論設置滑動支座對超長鋼結構溫度應力釋放效應的影響

程國紅

（廣西壯族自治區建筑科學研究設計院 廣西南寧 530005）

1 前言

在超長鋼結構中，鋼構件大多處于超靜定狀態，桿件彼此相互約束，結構整體剛度大，對建筑物核心區約束性強，溫度應力由結構中間向兩端產生膨脹，使鋼結構建筑物由中間向兩端變形逐漸增大，因此溫度應力的影響是不容忽視的，在設計中必須計算溫度應力和變形程度。目前，規范的作法是鋼結構在一定溫度區間設置伸縮縫，在溫度區長度范圍內，溫度對一般建筑物的影響有限，在設計時可以不考慮溫度產生的應力應變，以此來降低溫度應力對結構的影響，但這必然會影響建筑立面的美觀，也會帶來防水等問題。

對于條件不允許設置伸縮縫的結構，則普遍采用加大安全系數法，即加大桿件截面，而這就會導致用鋼量的大幅增加。

從理論上考慮，在超長鋼結構中，如果適當設置滑動支座，在滿足結構剛度和穩定性的條件下，可以釋放掉一部分溫度應力，這就可以降低溫度應力對結構的影響。而且有可能不需要大量增加用鋼量。

但是，滑動支座如何設置才能有效的釋放溫度應力，目前尚無參考指標。

2 主要研究內容

在貴港市體育場鋼結構頂棚的設計過程中，我們對此進行了摸索和研究。

計算使用3D3S軟件，建立多個對比組模型：改變支座狀態后，重新計算內力。比較多個模型在用鋼量和變形上的差異，和部分桿件溫度應力的差別，找出最佳模型組。

2.1 項目概況

體育場看臺的鋼結構挑棚分為獨立的兩片。為較好地反應造型意圖，突出韻律感，兩個挑蓬主體結構均采用雙曲大跨度空間管桁架懸挑鋼結構體系，均為超長、大懸挑結構，在幾何上為雙曲拱殼形態。

其中西看臺鋼挑棚南北向長366m，空間懸挑管桁架最大懸挑長度約33.6m，最高點為48m；東看臺鋼挑棚南北向長221m，空間懸挑管桁架最大懸挑長度約32m，最高點為34.4m。

主懸挑桁架采用正三角形空間桁架，根據懸挑長度的不同，底部高度為 6～2.4m。

主桁架間跨度有24m，為協調各榀主桁架的共同工作，環向桁架也采用正三角形空間桁架。

桁架尾部由人字形巨型鋼柱與二層外圈平臺處的混凝土柱頂連接，桁架中后部由倒角錐形立柱與看臺外圍柱列的柱頂連接，人字形柱和倒角錐柱為懸挑桁架提供的力偶可以有效抵抗挑蓬在自重及豎向荷載作用下的變形。

由于要安裝膜結構，屋面未布置常規的平面交叉支撐，但利用了膜結構的支撐體系，來增強結構的整體工作性能。

由于東、西看臺的鋼結構挑蓬長度均超過了鋼結構規范中規定的溫度區段的長度（120m），溫度應力影響很大，在結構設計中應考慮溫度應力的影響。①設置變形縫，但是設縫后，會影響建筑的造型，且防水很困難，所以設計中放棄了設置變形縫的方案。②加大桿件截面，以抵抗溫度應力的影響，這又產生了新的問題：用鋼量大幅攀升，更嚴峻的是，支座內力太大，市場上難以找到合適的成品支座，導致支座成本昂貴，安裝困難。最后，采用的方法是：在滿足結構剛度和穩定性的情況下設置一些滑動支座，將溫度應力釋放掉，解決了這個問題。

2.2 驗算分析及結果

現用總長366m的西看臺數據進行分析。西看臺共有桿件9079根，桿件應力比控制在0.8。

圖1 西看臺挑蓬各類支座布置圖

從計算分析中看到，截面應力比不滿足要求的桿件大部分為環向構件。可以推測，這主要是溫度等因素引起的環向變形產生的應力過大，我們為此建立了4個計算模型，4個模型分別采用了不同的支座布置方式。

表1

模型1的全部支座均為鉸支座。從表中的數據可以看出，當環向移動全部受限制的時候，結構兩端頭支座需要承受的水平力非常大。

模型2的兩端頭支座改為滑動支座，其余支座仍為鉸支座。從表中的數據可以看出，當建筑物最端頭環向移動放松限制的時候，結構兩端頭支座需要承受的水平力為零，但是第2#支座承受的水平力上升，超過了 3000kN（見表 2）。

表2

模型3的兩端頭支座第2#支座改為滑動支座，其余支座仍為鉸支座。從表中的數據可以看出，當建筑物兩端頭環向移動放松限制的時候，大部分結構支座需要承受的水平力都降低了，初第3#支座承受的水平力略有上升，但也小于3000kN。

表3

模型4的中間第6#、第7#支座改為滑動支座，其余支座仍為鉸支座。6#和7#支座之間的中點，為西看臺結構理論上的溫度0點位置。從表中數據可以看出，放松中間支座環向移動的限制后，結構兩端頭和相鄰第5#支座需要承受的水平力變得非常大。可見，因為兩端受限的緣故，溫度應力并沒有釋放掉（見表4）。

表4

根據施工單位的反饋，市場上水平承載力超過3000kN的支座沒有成品支座，需要定做，而且價格會比成品支座貴很多。

根據計算的結果和施工單位的意見，我們最終選擇了模型3的結果作為設計的依據，既滿足了承載力的要求，用鋼量達到最優。

3 結論

超長鋼結構中，溫度應力和溫度變形的影響不容忽視。

采用設置伸縮縫的辦法，使得建筑的防水、保溫變得困難，而且往往會破壞建筑立面和造型的美觀。

單純考慮“抗”的方式，利用加大桿件截面的辦法來加大結構抵抗溫度應力和溫度變形的能力，會使的總的用鋼量大大攀升，經濟成本大大增高。同時，有可能會在支座產生過大的內力，超出常規支座的承載力，使得支座的設計、安裝變得困難而且成本昂貴。由模型（1）結果可見。

合理的布置滑動鉸支座的情況，既能夠在保證結構整體穩定性，又能釋放溫度應力，控制變形，降低用鋼量。

采用滑動支座時，除了考慮有效釋放溫度應力并降低用鋼量，結構還應有足夠的剛度，以保證結構的正常使用功能且安全可靠。

利用工程實踐證明，超長鋼結構，無需設置伸縮縫，合理使用滑動支座是安全可高且經濟的。

[1]李煥群，屈立軍.溫度應力對鋼結構影響的試驗研究.建筑結構，2008，38（7）.

[2]楊漢林.溫度對超大型鋼結構影響.河北聯合大學，2012.