高原地區大跨度空間鋼結構日照溫度應力分析

張偉超，張磊，王磊，董自運，古松

（1.中鐵建工集團有限公司，北京 100160；2.中鐵建工集團第三建設有限公司，天津 300451；3.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

1 引言

高原地區擁有最豐富的太陽資源，太陽輻射總值高達8500 MJ/（m2·a），比同緯度低海拔地區高50%～100%，其中直接輻射占總輻射的最高比例達78%，遠大于全球平均水平47%，是全國太陽輻照高值區[1]。高原地區除了太陽輻照強，年日照時數也相對較長。位于青藏高原中部的拉薩，年日照時數超過3 000 h，遠大于同緯度重慶的1 121 h[2-3]。隨著我國在高原地區的基礎設施投資力度不斷加大，一大批體育場館、大型醫院以及鐵路站房等大型場館陸續開工建設[4-5]。大跨度空間鋼結構因其具有自重輕、承載能力大、抗震性能好以及造型優美等有點，廣泛應用于大型場館的工程設計中[6-7]。鋼材對溫度變化比較敏感，而高原地區太陽輻照強、年日照時數長的獨特條件對結構安全的威脅不容忽視。

為探究日照溫度應力對鋼結構安全性的影響，國內外學者進行了相應的研究。沈祖炎等人[8]在1990年首次對高層建筑中的鋼結構溫度應力進行分析，提出鋼構件朝陽面與背陽面間的溫度差是影響鋼結構安裝精度重要原因。徐國彬[9]對某鋼網架事故進行了理論與實測分析，認為溫度應力是造成網架事故的主要原因，且占到總應力的一半以上。陳志華與劉紅波等人[10-11]對空間鋼結構及桿件的日照溫度效應進行了現場試驗和數值模擬研究，結果表明太陽輻射產生的溫度作用在某些情況下可能會成為結構設計的控制荷載之一，且負溫差作用較正溫差作用對結構的安全性影響更大。陳建穩等人[12]對矩形鋼結構夏季日照溫度場進行研究，結果表明，輻射吸收系數每增加0.15，最高溫度增加10℃，夏季鋼拱架的溫度應力可達到鋼材設計強度的1/3。陳濱濱[13]對太陽輻照下的鋼板溫度進行實測，結果表明，日照下鋼結構表面升溫明顯，與氣溫的最大溫差達30.3℃，此時鋼板的表面溫度達到68.9℃。金曉飛等人[14]利用ANSYS軟件對山西三館日照非均勻溫度作用進行分析，結構局部最高溫度達到50℃，最大溫差達17℃，驗證了日照溫度場對工程設計合攏溫度的指導意義。目前，國外學者針對鋼結構日照溫度應力的研究大多集中在射電望遠鏡方面[15-17]。

現有研究積累了大量成果，促進了大跨空間鋼結構事業的發展。但現行鋼結構規范[18-20]中關于溫度作用的內容還不完善，因溫度作用引起的大跨度空間鋼結構坍塌事故仍時有發生[21]。同時現有研究成果多集中在東部低海拔地區，而太陽輻照強、年日照時數長的高原地區研究成果相對較少，與高原地區發展速度存在一定的滯后。因此，有必要對高原地區大跨度空間鋼結構日照溫度應力進行分析。

結合拉薩某大型醫院項目中的金屬屋面結構，采用數值分析對大跨度空間鋼結構的日照溫度應力進行研究，擬得到結構的溫度應力分布情況，為高原地區此類結構的工程設計提供參考。

2 工程概況

項目位于海拔3 640 m的拉薩市堆龍德慶區，一期總建筑面積121 450 m2，是西藏的“三大民生工程”之一，將建成一所集醫、教、科為一體的三級甲等醫院，項目效果如圖1所示。

圖1 項目效果圖

鋼結構分布在主體結構間，作為金屬屋面結構，其中門診樓和醫技樓之間大跨度雙曲線鋼結構施工最為復雜困難。該大跨度空間鋼結構左右對稱，單側長77.65m，重54.8 t，高18.95～22.85 m，主要桿件為□60～300 mm的箱型桿件和φ600 mm的鋼管混凝土柱，鋼材材質為Q355B，核心混凝土為C30。

3 有限元模型建立

本項目中的大跨度空間鋼結構箱型桿件眾多、錯綜復雜，若整體結構采用板殼單元和實體單元建模將耗費大量的時效，且難以滿足計算要求。為提高運算精度與時效，本文采用天津大學的劉紅波和哈爾濱工業大學的陳德珅等人[22-23]提出的整體結構日照溫度應力簡化計算方法對西藏自治區醫院建設項目中的大跨度空間鋼結構進行研究，該簡化方法的研究流程如圖2所示。

圖2 日照溫度應力研究流程

3.1 典型桿件日照溫度場模型建立

基于ASHRAE晴空模型和高原計算參數，利用ANSYS軟件，采用板殼單元建立典型箱型單桿件的有限元計算模型。模型中的箱型桿件長2 m，截面尺寸為300 mm×16 mm，桿件南北水平放置。在有限元模型中，使用SHELL131單元模擬熱傳導，兩層SURF152單元分別模擬輻射和對流。該箱型桿件的導熱系數為49.8W/（m·℃），比熱為480 J/（kg·℃），太陽常數為1 336 W/m2，太陽輻射吸收系數為0.55，計算典型箱型桿件在最高氣溫日（接近夏至日）的溫度場。

3.2 整體結構日照溫度應力模型建立

將ANSYS中的單桿件日照非均勻溫度場計算結果中的最高日照溫度值導入MIDAS整體模型中來研究高原地區大跨度空間鋼結構的日照溫度應力分布情況。MIDAS整體模型采用梁單元建模，利用單元溫度荷載施加均勻升溫，約束情況如圖3所示。模型中的初始溫度一般為結構合龍時的溫度，且接近年平均氣溫，拉薩高原地區近49年的年平均氣溫為8.5℃[24-25]，MIDAS整體模型中的初始溫度取10℃。

圖3 MI DAS整體模型約束情況（單位：mm）

4 箱型桿件日照溫度場計算結果

基于ASHRAE晴空模型與拉薩高原地區的地理位置、氣溫、太陽常數以及空氣清潔度等參數，高原地區箱型桿件日照非均勻溫度場如圖4所示。

從圖4中可看出，早上8:00太陽位于箱型桿件的東側，桿件東側迎光面上產生非均勻的溫度場，最高溫度為34.4℃，背陽面最低溫度為18.1℃；正午14:00，氣溫升高、太陽輻照強度增大，迎光面位于箱型桿件的頂面，桿件最高溫度65.5℃，背陽面桿件最低溫度為28.6℃，桿件迎光面與背陽面的溫差達到最大值36.9℃；下午17:00，氣溫達到最高值30.8℃，迎光面逐漸從頂面向西側面移動，桿件最高溫度為58.2℃，背陽面桿件最低溫度30.8℃；日落20:00，氣溫和輻照強度均下降，迎光面在桿件西側，桿件最高溫度為44.9℃，背陽面桿件最低溫度28.6℃。箱型桿件的日照溫度場具有明顯的非均勻和時變性，箱型桿件最高溫度與時間的關系如圖5所示。

圖4 典型時刻日照溫度場分布

從圖5中可看出，太陽輻照作用下箱型桿件在15:00達到最高溫度65.6℃，滯后于太陽輻照強度最高時刻約1 h，大跨度空間鋼結構設計應考慮太陽輻照下構件的最高溫度。在14:00，箱型桿件迎光面溫度與氣溫之差達到最大值37.5℃。上午最高溫度低于下午的最高溫度，12:00～16:00箱型桿件迎光面溫度較高，與背陽面溫差也較大，高原地區的大跨度空間鋼結構應避免在此時段內施工成型。

圖5 桿件最高溫度與氣溫對比圖

5 整體結構日照溫度應力計算結果

根據結構中的典型箱型桿件日照非均勻溫度場計算結果，在MIDAS整體模型中施加65.6℃的均勻溫度荷載，高原地區的大跨度空間鋼結構的日照溫度應力分布如圖6所示。

圖6 整體結構溫度應力分布

從圖6a中可看出，日照極端溫度作用下，大跨度空間鋼結構產生了較大的溫度應力。其中，最大拉應力為168 MPa，發生在花瓶形鋼架底部約束右側，同時左側的壓應力值也達到了200 MPa，出現該應力分布的原因為空間鋼桁架在溫度作用下伸長，在右側支座約束下對花瓶形鋼架產生位移作用，花瓶形鋼架在底部約束下產生較大的溫度應力，如圖6b所示；最大壓應力為219 MPa，發生在整體結構右側豎向腹桿上，從圖6c中可以看出，截面尺寸為60 mm×6 mm和100 mm×8 mm的箱型桿件在支座約束下產生的應力超過了200 MPa，支座間距和桿件尺寸越小，桿件壓應力越大。在大跨度空間鋼結構設計中，應當嚴格控制支座間距，無法增大支座間距時可考慮增大支座處桿件尺寸來提高結構的安全性。通常通過桿件實際應力與屈服應力之比（簡稱桿件應力比）來判斷結構具有的安全性[26]，大跨度空間鋼結構在日照溫度荷載和日照溫度參與的組合荷載作用下的桿件應力比如圖7所示。

圖7 結構桿件應力比

從圖7a中可看出，大跨度空間鋼結構在日照溫度荷載作用下，桿件應力比最大值為0.61，具有明顯的分布規律，即兩邊大中間小，靠近支座的桿件平均應力比是中間桿件的2.6倍，桿件最大應力達到鋼材屈服強度的61%。因此，在大跨度空間鋼結構工程設計中應當重視太陽輻照引起的溫度應力；從圖7b中可看出，大跨度空間鋼結構在自重、日照溫度以及花瓶形鋼架外側風載組成的荷載組合作用下，最大桿件應力比為0.73，出現在曲線鋼桁架與花瓶形鋼架連接處，小于規范規定的0.90，在工程設計中應考慮局部加強，提高整體結構安全性。組合荷載作用下，最大桿件應力已達到鋼材屈服強度的73%，這說明，極端太陽輻照下的溫度組合荷載在工程設計中應當按控制荷載考慮。

6 結論

基于ASHRAE晴空模型和高原計算參數，對大跨度空間鋼結構中的典型箱型桿件進行日照非均勻溫度場數值分析，將日照溫度場計算結果導入MIDAS整體模型中進行日照溫度應力研究，獲得下列結論。

1）極端太陽輻照作用下，箱型桿件的溫度分布具有明顯的非均勻性和時變性，桿件最高溫度為65.6℃，出現在15:00，滯后于輻照強度最高時刻約1 h。

2）箱型桿件表面溫度與氣溫的最大差值為37.5℃，發生在14:00。為減小日照溫差對結構的不利影響，大跨度空間鋼結構應當避免在14:00前后2 h內施工成型。

3）大跨度空間鋼結構在日照溫度荷載下的溫度具有一定的分布規律，即支座處的桿件產生了較大的應力，最大拉應力值為168 MPa，最大壓應力值為219 MPa，達到鋼材屈服強度的61%，在工程設計中，應當嚴格控制支座間距以及桿件尺寸，保證結構具有足夠的安全性。

4）大跨度空間鋼結構在日照溫度參與的組合荷載作用下，最大桿件應力比為0.73，結構具有一定的安全儲備。日照溫度組合荷載下，最大桿件應力比均大于0.5，太陽輻照引起的溫度應力不可忽視，日照溫度參與的荷載組合在工程設計中應當按控制荷載考慮。