淺談溫度作用對站臺鋼結構雨棚的影響

伍文波

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

溫度作用對建筑結構的影響很早以前就已經被提出，到現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。對于靜定結構，通常溫度的改變不會引起構件內力的變化。但需要說明的是，這種結論是在結構的變形能夠自由充分發展的假設上的，而實際的結構或多或少與計算模型有一定的差異，因此需要在構造上保證結構的溫度變形不受到約束;對于超靜定結構，溫度引起的變形是受到約束的，會產生附加的內力。因此必須在結構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)，并參與荷載效應組合。溫度升高和降低的大小根據施工時的溫度以及當地的最高和最低溫度來確定，或者是根據結構的使用環境來確定。

溫度作用，特別是日照溫差對結構的影響有很強的地域性，使得國內外工程設計時對季節溫差考慮較多而對日照溫差涉及較少、對單一結構簡單形式的溫度應力分析較多而對復雜體系的研究較少。國內早期的鋼結構設計產品中，門式剛架廠房占了80%，由于軟件的限制，結構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模塊進行單榀建模分析，這樣一來在結構模型中從根本上就忽略了溫度作用的影響。

1 目前的結構設計狀況

隨著鋼結構工程的建設越來越普及，鑒于鋼結構自身的特殊性和對溫度的敏感性，在結構設計中溫度影響越來越受到重視。目前的規范中溫度作用是怎么考慮的呢?《鋼結構設計規范》GB50017－2003第8.1.5條中對溫度區段長度中明確“露天結構縱向溫度區段長度值120m”可以不考慮溫度應力和溫度變形的影響。同樣的在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102:2002中的第4.3.1條也明確“縱向溫度區段不大于300m”。但多數時候，實際工程情況越來越復雜，或者為了滿足建筑效果，鋼結構工程的縱向溫度區段長度經經常超出規范的規定，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現解決，現行的鋼結構計算軟件3D3S及有限元軟件MIDAS等都能很好地在計算模型中實現溫度作用對整體結構的影響分析。

2 工程實例

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水江鎮，設基本站臺500m×9m×0.5m一座，站臺上設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)本工程主體結構設計使用年限為50a，結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為丙級。

(2)本地區50a一遇的基本風壓值為0.30kN/m2，地面粗糙度為B類。

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

(4)屋面活載標準值: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力(圖2～圖6)。

圖1 雨棚鋼結構計算模型

3 結構計算

結構的三維計算模型見圖1。

3.1 鋼梁的內力包絡圖比較

取出其中單榀梁柱構件作為分析對象

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 鋼管砼柱內力包絡圖比較

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 結果分析

通過上述計算構件對比，從鋼梁的內力變化、鋼梁位移、檁條軸力、柱底反力、柱頂位移等各方面進行分析比較，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構雨棚這類長扁型結構的影響，主要體現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構技術規程》CECS102:2002中的第4.3.1條中的說明，對于超過溫度區段長度的站臺鋼結構雨棚，可以在設計中通過合理的設置伸縮縫(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設計的保守。

[1]樊小卿．溫度作用與結構設計[J］．建筑結構學報，1999(4)

[2]GB50017－2003鋼結構設計規范[S］

[3]CECS102:2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S］