索屋顶结构温度效应分析及合理张拉温度研究

索屋顶结构温度效应分析及合理张拉温度研究

0张拉预应力度和张拉控制温度忽视预测空间结构对大倾角结构的温度影响。如果结构温度改变，其所有部分都会随着温度的上升或降低而增加或收缩。由于结构边界约束和各个构件之间相互制约,导致膨胀或收缩并不能自由地发展,即产生温度应力。在某些超静定结构体系中,温度应力可以达到甚至超出活载作用下的应力,带有温度作用的荷载组合有的已经成为结构设计的控制组合。预应力结构在施工阶段暴露于室外,整个结构受温度变化影响明显。根据已建工程的测试结果,考虑温差±25℃时,有30～50MPa的预应力变化,所以温度改变引起的预应力变化不容忽视。在使用阶段,温度变化将在结构中引起一定的内力和变形,由此引起的结构响应对结构的稳定性也会产生一定影响。索穹顶结构是几何柔性体系,由预应力提供刚度,没有预应力就不能成为结构。合理的预应力度是索穹顶结构几何体系成形,保证结构整体安全的最重要因素之一。当初始预应力和温度同时作用于索穹顶时,将对结构产生较大影响。一方面,为了保证结构预应力索在任何环境条件下都不松弛,就必须考虑结构在整个使用期限内可能的温度改变引起预应力水平的改变,既不由于温度改变使结构的应力过大,也不能使索中的预应力变得过小。另一方面,温度作用在结构中产生的节点位移不可忽视,过大的变形将导致非结构构件的提前破坏和结构的失效。所以,合理的张拉预应力度和张拉控制温度对结构正常使用阶段的各项工作性能起到至关重要的作用。为了保证结构设计的安全性,温度因素在预应力设计阶段和荷载作用下的分析阶段都需要考虑,本文针对内蒙古伊旗全民健身体育中心屋顶大跨度索穹顶结构进行温度效应分析,为工程设计提供依据。1模型结构的选取从结构设计中提取有限元分析模型如图1、2所示,大跨度索穹顶结构计算模型跨度71.2m,矢高5.5m,矢跨比1/13,环向20等分,共设2道环索,中心设置拉力环,由内到外三圈撑杆的高度分别为:5.3m、5.8m、6.8m,撑杆与索的连接点为铰接,整个结构固定铰支于边缘刚性环梁上。钢管、索的弹性模量分别为2.06×105N/mm2、1.92×105N/mm2,钢管、索的线膨胀系数均为1.4×10-5。结构的详细参数见文献。采用ANSYS程序单元库中的LINK8单元模拟撑杆,LINK10单元模拟索,索预应力采用施加温度荷载模拟。该结构建于内蒙古鄂尔多斯地区,鄂尔多斯属于典型的温带大陆性气候,季节气温变化较大,冬季严寒漫长,夏季炎热短暂,昼夜温差大,年平均气温7.1～7.4℃。根据鄂尔多斯地区近50年温度统计数据,多年极端最高气温为40.2℃,出现于1975年7月6日;多年极端最低气温为-34.5℃,出现于1971年1月22日;且30年一遇最低气温为-41℃。环境温度与构件本身温度关系密切,但并不等同。对于一般的钢结构,通常在计算温度应力时所考虑的温度场为均匀温度场,即仅考虑年温差的影响。年温差的取值根据当地的气候条件、实际保温隔热构造的设计、具体的工艺及特殊需要确定。此外,钢结构构件在夜间的温度与气温比较接近,故取最低温度为-50℃;在白天除了随气温不断变化外,日光照射将引起构件温度显著升高。通常,钢材表面温度要比气温高2～3℃,如果在阳光直射下,钢材表面温度比气温高8～12℃。所以外露结构的温度可达50℃,为了充分满足实际要求,取最高温度为60℃。因此,本文考虑构件温度变化范围为-50～60℃。选取的温度场为均匀温度场,并综合考虑年温差和日照温差的影响。2不同变化量的张拉控制温度响应分析根据构件温度变化范围-50～60℃,以每10℃为一变化量,以0℃为张拉控制温度,对该结构进行温度响应分析。为便于分析,规定该结构的对称中心为原点,在A-A轴线上原点以左为负值,原点以右为正值,如图3所示。2.1结构的竖向位移通过对脊索、环索、斜索及撑杆施加温度荷载,进行节点位移分析。由于结构及荷载的对称性,取图3中A-A轴线上的构件为代表,考察各节点的位移情况,该轴线上各节点编号如图4所示。不同温度下A-A轴线上节点竖向位移的变化情况如图5、6所示。由图5、6可以看出,随着温度的变化,沿结构竖向的节点位移比较大,节点位移以结构形心为中心呈中心对称状。总体上,节点位移对温度升高更为敏感,对结构施加正温度作用时,随着温度的不断升高,结构的竖向位移愈加明显。当结构温度达到60℃时,竖向位移可达0.28m,约为结构跨度的1/254,矢高的1/20。当对结构施加负温度作用时,结构竖向出现轻微的起拱现象,温度越低,起拱越明显,这与张拉成形时的控制温度密切相关,当温度达到-50℃时,出现最大起拱值约为0.05m。因此对于索穹顶这样的预应力大空间钢结构,在张拉成形时选定合理的张拉温度和张拉预应力度对结构服役期间的工作性能有比较重要的影响。结合索穹顶结构节点位移对温度升高更为敏感这一结论,建议选择介于当地平均气温和最高气温之间的环境温度进行结构张拉,有利于该结构在正常使用状态下工作性能的发挥。但是,鉴于施工进度工期等因素的影响,该工程索穹顶结构于11月张拉,考虑此时当地气候条件已处于0℃以下严寒状态,为减少其在后续夏季使用状态下结构变形,故应对初始预应力适当补偿,本文提出适当增大张拉预应力度的建议,并得到设计方的认可和采纳。2.2初始预应力度由于该索穹顶结构对称,故取A-A轴线上所有构件进行研究,具体构件编号如图7所示。经ANSYS软件分析及数据处理,得出变化较明显的JS-1、XS-1、HS-1和CG-1在张拉成形(0℃)时应力分别为432.16MPa、629.87MPa、633.95MPa和-189.49MPa。为便于观察,将不同温度作用下各杆件应力与0℃时各杆件应力相减,得到应力增量,图8分别给出了温度范围-50～60℃时构件应力增量的变化情况。由图8可知,撑杆、脊索、斜索以及环索应力增量随温度改变的变化趋势基本一致,符合热胀冷缩导致的温度升高预应力减小、温度降低预应力增大的规律。对于本工程索穹顶结构,低温阶段杆件应力变化更为明显,当温度达到-50℃时,JS-1、XS-1、HS-1和CG-1应力分别增加58.4%、12.7%、16.1%和10%;在一定范围内随着温度的升高构件中的预应力水平有所降低,但逐渐趋于稳定,当温度达到60℃时,JS-1、XS-1、HS-1和CG-1应力分别降低32.4%、6.3%、7.6%和6.1%。预应力是索穹顶结构成形和抵抗外荷载作用的重要保障,因此在设计张拉预应力度时,应充分考虑到工程拟建地区的气候条件和温度作用对结构正常使用阶段的影响。鉴于本工程张拉时环境温度低于0℃,为了确保结构预应力索夏季正常工作,建议在承载范围内适当增大初始预应力度,以保证结构不会因温度升高导致构件中应力水平的大幅降低。如果张拉温度与下料温度相同,则张拉成形态不必考虑温度作用。假设施工下料温度为15℃,而工程张拉完成温度为-15℃,则与下料温度有30°负温差,则应施加-30°温度作用,计算张拉成形态下外脊索和外斜索内力,按计算结果调整预应力度。3初始预应力水平结构的索力初值一般是由设计单位综合考虑多方因素确定的,能够保证结构合理的综合受力性能。为考察初始预应力对索穹顶结构温度效应的影响,以0℃作为张拉成形温度,设计的初始预应力水平为P,分别考虑1.0P、1.5P、2.0P三种初始预应力水平,在结构其它几何参数、物理参数以及边界条件不变的情况下,对恒荷载+全跨活荷载工况进行分析,并在-50～60℃温度范围内,对比具有代表性的索和撑杆内力、应力,最大节点位移以及支座反力的响应结果。同样,将不同温度作用下各杆件应力与张拉时应力相减,得到应力增量,如图9所示。对于索穹顶结构这种索杆张力体系,结构中索单元的内力会随着预应力水平的增加而增大,在-50～20℃温度作用下,三种预应力水平的应力变化值基本相同,初始预应力水平为1.0P时,预应力随温度的变化率最大。在-50～20℃温度作用下,1.5P、2.0P初始预应力水平的应力图变化趋势一致,而1.0P初始预应力水平的应力曲线呈平直段,可见初始预应力水平为1.5P、2.0P时,杆件内力大,有足够的预应力储备以抵御温度变化带来的预应力损失,但预应力过大会给预应力索增加负担,故设计时选取恰当的初始预应力度十分必要。图10对比了三种初始预应力下,内撑杆竖向位移随温度变化的趋势,由图可知,1.5P和2.0P初始预应力水平下,索穹顶结构随温度变化的竖向位移基本呈线性变化,且位移非常微小。而设计初始预应力水平下,-50～20℃三条曲线基本重合,即位移大小基本一致,当温度在20℃以上变化时,结构竖向位移明显增大,当温度达到60℃时,竖向位移达到267mm,相当于矢高的4.8%。由此可见,预应力水平在温度降低时对温度的敏感程度基本一致,温度升高,导致预应力损失。故应提高初始预应力水平,使其有足够的预应力储备以抵御温度变化带来的预应力损失,减小结构位移。对于索穹顶这种索杆张力体系,结构中索单元的内力会随着预应力的增大而增大,这必然会导致支座反力的增大,图11对比了三种初始预应力水平下支座反力随温度变化的趋势。在-50～60℃温度作用下,1.5P、2.0P初始预应力水平下支座反力呈直线变化;初始预应力水平为1.0P(即设计初始预应力水平)时,在-50～20℃温度作用下支座反力增量呈直线变化,且与另外两条线平行,在20～60℃温度变化时曲线平直。增大初始预应力,是提高预应力索内力的最直接手段,同时可使结构的刚度更好。以上规律表明,初始预应力水平提高,可使结构中的预应力索有足够的预应力储备以抵御温度变化带来的预应力损失,同时可减小结构位移;但预应力过大又会给预应力索增加负担,因此,在保证结构正常工作的前提下,适当提高结构初始预应力水平可改善结构的静力性能。针对结构设计,建议高温地区的索穹顶建筑应适当提高初始预应力水平,以抵抗升温引起的位移。同时初始预应力水平的选取应结合下部结构的具体形式,下部结构不同形式和不同组成材料,所能承受的支座反力不同,在能够保证建筑功能和结构安全的条件下,设计应综合考虑索穹顶结构的初始预应力水平和下部结构形式。4外脊索、外斜索、麻黄以及外撑杆应力本文分析了大跨度索穹顶结构在-50～60℃温度作用下的节点位移和构件应力变化规律,得到如下主要结论:(1)温度作用对大跨度索穹顶结构外圈索和撑杆的应力的影响不可忽略,以0℃作为张拉成形基准温度,当温度达到-50℃时,外脊索、外斜索、外环索以及外撑杆的应力增加达58.4%、12.7%、16.1%和10%;当温度达到60℃时,外脊索、外斜索