淺談溫度作用對站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚的影響

伍文波

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

溫度作用對建筑結(jié)構(gòu)的影響很早以前就已經(jīng)被提出，到現(xiàn)在為止研究工作都有不同程度的開展，也取得了很多的成果。對于靜定結(jié)構(gòu)，通常溫度的改變不會引起構(gòu)件內(nèi)力的變化。但需要說明的是，這種結(jié)論是在結(jié)構(gòu)的變形能夠自由充分發(fā)展的假設(shè)上的，而實(shí)際的結(jié)構(gòu)或多或少與計算模型有一定的差異，因此需要在構(gòu)造上保證結(jié)構(gòu)的溫度變形不受到約束;對于超靜定結(jié)構(gòu)，溫度引起的變形是受到約束的，會產(chǎn)生附加的內(nèi)力。因此必須在結(jié)構(gòu)分析中考慮溫度的作用，將其作為兩種工況來考慮(溫度升高和溫度降低)，并參與荷載效應(yīng)組合。溫度升高和降低的大小根據(jù)施工時的溫度以及當(dāng)?shù)氐淖罡吆妥畹蜏囟葋泶_定，或者是根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境來確定。

溫度作用，特別是日照溫差對結(jié)構(gòu)的影響有很強(qiáng)的地域性，使得國內(nèi)外工程設(shè)計時對季節(jié)溫差考慮較多而對日照溫差涉及較少、對單一結(jié)構(gòu)簡單形式的溫度應(yīng)力分析較多而對復(fù)雜體系的研究較少。國內(nèi)早期的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)品中，門式剛架廠房占了80%，由于軟件的限制，結(jié)構(gòu)計算模式基本采用平面排架模型，計算分析軟件較為單一的采用PKPM的STS模塊進(jìn)行單榀建模分析，這樣一來在結(jié)構(gòu)模型中從根本上就忽略了溫度作用的影響。

1 目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計狀況

隨著鋼結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)越來越普及，鑒于鋼結(jié)構(gòu)自身的特殊性和對溫度的敏感性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中溫度影響越來越受到重視。目前的規(guī)范中溫度作用是怎么考慮的呢?《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017－2003第8.1.5條中對溫度區(qū)段長度中明確“露天結(jié)構(gòu)縱向溫度區(qū)段長度值120m”可以不考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響。同樣的在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102:2002中的第4.3.1條也明確“縱向溫度區(qū)段不大于300m”。但多數(shù)時候，實(shí)際工程情況越來越復(fù)雜，或者為了滿足建筑效果，鋼結(jié)構(gòu)工程的縱向溫度區(qū)段長度經(jīng)經(jīng)常超出規(guī)范的規(guī)定，若仍采用STS模塊單榀建模計算已不能滿足要求，這就需要我們采取整體建模的方式來實(shí)現(xiàn)解決，現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)計算軟件3D3S及有限元軟件MIDAS等都能很好地在計算模型中實(shí)現(xiàn)溫度作用對整體結(jié)構(gòu)的影響分析。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程為新建南涪線鐵路水江站站臺雨棚，水江火車站位于重慶市南川區(qū)水江鎮(zhèn)，設(shè)基本站臺500m×9m×0.5m一座，站臺上設(shè)162m長雨棚(雨棚中間部分與站房共柱考慮)。車站四面交通極為方便，沿線廠礦、村莊民舍密布，年平均氣溫21.7℃。

2.2 工程主要條件

(1)本工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50a，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級。

(2)本地區(qū)50a一遇的基本風(fēng)壓值為0.30kN/m2，地面粗糙度為B類。

(3)本工程建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度;設(shè)計基本加速度為0.05g;設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。

(4)屋面活載標(biāo)準(zhǔn)值:0.5kN/m2。

(5)溫度荷載:與雨棚桁架合龍溫度(15℃)的溫差分別為－25℃、30℃。

(6)雨棚柱距按照9m設(shè)計。

采用3D3S整體建模分析比較有溫度作用和無溫度作用時的桿件內(nèi)力(圖2～圖6)。

圖1 雨棚鋼結(jié)構(gòu)計算模型

3 結(jié)構(gòu)計算

結(jié)構(gòu)的三維計算模型見圖1。

3.1 鋼梁的內(nèi)力包絡(luò)圖比較

取出其中單榀梁柱構(gòu)件作為分析對象

圖2 有無溫度作用下的鋼梁彎矩M2(繞X軸)

通過圖2(a)、圖2(b)圖形的比較，溫度作用對鋼梁截面起控制作用的彎矩大小沒有影響。

3.2 鋼梁的梁端位移比較

圖3 有無溫度作用下的鋼梁位移

通過圖3(a)、圖3(b)圖形的比較，溫度作用對鋼梁的梁端控制位移沒有影響。

3.3 檁條的內(nèi)力分析比較

圖4 有無溫度作用下的檁條的軸力

通過圖4(a)、圖4(b)圖形的比較，溫度作用對簡支檁條的軸力有較大影響。

3.4 鋼管砼柱內(nèi)力包絡(luò)圖比較

圖5 有無溫度作用的柱底反力

通過圖5(b)、圖5(c)圖形的比較，溫度作用對雨棚柱底的反力有較大影響，主要是由于溫差的變化引起的柱底縱向

(X軸向)水平力、繞Y軸彎矩的增加。

3.5 鋼管砼柱頂位移比較

圖6 有無溫度作的鋼管砼柱頂位移

通過圖6(a)、圖6(b)圖形的比較，溫度作用對鋼管砼柱頂位移沒有影響。

3.6 結(jié)果分析

通過上述計算構(gòu)件對比，從鋼梁的內(nèi)力變化、鋼梁位移、檁條軸力、柱底反力、柱頂位移等各方面進(jìn)行分析比較，溫度作用對檁條的軸力和雨棚柱底的反力有較大影響。

4 結(jié)論與建議

由本文的工程算例分析可知:溫度對鐵路站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚這類長扁型結(jié)構(gòu)的影響，主要體現(xiàn)在檁條的軸力和鋼管柱底的反力上，參照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102:2002中的第4.3.1條中的說明，對于超過溫度區(qū)段長度的站臺鋼結(jié)構(gòu)雨棚，可以在設(shè)計中通過合理的設(shè)置伸縮縫(即在搭接檁條上開長圓孔)，釋放由溫度引起的上部縱向水平力和位移，避免由于柱底反力過大造成基礎(chǔ)設(shè)計的保守。

[1]樊小卿．溫度作用與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1999(4)

[2]GB50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S］

[3]CECS102:2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S］