下午14時，溫度為70.5℃；最大溫差也出現在下午14時左右，相差53℃．

3）溫度沿路徑不均勻變化．

4）整體結構位移最值都在最右端的柱頂；X方向應力達到設計值的64%，Y方向應力達到設計值的57%，而Z方向應力達到設計值的50%；XY和XZ方向剪應力達到設計強度的70%．溫度應力在設計中不容忽視，應作為一種荷載進行組合．

表3 各個跨度結構位移與應力最值Tab.3 Displacementsand stressof towers w ith one threeand five spans

[1]孫銳銳．大跨度鋼拱結構溫度效應和焊接效應分析[D]．天津：天津大學建工學院，2008．

[2]宋曉．大跨度連續剛構橋溫度場模擬及效應分析[D]．廣州：華南理工大學，2012．

[3]范重，劉先明，范學偉，等．國家體育場大跨度鋼結構設計與研究[J]．建筑結構學報，2007，28（2）：1-16．

[4]范重，王哲，唐杰，等．國家體育場大跨度鋼結構溫度場分析與合攏溫度研究[J]．建筑結構學報，2007，28（2）：32-40．

[5]高昂，陳兆雄，馮健，等．不均勻溫度作用對廣州新客站主站房鋼結構影響[J]．建筑結構，2009，39（12）：46-48．

[6]林錯錯，王元清，石永久，施剛．溫度作用對鋼結構設計與施工的影響分析[J]．第十屆全國現代結構工程學術研討會，2010：948-956．

[7]Kaushika N D，Shanna P K，Padma Priya R．Solarthermalanalysisofhoneycomb roof coversystem forenergy conservation inanair-conditioned building[J]．Energy and Building，1992，18（1）：45-49．

[8]劉樹堂，龍期亮．基于ASHRAE晴空模型的日照作用下鋼構件的溫度場分析[J]．建筑鋼結構進展，2012，14（5）：35-43．

[9]陳建穩，候紅青，樊祜壯．日照條件下空間鋼結構溫度效應研究[J]．鋼結構，2011，26（12）：1-5．

[10]Threlkeld J L．Thermalenvironmentalengineering[M]．Englewood Cligs，NJ：1rentiee-Hall，1970．

[責任編輯 代俊秋]

Study on the stressand temperature field of long span steel towerundersolar radiation

CAIJing，WANG Si-ying

(Collegeof Airport Engineering,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

Uniform temperatureeffectcaused by solar radiation isoneof themosteffects fora long span steel towerand due toagood heatconducting property,the temperatureeffecton steelstructure ismoreoutstanding.So the transientthermal-structural coupling solidmodel is established herebased on finiteelementsoftwareand the ASHAREmodel isused to analyze the time-dependent temperature field on thesteel tow ersolidmodel.Then the time-dependent temperature field obtained from above research is taken as tem perature load applying on the nodesof thesolidmodel.Further the stressand deformationsof the structure arediscussed too.Therefore themaximum deformationsand stressand their locationson the steel tow er are obtained herewhich can provide data and some advice for the steel tower's design and construction.

long span steel structure;solar radiation;transient thermal-structural coupling analysis;temperature field; maximum deformation and stress

V 351. 11；TV431.5

A

1007-2373(2014)06-0113-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.029

2014-09-26

蔡靖（1975-），女（漢族），副教授．Email：jcai@cauc.edu.cn．