索屋頂結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析及合理張拉溫度研究

索屋頂結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析及合理張拉溫度研究

0張拉預(yù)應(yīng)力度和張拉控制溫度忽視預(yù)測(cè)空間結(jié)構(gòu)對(duì)大傾角結(jié)構(gòu)的溫度影響。如果結(jié)構(gòu)溫度改變，其所有部分都會(huì)隨著溫度的上升或降低而增加或收縮。由于結(jié)構(gòu)邊界約束和各個(gè)構(gòu)件之間相互制約,導(dǎo)致膨脹或收縮并不能自由地發(fā)展,即產(chǎn)生溫度應(yīng)力。在某些超靜定結(jié)構(gòu)體系中,溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載作用下的應(yīng)力,帶有溫度作用的荷載組合有的已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制組合。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在施工階段暴露于室外,整個(gè)結(jié)構(gòu)受溫度變化影響明顯。根據(jù)已建工程的測(cè)試結(jié)果,考慮溫差±25℃時(shí),有30～50MPa的預(yù)應(yīng)力變化,所以溫度改變引起的預(yù)應(yīng)力變化不容忽視。在使用階段,溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起一定的內(nèi)力和變形,由此引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生一定影響。索穹頂結(jié)構(gòu)是幾何柔性體系,由預(yù)應(yīng)力提供剛度,沒(méi)有預(yù)應(yīng)力就不能成為結(jié)構(gòu)。合理的預(yù)應(yīng)力度是索穹頂結(jié)構(gòu)幾何體系成形,保證結(jié)構(gòu)整體安全的最重要因素之一。當(dāng)初始預(yù)應(yīng)力和溫度同時(shí)作用于索穹頂時(shí),將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。一方面,為了保證結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索在任何環(huán)境條件下都不松弛,就必須考慮結(jié)構(gòu)在整個(gè)使用期限內(nèi)可能的溫度改變引起預(yù)應(yīng)力水平的改變,既不由于溫度改變使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力過(guò)大,也不能使索中的預(yù)應(yīng)力變得過(guò)小。另一方面,溫度作用在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)位移不可忽視,過(guò)大的變形將導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的提前破壞和結(jié)構(gòu)的失效。所以,合理的張拉預(yù)應(yīng)力度和張拉控制溫度對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用階段的各項(xiàng)工作性能起到至關(guān)重要的作用。為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性,溫度因素在預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)階段和荷載作用下的分析階段都需要考慮,本文針對(duì)內(nèi)蒙古伊旗全民健身體育中心屋頂大跨度索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度效應(yīng)分析,為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。1模型結(jié)構(gòu)的選取從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提取有限元分析模型如圖1、2所示,大跨度索穹頂結(jié)構(gòu)計(jì)算模型跨度71.2m,矢高5.5m,矢跨比1/13,環(huán)向20等分,共設(shè)2道環(huán)索,中心設(shè)置拉力環(huán),由內(nèi)到外三圈撐桿的高度分別為:5.3m、5.8m、6.8m,撐桿與索的連接點(diǎn)為鉸接,整個(gè)結(jié)構(gòu)固定鉸支于邊緣剛性環(huán)梁上。鋼管、索的彈性模量分別為2.06×105N/mm2、1.92×105N/mm2,鋼管、索的線(xiàn)膨脹系數(shù)均為1.4×10-5。結(jié)構(gòu)的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)。采用ANSYS程序單元庫(kù)中的LINK8單元模擬撐桿,LINK10單元模擬索,索預(yù)應(yīng)力采用施加溫度荷載模擬。該結(jié)構(gòu)建于內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū),鄂爾多斯屬于典型的溫帶大陸性氣候,季節(jié)氣溫變化較大,冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng),夏季炎熱短暫,晝夜溫差大,年平均氣溫7.1～7.4℃。根據(jù)鄂爾多斯地區(qū)近50年溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),多年極端最高氣溫為40.2℃,出現(xiàn)于1975年7月6日;多年極端最低氣溫為-34.5℃,出現(xiàn)于1971年1月22日;且30年一遇最低氣溫為-41℃。環(huán)境溫度與構(gòu)件本身溫度關(guān)系密切,但并不等同。對(duì)于一般的鋼結(jié)構(gòu),通常在計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)所考慮的溫度場(chǎng)為均勻溫度場(chǎng),即僅考慮年溫差的影響。年溫差的取值根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、實(shí)際保溫隔熱構(gòu)造的設(shè)計(jì)、具體的工藝及特殊需要確定。此外,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在夜間的溫度與氣溫比較接近,故取最低溫度為-50℃;在白天除了隨氣溫不斷變化外,日光照射將引起構(gòu)件溫度顯著升高。通常,鋼材表面溫度要比氣溫高2～3℃,如果在陽(yáng)光直射下,鋼材表面溫度比氣溫高8～12℃。所以外露結(jié)構(gòu)的溫度可達(dá)50℃,為了充分滿(mǎn)足實(shí)際要求,取最高溫度為60℃。因此,本文考慮構(gòu)件溫度變化范圍為-50～60℃。選取的溫度場(chǎng)為均勻溫度場(chǎng),并綜合考慮年溫差和日照溫差的影響。2不同變化量的張拉控制溫度響應(yīng)分析根據(jù)構(gòu)件溫度變化范圍-50～60℃,以每10℃為一變化量,以0℃為張拉控制溫度,對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度響應(yīng)分析。為便于分析,規(guī)定該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)中心為原點(diǎn),在A-A軸線(xiàn)上原點(diǎn)以左為負(fù)值,原點(diǎn)以右為正值,如圖3所示。2.1結(jié)構(gòu)的豎向位移通過(guò)對(duì)脊索、環(huán)索、斜索及撐桿施加溫度荷載,進(jìn)行節(jié)點(diǎn)位移分析。由于結(jié)構(gòu)及荷載的對(duì)稱(chēng)性,取圖3中A-A軸線(xiàn)上的構(gòu)件為代表,考察各節(jié)點(diǎn)的位移情況,該軸線(xiàn)上各節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖4所示。不同溫度下A-A軸線(xiàn)上節(jié)點(diǎn)豎向位移的變化情況如圖5、6所示。由圖5、6可以看出,隨著溫度的變化,沿結(jié)構(gòu)豎向的節(jié)點(diǎn)位移比較大,節(jié)點(diǎn)位移以結(jié)構(gòu)形心為中心呈中心對(duì)稱(chēng)狀?？傮w上,節(jié)點(diǎn)位移對(duì)溫度升高更為敏感,對(duì)結(jié)構(gòu)施加正溫度作用時(shí),隨著溫度的不斷升高,結(jié)構(gòu)的豎向位移愈加明顯。當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度達(dá)到60℃時(shí),豎向位移可達(dá)0.28m,約為結(jié)構(gòu)跨度的1/254,矢高的1/20。當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)施加負(fù)溫度作用時(shí),結(jié)構(gòu)豎向出現(xiàn)輕微的起拱現(xiàn)象,溫度越低,起拱越明顯,這與張拉成形時(shí)的控制溫度密切相關(guān),當(dāng)溫度達(dá)到-50℃時(shí),出現(xiàn)最大起拱值約為0.05m。因此對(duì)于索穹頂這樣的預(yù)應(yīng)力大空間鋼結(jié)構(gòu),在張拉成形時(shí)選定合理的張拉溫度和張拉預(yù)應(yīng)力度對(duì)結(jié)構(gòu)服役期間的工作性能有比較重要的影響。結(jié)合索穹頂結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移對(duì)溫度升高更為敏感這一結(jié)論,建議選擇介于當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁睾妥罡邭鉁刂g的環(huán)境溫度進(jìn)行結(jié)構(gòu)張拉,有利于該結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下工作性能的發(fā)揮。但是,鑒于施工進(jìn)度工期等因素的影響,該工程索穹頂結(jié)構(gòu)于11月張拉,考慮此時(shí)當(dāng)?shù)貧夂驐l件已處于0℃以下嚴(yán)寒狀態(tài),為減少其在后續(xù)夏季使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形,故應(yīng)對(duì)初始預(yù)應(yīng)力適當(dāng)補(bǔ)償,本文提出適當(dāng)增大張拉預(yù)應(yīng)力度的建議,并得到設(shè)計(jì)方的認(rèn)可和采納。2.2初始預(yù)應(yīng)力度由于該索穹頂結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng),故取A-A軸線(xiàn)上所有構(gòu)件進(jìn)行研究,具體構(gòu)件編號(hào)如圖7所示。經(jīng)ANSYS軟件分析及數(shù)據(jù)處理,得出變化較明顯的JS-1、XS-1、HS-1和CG-1在張拉成形(0℃)時(shí)應(yīng)力分別為432.16MPa、629.87MPa、633.95MPa和-189.49MPa。為便于觀察,將不同溫度作用下各桿件應(yīng)力與0℃時(shí)各桿件應(yīng)力相減,得到應(yīng)力增量,圖8分別給出了溫度范圍-50～60℃時(shí)構(gòu)件應(yīng)力增量的變化情況。由圖8可知,撐桿、脊索、斜索以及環(huán)索應(yīng)力增量隨溫度改變的變化趨勢(shì)基本一致,符合熱脹冷縮導(dǎo)致的溫度升高預(yù)應(yīng)力減小、溫度降低預(yù)應(yīng)力增大的規(guī)律。對(duì)于本工程索穹頂結(jié)構(gòu),低溫階段桿件應(yīng)力變化更為明顯,當(dāng)溫度達(dá)到-50℃時(shí),JS-1、XS-1、HS-1和CG-1應(yīng)力分別增加58.4%、12.7%、16.1%和10%;在一定范圍內(nèi)隨著溫度的升高構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力水平有所降低,但逐漸趨于穩(wěn)定,當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí),JS-1、XS-1、HS-1和CG-1應(yīng)力分別降低32.4%、6.3%、7.6%和6.1%。預(yù)應(yīng)力是索穹頂結(jié)構(gòu)成形和抵抗外荷載作用的重要保障,因此在設(shè)計(jì)張拉預(yù)應(yīng)力度時(shí),應(yīng)充分考慮到工程擬建地區(qū)的氣候條件和溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用階段的影響。鑒于本工程張拉時(shí)環(huán)境溫度低于0℃,為了確保結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力索夏季正常工作,建議在承載范圍內(nèi)適當(dāng)增大初始預(yù)應(yīng)力度,以保證結(jié)構(gòu)不會(huì)因溫度升高導(dǎo)致構(gòu)件中應(yīng)力水平的大幅降低。如果張拉溫度與下料溫度相同,則張拉成形態(tài)不必考慮溫度作用。假設(shè)施工下料溫度為15℃,而工程張拉完成溫度為-15℃,則與下料溫度有30°負(fù)溫差,則應(yīng)施加-30°溫度作用,計(jì)算張拉成形態(tài)下外脊索和外斜索內(nèi)力,按計(jì)算結(jié)果調(diào)整預(yù)應(yīng)力度。3初始預(yù)應(yīng)力水平結(jié)構(gòu)的索力初值一般是由設(shè)計(jì)單位綜合考慮多方因素確定的,能夠保證結(jié)構(gòu)合理的綜合受力性能。為考察初始預(yù)應(yīng)力對(duì)索穹頂結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的影響,以0℃作為張拉成形溫度,設(shè)計(jì)的初始預(yù)應(yīng)力水平為P,分別考慮1.0P、1.5P、2.0P三種初始預(yù)應(yīng)力水平,在結(jié)構(gòu)其它幾何參數(shù)、物理參數(shù)以及邊界條件不變的情況下,對(duì)恒荷載+全跨活荷載工況進(jìn)行分析,并在-50～60℃溫度范圍內(nèi),對(duì)比具有代表性的索和撐桿內(nèi)力、應(yīng)力,最大節(jié)點(diǎn)位移以及支座反力的響應(yīng)結(jié)果。同樣,將不同溫度作用下各桿件應(yīng)力與張拉時(shí)應(yīng)力相減,得到應(yīng)力增量,如圖9所示。對(duì)于索穹頂結(jié)構(gòu)這種索桿張力體系,結(jié)構(gòu)中索單元的內(nèi)力會(huì)隨著預(yù)應(yīng)力水平的增加而增大,在-50～20℃溫度作用下,三種預(yù)應(yīng)力水平的應(yīng)力變化值基本相同,初始預(yù)應(yīng)力水平為1.0P時(shí),預(yù)應(yīng)力隨溫度的變化率最大。在-50～20℃溫度作用下,1.5P、2.0P初始預(yù)應(yīng)力水平的應(yīng)力圖變化趨勢(shì)一致,而1.0P初始預(yù)應(yīng)力水平的應(yīng)力曲線(xiàn)呈平直段,可見(jiàn)初始預(yù)應(yīng)力水平為1.5P、2.0P時(shí),桿件內(nèi)力大,有足夠的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備以抵御溫度變化帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失,但預(yù)應(yīng)力過(guò)大會(huì)給預(yù)應(yīng)力索增加負(fù)擔(dān),故設(shè)計(jì)時(shí)選取恰當(dāng)?shù)某跏碱A(yù)應(yīng)力度十分必要。圖10對(duì)比了三種初始預(yù)應(yīng)力下,內(nèi)撐桿豎向位移隨溫度變化的趨勢(shì),由圖可知,1.5P和2.0P初始預(yù)應(yīng)力水平下,索穹頂結(jié)構(gòu)隨溫度變化的豎向位移基本呈線(xiàn)性變化,且位移非常微小。而設(shè)計(jì)初始預(yù)應(yīng)力水平下,-50～20℃三條曲線(xiàn)基本重合,即位移大小基本一致,當(dāng)溫度在20℃以上變化時(shí),結(jié)構(gòu)豎向位移明顯增大,當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí),豎向位移達(dá)到267mm,相當(dāng)于矢高的4.8%。由此可見(jiàn),預(yù)應(yīng)力水平在溫度降低時(shí)對(duì)溫度的敏感程度基本一致,溫度升高,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。故應(yīng)提高初始預(yù)應(yīng)力水平,使其有足夠的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備以抵御溫度變化帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失,減小結(jié)構(gòu)位移。對(duì)于索穹頂這種索桿張力體系,結(jié)構(gòu)中索單元的內(nèi)力會(huì)隨著預(yù)應(yīng)力的增大而增大,這必然會(huì)導(dǎo)致支座反力的增大,圖11對(duì)比了三種初始預(yù)應(yīng)力水平下支座反力隨溫度變化的趨勢(shì)。在-50～60℃溫度作用下,1.5P、2.0P初始預(yù)應(yīng)力水平下支座反力呈直線(xiàn)變化;初始預(yù)應(yīng)力水平為1.0P(即設(shè)計(jì)初始預(yù)應(yīng)力水平)時(shí),在-50～20℃溫度作用下支座反力增量呈直線(xiàn)變化,且與另外兩條線(xiàn)平行,在20～60℃溫度變化時(shí)曲線(xiàn)平直。增大初始預(yù)應(yīng)力,是提高預(yù)應(yīng)力索內(nèi)力的最直接手段,同時(shí)可使結(jié)構(gòu)的剛度更好。以上規(guī)律表明,初始預(yù)應(yīng)力水平提高,可使結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力索有足夠的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備以抵御溫度變化帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失,同時(shí)可減小結(jié)構(gòu)位移;但預(yù)應(yīng)力過(guò)大又會(huì)給預(yù)應(yīng)力索增加負(fù)擔(dān),因此,在保證結(jié)構(gòu)正常工作的前提下,適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)初始預(yù)應(yīng)力水平可改善結(jié)構(gòu)的靜力性能。針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建議高溫地區(qū)的索穹頂建筑應(yīng)適當(dāng)提高初始預(yù)應(yīng)力水平,以抵抗升溫引起的位移。同時(shí)初始預(yù)應(yīng)力水平的選取應(yīng)結(jié)合下部結(jié)構(gòu)的具體形式,下部結(jié)構(gòu)不同形式和不同組成材料,所能承受的支座反力不同,在能夠保證建筑功能和結(jié)構(gòu)安全的條件下,設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮索穹頂結(jié)構(gòu)的初始預(yù)應(yīng)力水平和下部結(jié)構(gòu)形式。4外脊索、外斜索、麻黃以及外撐桿應(yīng)力本文分析了大跨度索穹頂結(jié)構(gòu)在-50～60℃溫度作用下的節(jié)點(diǎn)位移和構(gòu)件應(yīng)力變化規(guī)律,得到如下主要結(jié)論:(1)溫度作用對(duì)大跨度索穹頂結(jié)構(gòu)外圈索和撐桿的應(yīng)力的影響不可忽略,以0℃作為張拉成形基準(zhǔn)溫度,當(dāng)溫度達(dá)到-50℃時(shí),外脊索、外斜索、外環(huán)索以及外撐桿的應(yīng)力增加達(dá)58.4%、12.7%、16.1%和10%;當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí),外脊索、外斜索