太陽(yáng)輻射下弦支屋頂疊合拱結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究

太陽(yáng)輻射下弦支屋頂疊合拱結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究

作者將山東龍平體育的建筑造型結(jié)合起來(lái)，提出了一種新的綠色纖維屋頂結(jié)構(gòu)。顧名思義，綠色纖維屋頂?shù)闹丿B結(jié)構(gòu)是一種新的弧長(zhǎng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)上部鋼拱結(jié)構(gòu)和下部空腹式支撐結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是，鋼拱位于室外，對(duì)太陽(yáng)輻射長(zhǎng)期有效。因此，在炎熱的夏天，鋼拱框架的表面溫度通常達(dá)到60c。因此，溫度負(fù)荷通常是該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制構(gòu)件。目前太陽(yáng)輻射作用下結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)與溫度效應(yīng)的數(shù)值模擬理論研究,主要集中在橋梁結(jié)構(gòu)方面,對(duì)新型弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道;且由于弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的空間三維特性,適用于二維橋梁結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及其溫度效應(yīng)的數(shù)值模擬理論并不適用于弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu),因此有必要對(duì)弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)及其溫度效應(yīng)的數(shù)值模擬理論和結(jié)構(gòu)溫度反應(yīng)進(jìn)行專題研究,從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和健康使用提供參考.筆者以茌平體育館弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)為背景,利用ASHRAE晴空模型,基于ANSYS平臺(tái),編制了太陽(yáng)輻射作用下的溫度場(chǎng)分析程序,對(duì)太陽(yáng)輻射作用下的弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了研究,并基于溫度場(chǎng)分析結(jié)果,對(duì)弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究.1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及桿件設(shè)置茌平體育館屋蓋為新型弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu),如圖1所示.弦支穹頂?shù)奈菝骓敳繕?biāo)高40.85,m,底部標(biāo)高約14.0,m,投影平面直徑約110,m,矢高為26.85,m.空間曲線拱最高點(diǎn)標(biāo)高45.5,m,最高點(diǎn)兩拱間距14.0,m,拱腳處兩拱間距約46.66,m,單根拱的兩拱腳間距約189.3,m.弦支穹頂上層桿件采用圓鋼管,規(guī)格為Φ203×6、Φ219×7、Φ245×7、Φ273×8和Φ299×8,撐桿采用Φ219×7;空間鋼拱截面為Φ1,000×16(圖1撐桿上方)和Φ1,500×24(圖1撐桿上方以外部分),拱間及拱與弦支穹頂間撐桿規(guī)格有Φ325×8、Φ377×10和Φ426×10三種,各個(gè)桿件的編號(hào)如圖2所示.弦支穹頂包含7圈環(huán)索,拉索采用半平行鋼絲束,截面包括2種:2,117,mm2和4,657,mm2,環(huán)索預(yù)應(yīng)力從里到外依次為127,kN、420,kN、390,kN、530,kN、810,kN、1,242,kN、2,060,kN;在網(wǎng)殼的周邊及其從外到里第4圈環(huán)桿處設(shè)置2圈支座,且支座徑向約束釋放,環(huán)向采用橡膠支座約束,約束剛度為2,800,kN/m,豎向完全約束;拱腳為剛接.2溫度變化規(guī)律針對(duì)茌平體育館弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)中的室外鋼拱部分,采用ASHRAE晴空模型太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算理論以及對(duì)流換熱和長(zhǎng)波輻射等基礎(chǔ)理論,基于ANSYS軟件平臺(tái)建立了鋼拱結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體有限元模型,利用APDL語(yǔ)言編制了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度時(shí)程計(jì)算程序和長(zhǎng)波輻射強(qiáng)度時(shí)程計(jì)算程序,并利用ANSYS本身的瞬態(tài)熱分析功能,進(jìn)行了太陽(yáng)輻射作用下鋼拱結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)時(shí)程模擬,得到夏至日空間曲線拱及其撐桿最不利溫度場(chǎng)的空間分布規(guī)律,其中溫度場(chǎng)數(shù)值模擬過(guò)程中各參數(shù)的選擇如表1所示.圖3給出了鋼拱有限元模型中典型節(jié)點(diǎn)(溫度最高點(diǎn))的溫度-時(shí)間曲線,節(jié)點(diǎn)的溫度-時(shí)間歷程曲線近似于正弦曲線,且溫度最高值出現(xiàn)在時(shí)間為14:00左右,這是由于構(gòu)件熱量累計(jì)相對(duì)于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化具有一定的滯后性.圖4給出了在時(shí)間為14:00時(shí)(太陽(yáng)輻射作用下鋼拱結(jié)構(gòu)的最高溫度)鋼拱結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布云圖,由圖4可見(jiàn),此時(shí)鋼拱溫度的變化范圍為40.571~62.535,℃,是一個(gè)非均勻溫度場(chǎng),大概分布規(guī)律為鋼拱南部構(gòu)件溫度高于北部桿件,西部構(gòu)件高于東部構(gòu)件.這是由于下午鋼拱構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射入射角南部構(gòu)件高于北部、西部構(gòu)件高于東部的緣故.圖5~圖9給出了鋼拱各桿件的最高溫度、最低溫度和平均溫度隨空間位置的變化曲線.從中可以得到如下結(jié)論.(1)由圖5可知,西拱各個(gè)構(gòu)件之間的平均溫度、最低溫度相差不大,最大相差約1.5,℃左右,而各個(gè)構(gòu)件之間的最高溫度差相比很大,最高達(dá)5,℃左右;平均溫度曲線、最高溫度曲線與最低溫度曲線均有2個(gè)突變點(diǎn),且溫度突變處的桿件均為同一桿件.這是因?yàn)闇囟韧蛔兲幍臈U件為變截面桿件,因此其太陽(yáng)入射角及其桿件與地面和天空的角系數(shù)會(huì)產(chǎn)生突變,進(jìn)而引起桿件溫度的突變.(2)由圖6可知,東拱平均溫度、最高溫度和最低溫度的變化規(guī)律與西拱相似,唯一的區(qū)別就在于東拱的溫度要略低于西拱,這是由于時(shí)間在14:00左右,東拱的平均太陽(yáng)入射角要低于西拱,進(jìn)而引起東拱的平均太陽(yáng)輻射的熱量要低于西拱,所以東拱的溫度要低于西拱.(3)由圖7~圖9可知,西拱斜撐、東拱斜撐桿和水平撐桿的平均溫度、最高溫度和最低溫度由北向南的變化趨勢(shì)大致相同,均為先減小然后趨于平緩,再增加;結(jié)合各個(gè)構(gòu)件的空間方位分析可知,這是由于各個(gè)構(gòu)件的平均太陽(yáng)輻射入射角的不同引起的,各個(gè)西拱斜撐桿和東拱斜撐桿太陽(yáng)輻射平均入射角由北向南的變化趨勢(shì)與平均溫度、最高溫度和最低溫度的變化趨勢(shì)相同.3有限元分析結(jié)果對(duì)于茌平體育館,根據(jù)茌平氣象資料,茌平極端最高溫度為40.09,℃,極端最低氣溫為-22.7,℃,因此合攏溫度可取8.5,℃;冬季最不利溫度取-22.7,℃;夏季弦支穹頂疊合拱中弦支穹頂部分取40.09,℃,而室外鋼拱部分采用上述考慮太陽(yáng)輻射作用進(jìn)行的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬得出的溫度場(chǎng).為了更好地理解溫度荷載對(duì)弦支穹頂疊合拱的影響,按照有無(wú)溫度荷載、溫度荷載類型進(jìn)行了4種荷載工況的有限元分析,具體工況描述見(jiàn)表2.在進(jìn)行各弦支穹頂疊合拱模型的溫度效應(yīng)分析時(shí),僅考慮結(jié)構(gòu)自重與結(jié)構(gòu)恒荷載的作用,結(jié)構(gòu)恒荷載取1.5,kN/m2.表3、表4和表5給出了4種弦支穹頂疊合拱荷載工況的有限元分析結(jié)果.由此可以得到如下結(jié)論.(1)考慮太陽(yáng)輻射作用時(shí)結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為不考慮太陽(yáng)輻射作用時(shí)的2.23倍;考慮太陽(yáng)輻射作用時(shí)等效應(yīng)力超過(guò)100,MPa的桿件數(shù)目為不考慮太陽(yáng)輻射時(shí)的3.43倍.考慮太陽(yáng)輻射作用時(shí)最大節(jié)點(diǎn)位移為不考慮太陽(yáng)輻射時(shí)的1.31倍,因此在進(jìn)行弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮太陽(yáng)輻射對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響,否則會(huì)使結(jié)構(gòu)存在安全隱患.工況3中內(nèi)力較大的桿件主要集中在單層網(wǎng)殼與鋼拱撐桿相連接的地方,因此在進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)此部位桿件應(yīng)加強(qiáng)處理.(2)當(dāng)不考慮太陽(yáng)輻射影響時(shí),在溫度荷載作用下工況2桿件等效應(yīng)力超過(guò)100,MPa的桿件數(shù)目為工況4的21.5倍,但是桿件的最大等效應(yīng)力工況2為工況4的0.79,最大節(jié)點(diǎn)位移工況2為工況4的0.66,因此從總體上來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)的負(fù)溫差效應(yīng)(冬季)要比正溫差效應(yīng)(夏季)更為不利.(3)由工況1和工況3的有限元分析結(jié)果可知:工況3最大節(jié)點(diǎn)位移為工況1的1.74倍;工況3最大等效應(yīng)力為工況1的2.65倍.可見(jiàn)對(duì)于弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu),其控制荷載工況為夏季太陽(yáng)輻射作用下結(jié)構(gòu)溫度荷載.(4)由表5所示的4種工況下索力數(shù)據(jù)可知,有無(wú)考慮太陽(yáng)輻射影響對(duì)各圈索力的影響很小,最大偏差僅54,kN;另外正溫差作用下,各圈環(huán)索索力減小,減小幅度可達(dá)60%,負(fù)溫差作用下,各圈環(huán)索索力增加,增加幅度可達(dá)42%.4解釋結(jié)論分析為了更好地理解弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)中弦支穹頂支座約束剛度對(duì)結(jié)構(gòu)負(fù)溫差下溫度效應(yīng)的影響,采用上述工況4,通過(guò)對(duì)表6所示的12種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析,研究了支座約束剛度對(duì)結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的影響,其計(jì)算結(jié)果可為今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考.表6給出了支座約束剛度參數(shù)分析的結(jié)果,由此可得出如下結(jié)論:(1)由模型1~6的分析結(jié)果可知,弦支穹頂結(jié)構(gòu)支座環(huán)向剛度對(duì)弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移、桿件最大等效應(yīng)力和支座徑向反力影響不大,但它對(duì)支座的環(huán)向反力影響顯著:當(dāng)支座環(huán)向剛度由1,400,kN/m增至14,000,kN/m時(shí),最大支座環(huán)向反力增加了2.81倍.(2)由模型7~12的分析結(jié)果可知,弦支穹頂結(jié)構(gòu)支座徑向剛度對(duì)弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移、桿件最大等效應(yīng)力和支座環(huán)向反力影響不大,但它對(duì)支座的徑向反力影響顯著:當(dāng)支座徑向剛度由1,400,kN/m增至14,000,kN/m時(shí),支座最大徑向反力增加了5.87倍.(3)綜上所述,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整弦支穹頂疊合拱周邊支座的約束剛度,可有效地減小結(jié)構(gòu)支座的反力,從而為下部支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供方便.5鋼拱合共享溫度與應(yīng)力耦合分析太陽(yáng)輻射作用下弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的溫度變形和溫度應(yīng)力之所以非常顯著,是因?yàn)樘?yáng)輻射作用下鋼拱桿件溫度較高、鋼拱正溫差值較大,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體溫度變形和溫度應(yīng)力較高,因此通過(guò)調(diào)整鋼拱的合攏溫度,適當(dāng)?shù)販p小鋼拱的正溫差值,可達(dá)到減小弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)整體溫度變形和溫度應(yīng)力的目的.為了更好地理解鋼拱合攏溫度取值對(duì)結(jié)構(gòu)整體溫度變形和溫度應(yīng)力的影響,在假定弦支穹頂部分合攏溫度取值不變的情況下,采用工況3和工況4,通過(guò)改變鋼拱的合攏溫度,研究了鋼拱合攏溫度取值對(duì)結(jié)構(gòu)整體溫度變形和溫度應(yīng)力的影響.鋼拱合攏溫度取值與有限元分析結(jié)果如圖10和圖11所示.由圖10和圖11可知,隨著鋼拱合攏溫度的增加,夏季正溫差作用下結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點(diǎn)位移和最大等效應(yīng)力隨之減小;而冬季負(fù)溫差作用下結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點(diǎn)位移和最大等效應(yīng)力隨之增加;若要使得結(jié)構(gòu)在正溫差和負(fù)溫差作用下最大節(jié)點(diǎn)位移最小,鋼拱合攏溫度可取圖10中兩線的交點(diǎn),即6,℃左右;若要使得結(jié)構(gòu)在正溫差和負(fù)溫差作用下最大桿件等效應(yīng)力最小,鋼拱合攏溫度可取圖11中兩線的交點(diǎn)20,℃左右.因此筆者建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),鋼拱合攏溫度取值應(yīng)考慮太陽(yáng)輻射影響.6鋼拱剛度對(duì)弦支頂疊合拱結(jié)構(gòu)的影響溫度荷載之所以成為弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的控制荷載,其主要原因是鋼拱位于室外,在太陽(yáng)輻射作用下其桿件溫度較高,鋼拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的溫度變形和溫度應(yīng)力;溫度變形與溫度應(yīng)力又通過(guò)撐桿傳遞給下部的弦支穹頂結(jié)構(gòu),使得下部弦支穹頂結(jié)構(gòu)中與撐桿相連的桿件產(chǎn)生較大的溫度變形和溫度應(yīng)力,因此適當(dāng)?shù)販p小上部鋼拱結(jié)構(gòu)的剛度,會(huì)減小弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移與桿件等效應(yīng)力.為了更好地理解上部鋼拱結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體溫度變形和溫度應(yīng)力的影響,筆者利用上述工況3,通過(guò)改變上部鋼拱結(jié)構(gòu)材料的彈性模量,改變其剛度,研究了鋼拱剛度對(duì)弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)的影響.表7給出了鋼拱參數(shù)分析中材料彈性模量縮放系數(shù)與對(duì)應(yīng)的溫度效應(yīng)分析結(jié)果.由表7可知,隨著鋼拱剛度的升高,結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點(diǎn)位移和桿件最大等效應(yīng)力呈上升趨勢(shì),但最大節(jié)點(diǎn)位移變化不大,而結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力急劇上升.因此在進(jìn)行弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),合理地選擇室外鋼拱結(jié)構(gòu)的剛度,能減小結(jié)構(gòu)整體變形和桿件應(yīng)力水平,從而達(dá)到結(jié)構(gòu)合理、節(jié)約材料和降低成本的目的.7作用時(shí)的2.33倍(1)采用ASHRAE晴空輻射模型和有限元理論,分析了太陽(yáng)輻射作用下弦支穹頂疊合拱中鋼拱的溫度場(chǎng)分布規(guī)律,得出鋼拱夏季最不利溫度場(chǎng)發(fā)生在14:00左右;此時(shí)鋼拱構(gòu)件溫度隨位置的不同呈非均勻分布,構(gòu)件溫度變化范圍為40.571~62.535,℃,且鋼拱構(gòu)件截面溫度梯度較大,最高溫度梯度達(dá)20,℃.(2)考慮太陽(yáng)輻射作用時(shí)結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為不考慮太陽(yáng)輻射作用時(shí)的2.23倍;考慮太陽(yáng)輻射作用時(shí)等效應(yīng)力超過(guò)的100MPa的桿件數(shù)目為不考慮太陽(yáng)輻射時(shí)的3.43倍;考慮太陽(yáng)輻射作用時(shí)最大節(jié)點(diǎn)位移為不考慮太陽(yáng)輻射時(shí)的1.31倍,因此在進(jìn)行弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí),必須考慮太陽(yáng)輻射對(duì)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響,否則會(huì)使結(jié)構(gòu)存在安全隱患;工況3中內(nèi)力較大的桿件主要集中在單層網(wǎng)殼與鋼拱撐桿相連接的地方,因此在進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)此部位桿件應(yīng)加強(qiáng)處理.(3)不考慮太陽(yáng)輻射作用且相同溫差作用下,弦支穹頂疊合拱的冬季溫度效應(yīng)(負(fù)溫差效應(yīng))要比夏季溫度效應(yīng)(正溫差效應(yīng))更為不利.(4)考慮夏季太陽(yáng)輻射對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響時(shí),弦支