論設(shè)置滑動(dòng)支座對(duì)超長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力釋放效應(yīng)的影響

程國(guó)紅

（廣西壯族自治區(qū)建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 廣西南寧 530005）

1 前言

在超長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)中，鋼構(gòu)件大多處于超靜定狀態(tài)，桿件彼此相互約束，結(jié)構(gòu)整體剛度大，對(duì)建筑物核心區(qū)約束性強(qiáng)，溫度應(yīng)力由結(jié)構(gòu)中間向兩端產(chǎn)生膨脹，使鋼結(jié)構(gòu)建筑物由中間向兩端變形逐漸增大，因此溫度應(yīng)力的影響是不容忽視的，在設(shè)計(jì)中必須計(jì)算溫度應(yīng)力和變形程度。目前，規(guī)范的作法是鋼結(jié)構(gòu)在一定溫度區(qū)間設(shè)置伸縮縫，在溫度區(qū)長(zhǎng)度范圍內(nèi)，溫度對(duì)一般建筑物的影響有限，在設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮溫度產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，以此來降低溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，但這必然會(huì)影響建筑立面的美觀，也會(huì)帶來防水等問題。

對(duì)于條件不允許設(shè)置伸縮縫的結(jié)構(gòu)，則普遍采用加大安全系數(shù)法，即加大桿件截面，而這就會(huì)導(dǎo)致用鋼量的大幅增加。

從理論上考慮，在超長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)中，如果適當(dāng)設(shè)置滑動(dòng)支座，在滿足結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的條件下，可以釋放掉一部分溫度應(yīng)力，這就可以降低溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。而且有可能不需要大量增加用鋼量。

但是，滑動(dòng)支座如何設(shè)置才能有效的釋放溫度應(yīng)力，目前尚無參考指標(biāo)。

2 主要研究?jī)?nèi)容

在貴港市體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)頂棚的設(shè)計(jì)過程中，我們對(duì)此進(jìn)行了摸索和研究。

計(jì)算使用3D3S軟件，建立多個(gè)對(duì)比組模型：改變支座狀態(tài)后，重新計(jì)算內(nèi)力。比較多個(gè)模型在用鋼量和變形上的差異，和部分桿件溫度應(yīng)力的差別，找出最佳模型組。

2.1 項(xiàng)目概況

體育場(chǎng)看臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)挑棚分為獨(dú)立的兩片。為較好地反應(yīng)造型意圖，突出韻律感，兩個(gè)挑蓬主體結(jié)構(gòu)均采用雙曲大跨度空間管桁架懸挑鋼結(jié)構(gòu)體系，均為超長(zhǎng)、大懸挑結(jié)構(gòu)，在幾何上為雙曲拱殼形態(tài)。

其中西看臺(tái)鋼挑棚南北向長(zhǎng)366m，空間懸挑管桁架最大懸挑長(zhǎng)度約33.6m，最高點(diǎn)為48m；東看臺(tái)鋼挑棚南北向長(zhǎng)221m，空間懸挑管桁架最大懸挑長(zhǎng)度約32m，最高點(diǎn)為34.4m。

主懸挑桁架采用正三角形空間桁架，根據(jù)懸挑長(zhǎng)度的不同，底部高度為 6～2.4m。

主桁架間跨度有24m，為協(xié)調(diào)各榀主桁架的共同工作，環(huán)向桁架也采用正三角形空間桁架。

桁架尾部由人字形巨型鋼柱與二層外圈平臺(tái)處的混凝土柱頂連接，桁架中后部由倒角錐形立柱與看臺(tái)外圍柱列的柱頂連接，人字形柱和倒角錐柱為懸挑桁架提供的力偶可以有效抵抗挑蓬在自重及豎向荷載作用下的變形。

由于要安裝膜結(jié)構(gòu)，屋面未布置常規(guī)的平面交叉支撐，但利用了膜結(jié)構(gòu)的支撐體系，來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體工作性能。

由于東、西看臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)挑蓬長(zhǎng)度均超過了鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中規(guī)定的溫度區(qū)段的長(zhǎng)度（120m），溫度應(yīng)力影響很大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮溫度應(yīng)力的影響。①設(shè)置變形縫，但是設(shè)縫后，會(huì)影響建筑的造型，且防水很困難，所以設(shè)計(jì)中放棄了設(shè)置變形縫的方案。②加大桿件截面，以抵抗溫度應(yīng)力的影響，這又產(chǎn)生了新的問題：用鋼量大幅攀升，更嚴(yán)峻的是，支座內(nèi)力太大，市場(chǎng)上難以找到合適的成品支座，導(dǎo)致支座成本昂貴，安裝困難。最后，采用的方法是：在滿足結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的情況下設(shè)置一些滑動(dòng)支座，將溫度應(yīng)力釋放掉，解決了這個(gè)問題。

2.2 驗(yàn)算分析及結(jié)果

現(xiàn)用總長(zhǎng)366m的西看臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。西看臺(tái)共有桿件9079根，桿件應(yīng)力比控制在0.8。

圖1 西看臺(tái)挑蓬各類支座布置圖

從計(jì)算分析中看到，截面應(yīng)力比不滿足要求的桿件大部分為環(huán)向構(gòu)件?？梢酝茰y(cè)，這主要是溫度等因素引起的環(huán)向變形產(chǎn)生的應(yīng)力過大，我們?yōu)榇私⒘?個(gè)計(jì)算模型，4個(gè)模型分別采用了不同的支座布置方式。

表1

模型1的全部支座均為鉸支座。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)環(huán)向移動(dòng)全部受限制的時(shí)候，結(jié)構(gòu)兩端頭支座需要承受的水平力非常大。

模型2的兩端頭支座改為滑動(dòng)支座，其余支座仍為鉸支座。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)建筑物最端頭環(huán)向移動(dòng)放松限制的時(shí)候，結(jié)構(gòu)兩端頭支座需要承受的水平力為零，但是第2#支座承受的水平力上升，超過了 3000kN（見表 2）。

表2

模型3的兩端頭支座第2#支座改為滑動(dòng)支座，其余支座仍為鉸支座。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)建筑物兩端頭環(huán)向移動(dòng)放松限制的時(shí)候，大部分結(jié)構(gòu)支座需要承受的水平力都降低了，初第3#支座承受的水平力略有上升，但也小于3000kN。

表3

模型4的中間第6#、第7#支座改為滑動(dòng)支座，其余支座仍為鉸支座。6#和7#支座之間的中點(diǎn)，為西看臺(tái)結(jié)構(gòu)理論上的溫度0點(diǎn)位置。從表中數(shù)據(jù)可以看出，放松中間支座環(huán)向移動(dòng)的限制后，結(jié)構(gòu)兩端頭和相鄰第5#支座需要承受的水平力變得非常大?？梢姡?yàn)閮啥耸芟薜木壒?，溫度?yīng)力并沒有釋放掉（見表4）。

表4

根據(jù)施工單位的反饋，市場(chǎng)上水平承載力超過3000kN的支座沒有成品支座，需要定做，而且價(jià)格會(huì)比成品支座貴很多。

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果和施工單位的意見，我們最終選擇了模型3的結(jié)果作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，既滿足了承載力的要求，用鋼量達(dá)到最優(yōu)。

3 結(jié)論

超長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)中，溫度應(yīng)力和溫度變形的影響不容忽視。

采用設(shè)置伸縮縫的辦法，使得建筑的防水、保溫變得困難，而且往往會(huì)破壞建筑立面和造型的美觀。

單純考慮“抗”的方式，利用加大桿件截面的辦法來加大結(jié)構(gòu)抵抗溫度應(yīng)力和溫度變形的能力，會(huì)使的總的用鋼量大大攀升，經(jīng)濟(jì)成本大大增高。同時(shí)，有可能會(huì)在支座產(chǎn)生過大的內(nèi)力，超出常規(guī)支座的承載力，使得支座的設(shè)計(jì)、安裝變得困難而且成本昂貴。由模型（1）結(jié)果可見。

合理的布置滑動(dòng)鉸支座的情況，既能夠在保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，又能釋放溫度應(yīng)力，控制變形，降低用鋼量。

采用滑動(dòng)支座時(shí)，除了考慮有效釋放溫度應(yīng)力并降低用鋼量，結(jié)構(gòu)還應(yīng)有足夠的剛度，以保證結(jié)構(gòu)的正常使用功能且安全可靠。

利用工程實(shí)踐證明，超長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)，無需設(shè)置伸縮縫，合理使用滑動(dòng)支座是安全可高且經(jīng)濟(jì)的。

[1]李煥群，屈立軍.溫度應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響的試驗(yàn)研究.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（7）.

[2]楊漢林.溫度對(duì)超大型鋼結(jié)構(gòu)影響.河北聯(lián)合大學(xué)，2012.