溫度作用對雙層柱面網殼邊界支座影響的探討

劉 軍

（太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

1 工程背景

該洗煤廠原煤儲煤倉的平面尺寸為95×184 m，結構高度為36 m。采用雙層柱面網殼結構，曲面形式為三心圓弧曲線，網架厚度為3 m，網格形式采用正方四角錐形式，節點形式為螺栓球節點，采用壓型鋼板輕型屋蓋。

圖1 網殼剖面圖

桿件采用Q235無縫鋼管，鋼材的線膨脹系數為0.000 0121/℃。由于結構跨度大、縱向邊界長，且網殼結構對支座形式極其敏感，本文將結合支座形式對結構變形、強度、溫度應力等幾個方面的影響反應來確定支座形式。

2 結構計算分析

2.1 分析模型

該工程采用螺栓球節點形式，所有桿件為鉸接，忽略節點剛度的影響，采用空間桁架結構體系有限元進行彈性分析，分析模型見圖2。采用通用有限元分析軟件SAP2000進行結構分析。桿件采用Q235無縫鋼管，經優化設計后選取8種鋼管截面，最小鋼管為Φ75.5×3.75，最大鋼管為Φ180×12。

圖2 網殼結構有限元分析模型

2.2 設計荷載

本工程承受的荷載和作用如下：工況1：上弦恒載標準值：0.30 kN/m2，下弦恒載標準值：0.20 kN/m2；工況 2：上弦活載標準值：0.50 kN/m2；工況3：計算溫差：由于本工程地處嚴寒地區，考慮工程難以全封閉采暖，設計考慮±30℃溫差。

2.3 荷載效應組合

1.35 ×恒載+1.4×0.7×活載+溫差；1.20×恒載+1.4×活載+溫差。

2.4 邊界支承條件分析

本工程跨度95 m，縱向長度184 m，由溫差引起的溫度應力不容忽視。通過對不同支座條件下（包括支座位置、支座釋放方式、支座釋放彈簧剛度的大?。┚W殼結構的變形和受力特征分析，得出一種釋放引溫差引起的溫度應力相對較優的支座方案。假定所有支座為固定鉸支座，通過分析確定需要釋放約束的支座位置及支座約束方向。

2.4.1 支座反力分析

通過網殼4種不同位置的支座反力來比較分析由溫度應力引起的該處位置支座反力程度，計算結果見表1。

表1 各工況組合下的支座反力

從表1中可以看出：

（1）縱向中部支座至角部支座，Y方向由溫度作用引起的支座反力逐漸增大，并起控制作用，主要原因是網殼縱向邊界較長，且溫度作用下在該方向結構產生的溫度應力無法釋放，所以需設置彈性支座以釋放該溫度應力。

（2）角部支座處X方向引溫度作用引起的反力非常嚴重，需將端部支座設為彈性支座，沿X方向適當放寬約束。

（3）將縱向中部及邊部支座沿法向設置彈性支座，選擇適當的彈性剛度。

2.4.2 彈性支座剛度對結構變形和受力性能的影響

首先采用網殼縱向支承約束條件在邊界法向不放開，在邊界切向釋放約束，即布置沿切向的彈性支座。考慮4種彈性剛度：500 N/mm、1 000 N/mm、2 000 N/mm、5 000 N/mm，以確定最優的支座剛度。分析以上假定的3種方案，得到結果見表2。

表2 縱向支座沿切向彈性剛度不同對結構受力的影響

從各種方案的位移及支座反力可知，對于不同彈性剛度，彈性剛度越小即為支座釋放越充分，桿件應力越小。由于結構抵抗水平荷載和地震荷載，彈性剛度不易太小，否則在水平荷載作用下支座將產生很大的水平位移。則本工程宜采用1 000 N/mm的彈性剛度。經模型分析得出，此時支座處因溫度作用引起的支座位移為27.5 mm，網殼拱頂沿縱向位移為34.4 mm，工程上滿足位移協調條件；且由表2可得，該方案不影響雙層柱面網殼的空間殼體性能，不會降低結構的剛度。

2.4.3 端部網架支座的溫度應力釋放

從表2還可以看出，由于縱向支承約束邊界切向釋放約束，而端部支座法向約束未釋放，使得端部邊支座附近部分桿件由溫度作用產生的內力增大，不利于溫度應力的釋放。由此將端部支座法向約束釋放，并釋放支座切向約束，采用彈性剛度為1000N/mm的彈性支座來釋放溫度應力，并使端網架與柱面網殼滿足位移協調條件。分析結果見表3。

由表3看出，端部支座釋放切向及法向約束后，該處端部網橋的溫度應力得到明顯改善；且雙層柱面網殼的空間殼體性能良好，采用端部彈性支座不會降低結構的整體剛度。

2.4.4 縱向支座沿法向設置彈性支座

從表3還可以看出，由于端部支承約束邊界切向釋放約束，而網殼縱向支座法向約束未釋放，使得縱向邊部支座附近部分桿件由溫度作用產生的內力增大，不利于溫度應力的釋放，考慮將網殼縱向支座法向約束釋放。但對于網殼結構，如果放松縱向邊界的法向約束，則將大大降低網殼結構的空間殼體性能、嚴重削弱網殼的承載能力、降低結構的剛度，嚴重的還會危及結構的安全[3~4]。因此，不易沿縱向全長釋放支座法向約束。本工程有端部山墻網架，可考慮適當釋放個別縱向邊部支座法向約束，來釋放角支座及縱向邊部支座附近的溫度應力。采用彈性剛度為1 000 N/mm的彈性支座，分析結果見表4。

表3 溫度作用下端支座釋放法向及切向約束對結構的影響分析

表4 溫度作用下縱向邊部個別支座釋放法向約束對結構的影響分析

由表4可以看出，將靠近角支座的4個縱向支座沿法向設置剛度為1 000 N/mm的彈性支座能夠有效降低該處嚴重的溫度應力，該工程允許的最大空間位移為237.5 mm[5]，在設置4個法向彈性支座的情況下也能夠保證結構的空間殼體性能，結構的整體剛度不會超出規范允許范圍。

3 結束語

通過比較不同支座約束條件下網殼結構的變形和受力性能，可以得到釋放縱向支座的切向約束、端支座的切向及法向約束、角支座的切向及法向約束能較大地減小桿件的溫度應力，在條件允許的情況下（如端部設有山墻網架）釋放縱向邊部支座的法向約束。本工程彈性剛度選用1 000 N/mm是經過分析決定的，支座彈性剛度的選用在考慮釋放溫度應力的同時要保證結構抵抗水平荷載的需要，不易選用不利于網殼空間殼體性能，降低結構整體剛度的布置方案?？紤]溫度應力的另一種方法是將其簡化為一種荷載，然后通過有限元法來分析，對溫度的變化加以抽象和歸納。