航站楼大跨钢结构温度效应分析.pdf
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1、DOI:10.13905/ki.dwjz.2023.6.003航站楼大跨钢结构温度效应分析ANALYSIS ON TEMPERATURE EFFECT OF LONG SPAN STEEL STRUCTURE OF A TERMINAL李腾1,秦红昌1,代丽红2,岳远磊1,李鸿祥1(1.中建八局发展建设有限公司,山东 临沂 276000;2.中国舰船研究设计中心,武汉 430064)LI Teng1,QIN Hongchang1,DAI Lihong2,YUE Yuanlei1,LI Hongxiang1(1.China Construction Eighth Bureau Developme
2、nt and Construction Co.,Ltd.,Shandong Linyi 276000,China;2.China Ship Researchand Design Center,Wuhan 430064,China)【摘要】为研究航站楼大跨钢结构在施工过程中的温度效应,利用光栅光纤传感器对屋盖钢结构进行温度与应力的实测,给出了结构的非均匀温度场分布规律,详细研究了温度与应力的关系及温度应力的大小,运用有限元模拟,得到温度应力变化模拟值,与实测数据进行对比。研究结果表明,日照作用下钢网架结构的温度场具有非均匀性和时变性,温度与应力存在高度相关性,线性拟合效果较好,模拟值普遍大于实测
3、值,为大跨度空间钢结构的设计和施工提供了有益的参考。【关键词】钢结构温度效应;空间网架;温度场【中图分类号】TU393.3【文献标志码】A【文章编号】1001-6864(2023)6-0011-05Abstract:The temperature and stress of the roof steel structure are measured by fiber optic sensors to investigatethe temperature effect during the construction process of large-span steel structures i
4、n airport terminals.The distribution of the non-uniform temperature field is obtained,and the relationship between temperature and stress,as wellas the magnitude of temperature stress caused by temperature changes are studied.The theoretical solutions of temperature stress changes are obtained throu
5、gh finite element simulation,which are compared with the measured data.The results show that the temperature field of the steel truss structure under sunlight has non-uniformity andtime-varying characteristics,and the temperature has good linear fitting with the stress.The theoretical values aregene
6、rally higher than the measured values,which may provide the reference for the design and construction oflarge-span steel structures.Key words:steel structure temperature effect;space grid;temperature field0引言二十一世纪的现代公共工程中,大跨钢结构占有很大的比例,由于其跨度大,结构形式复杂,温度变化导致的变形在其结构内部无法完全进行,研究钢结构的温度效应成为不可忽视的方向。为探究温度作用对钢
7、结构安全性的影响,国内外学者进行了相应的研究。罗尧治等1对某体育场钢结构在施工过程中特殊气候条件(持续高温和低温)下的温度与应力进行实测,得到温度变化所产生温度应力的大小。李焕群等2对工字钢短柱在轴向约束的情况下进行了高温强度试验。研究结果表明,在弹性阶段,温度越高,增加的温度应力越大,温度应力的增量只与温度的增量有关,而与初始载荷无关。J.D.Su等3针对结构力学方法进行了温度变化下一般约束受弯构件温度应力计算的研究,并结合当地气候特点,对大跨度钢结构工业厂房在常温下的温度应力进行分析,得出应考虑温度应力的结论。H.Sugihardjo等4使用Midas Civil软件对钢构件的挠度和内力进
8、行分析,根据不同温度下的分析结果,可以得出闭合件安装的建议温度。R.Sun等5通过对不同颜色钢试样温度变化的观察,发现阳光直射对钢试样的温度有明显影响,不同颜色钢材之间的温度应力差异很大。谢宁等6为应对钢结构的温度应力过大而引起结构破坏的情况构建一种新型滑动节点来释放温度应力,通过受力分析及有限元分析,得出新型节点能有效补偿结构的温度应力。R.Qureshi等7用拟议的随机函数考虑了从室温到高温过渡期间可靠性评估的连续性,涵盖20100温度范围的试验数据点,应用于3根钢柱和两根混凝土柱的结构性能的概率评估,并使用脆性曲线比较了模型选择的影响。1工程概况及测点布置方案1.1工程概况工程为典型的大
9、跨度空间网架结构,主航站楼钢屋盖结构总用钢量为5500t,屋盖结构的整体投影呈基金项目 国家自然科学基金项目(52278297)11低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300矩形,投影尺寸约为237m194m,共计56组屋盖支撑钢柱;中区采用平面约为85m108m的单层椭球壳(圆柱节点),为单层三向交叉网格,四周区域采用双层网格体系(焊接球节点),采用三向交叉网格,网格尺寸2.6m2.6m,网架最大矢高约5.8m;网架杆件重量约3300t,焊接球重量约1050t。1.2测点布置方案提升吊点附近的弦杆处、吊点下方的腹杆处、铰支座的环桁架位置、幕墙桁架梁跨中和1/4跨处以及提升区域的连接
10、位置,并使用Midas wgen进行建模分析,验证选点的合理性,基本上覆盖整体钢结构,符合测点应具有代表性和规律性,如图1所示。2温度场作用对于大跨钢结构屋盖,其温度作用通常包括两个方面:一是年温度作用引起结构整体温度的均匀变化;二是日照温度作用引起的不同区域构件、内外表面构件的温度升高不同8。在钢结构设计中,分析结构温度效应的难度在于确定温度场分布。然而,相关的参考数据较为缺乏,规范中也没有明确的计算方法。施工期间直接暴露于室外,受周围环境温度变化的影响非常显著。为了验证设计计算中结构最大温升、最大温降工况假定的正确性,必须对钢结构的温度场进行实测和分析。温度变化是大跨度钢桁架的重要荷载源之
11、一,温度引起的应变在监测测点的变化中起着重要影响,是监测重要内容。同时也可以作为光纤光栅应变计温度补偿。较为遗憾的是有7个光栅光纤传感器在监测过程中发生通道故障,导致部分数据丢失,如图2图4所示。气象数据表明,3月9日最低温度11,最高温度27,天气为多云转晴,西南风4级。所示为3月9日时各测点温度实测数据,受导热、对流和热福射3种能量传递方式的共同作用,同一时刻不同杆件数据差异较大9。图2中腹杆最低温度22.1,最高温度25.3,弦杆最低温度25.9,最高温度33.2。由图3和图4,可以看出大多数测点在14点时到达最高温度,部分测点在15点达到最高温度,滞后于辐射强度最高时刻1h左右10。弦
12、杆最低温度9.6,最高温度 35.8,腹杆最低温度 8.6,最高温度30.5。中午14点以后,环境温度逐步降低,此时钢结构的热能耗散大于日照作用得热能获取,不同测点存在差别,但温度场整体较为均匀,到15点时测点间最大温差不超过7。总体水平上,弦杆温度升高水平较高,腹杆温度升高水平较低。可以清楚看到,12、20、22号测点不同时刻的的温度变化梯度较小,9号和18号测点不同时刻的温度梯度变化较大。由于此时的测点位于钢结构的不同位置,而且在结构的西侧部位杆件还未喷漆完成,受表面吸热性质和太阳直射作用的影响,在整个结构内部形成非均匀温度场。图1传感器布置图43月9日测点1114温度时程曲线图23月9日
13、12时测点温度分布35302520151050温度/腹杆测点弦杆测点12345678910 11 12 13 14测点数量/个图33月9日测点2、测点810温度时程曲线3025201510温度/8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00测试时间/h测点2测点8测点9测点103025201510温度/8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00测试时间/h测点11测点12测点13测点14123实测结果分析3.1温度与应力关系钢结构表面温度的变化,会导致在高次超静定结构内部产生温度
14、应力11。钢屋盖结构在23月期间为提升区补杆阶段,主体结构的边界条件没有变化,结构主要受温度作用。先对这段期间的应力、温度数据进行研究。由图5图8中数据可得出,测点在2月19日-3月9日期间的温度与应力具有明显的相关性,各个测点的温度与应力相关系数分别为 0.906、0.950、0.753、0.850。9号测点在2月期间最大应力为22.3MPa,最小应力为8.24MPa,变化值为14.06MPa;3月期间最大应力 为 28.34MPa,最 小 应 力 为 7.5MPa,变 化 值 为20.84MPa,其幅值为测点中最大,是因为相应的温度变化值最大。11 号测点在 2 月期间最大应力为83.66
15、MPa,最小应力为75.48MPa,变化值为8.18MPa;3月期间最大应力为92.43MPa,最小应力为80.85MPa,变化值为11.58MPa,其幅值为测点中最小,是因为相应的温度变化值最小。而且9、11号测点皆为腹杆测点,说明腹杆测点相较弦杆测点,更能体现温度作用在结构上的特征。在这阶段钢结构处于悬停状态,周围球支座通过钢绞线与提升液压器连接,近似于固定支座的结构形式,监测测点的温度上升,应力也随之增大,温度与应力都呈正相关性,但腹杆测点温度与应力的相关性普遍高于弦杆测点。3.2结构温度应力分析将温度与应力进行散点图绘制,以测点的温度数据为自变量,应力数据为因变量进行一次线性拟合,得到
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