吳雨航 趙銳，2* 翟冬亮 楊洲 胡俊捷 黃思雨

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院;2.新疆建筑結(jié)構(gòu)與抗震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆烏魯木齊 830017)

溫度作用對鋼結(jié)構(gòu)的影響一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，2012 年李惠與周峰[1]在對國家游泳中心鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工卸載過程及運(yùn)營期間長期健康監(jiān)測時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著季節(jié)的變化，結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間溫度是主要的控制荷載，由于結(jié)構(gòu)上部有屋蓋保護(hù)，使得屋蓋內(nèi)空腔與外界環(huán)境溫差較大；2017 年陳德坤[2]對型鋼構(gòu)件日照非均勻溫度場及其效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了由非均勻溫度場引起的日照彎曲應(yīng)力概念；2018 年仝曉莉和陳志華[3]結(jié)合于家堡火車站站房屋蓋這一雙螺旋空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工過程中的數(shù)值模擬，分析安裝溫度對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，提出了在有限元軟件中精確考慮構(gòu)件安裝溫度的方法；李德和曹平周[4]對江蘇大劇院音樂廳鋼屋蓋進(jìn)行了溫度效應(yīng)分析，分析了不同環(huán)境溫度下施工合攏溫度的選取對結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及支座反力的影響；2021 年游穎和張澤濤[5]以武漢市國家網(wǎng)絡(luò)安全與人才創(chuàng)新基地展示中心鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為對象，基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了鋼結(jié)構(gòu)在露天施工條件下縱、橫向的溫度分布規(guī)律，并提出可采用分層溫度計(jì)算法計(jì)算施工過程溫度效應(yīng)。2022年劉毛方和孟磊[6]以天長市全民健身中心體育場項(xiàng)目為研究背景，給出了減少結(jié)構(gòu)裂縫的設(shè)計(jì)和施工措施。

從以上研究成果上來看，對于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以進(jìn)一步進(jìn)行定量分析。該文以新疆大學(xué)博達(dá)校區(qū)圖書館為背景工程，用有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil 對結(jié)構(gòu)中一大跨度鋼梁進(jìn)行溫度效應(yīng)分析，探究施工過程中溫度作用對結(jié)構(gòu)安全性的影響，分析大跨度鋼梁對環(huán)境溫度變化的敏感程度，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證研究方法可行性。其研究成果可為類似鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的溫度效應(yīng)分析提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 建立有限元模型

新疆大學(xué)博達(dá)校區(qū)圖書館為鋼框架結(jié)構(gòu)，由鋼柱和鋼梁組成，選取結(jié)構(gòu)中最大一跨H型鋼梁進(jìn)行分析，鋼梁基本參數(shù)為：H1800×550×32×44（mm），長度為30.6 m，Q355B 材質(zhì)，兩端固定約束，利用MIDAS/Civil建立鋼梁的有限元模型，如圖1所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)間距為0.6 m，共52個(gè)節(jié)點(diǎn)，51個(gè)單元。

圖1 鋼梁有限元模型

1.2 加載及應(yīng)力分析

有限元分析中主要考慮施工恒載、施工活載與溫度作用。施工恒載主要為結(jié)構(gòu)自重以及為施工安全與施工方便設(shè)置的臨時(shí)通道與各類附件；施工活載為施工工程中工人與施工機(jī)具重量；溫度作用主要是按±30 ℃考慮。在分析中假定上部結(jié)構(gòu)對下部結(jié)構(gòu)無影響、結(jié)構(gòu)柱不發(fā)生位移，僅溫度均勻作用（不考慮日照與驟然溫度變化）。通過調(diào)整分項(xiàng)系數(shù)與荷載組合值系數(shù)來模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)可能承受的荷載組合[7]。共討論7 種荷載組合工況，采用MIDAS/Civil 對構(gòu)件進(jìn)行不同工況下的應(yīng)力分析，荷載組合工況及分析得到的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值如表1所示。

表1 各荷載組合工況及得到的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值

從表1 中可以看出，構(gòu)件在工況一至工況三無溫度組合下應(yīng)力值較小，其中恒載控制下應(yīng)力值最大，變形控制下應(yīng)力值最小；工況四至工況七有溫度組合下的應(yīng)力值明顯大于無溫度工況組合，說明溫度變化對大跨度結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件影響較大。另外，在工況四和工況六組合下，升溫30 ℃時(shí)應(yīng)力值明顯增大，在工況五和工況七降溫30 ℃時(shí)，應(yīng)力值增大幅度較小，說明構(gòu)件對升溫情況要比降溫情況更加敏感。

1.3 溫度應(yīng)力響應(yīng)程度

為了定量分析溫度作用對結(jié)構(gòu)的影響程度，這里引入?yún)?shù)A作為表征結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)的響應(yīng)程度，A的物理意義為溫度變化時(shí)溫差引起的應(yīng)力改變對于結(jié)構(gòu)自重下的應(yīng)力變化率，A被命名為溫度應(yīng)力響應(yīng)程度。A的絕對值越大說明結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)的響應(yīng)越大。其中A的計(jì)算方法如式（1）所示。

式（1）中：Am,T為溫差為T時(shí)構(gòu)件最大溫度應(yīng)力相對于自重條件下應(yīng)力的變化率；σm,T為溫度為T時(shí)構(gòu)件最大彎曲應(yīng)力；σm,0為自重條件下構(gòu)件最大彎曲應(yīng)力。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范可知：烏魯木齊最低溫為-23 ℃，最高溫為+32℃，故給構(gòu)件在-30 ℃～+30 ℃區(qū)間施加溫度作用，經(jīng)計(jì)算，得到溫度線性系數(shù)為0.27 MPa/℃，即溫度每升降1 ℃應(yīng)力改變0.27 MPa。經(jīng)式（1）計(jì)算，得到A值與溫差之間的關(guān)系曲線，具體情況見表2。

表2 溫度應(yīng)力響應(yīng)程度與溫差的關(guān)系

從表2 可以看出，溫度變化引起構(gòu)件應(yīng)力大幅增長，溫度增高40 ℃時(shí)，溫度應(yīng)力響應(yīng)程度達(dá)到了0.969，應(yīng)力值增量比初值翻了近1倍。同樣的30 ℃溫差變化，+30 ℃溫度應(yīng)力響應(yīng)程度為0.806，而-30 ℃溫度應(yīng)力響應(yīng)程度為0.665，升溫應(yīng)力響應(yīng)程度相比于降溫應(yīng)力響應(yīng)程度大0.141，這說明升溫作用對結(jié)構(gòu)的影響比降溫作用更加強(qiáng)烈。

2 溫度應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測及分析

2.1 監(jiān)測方案

為驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)論，采用JM-212HAT 振弦式應(yīng)變計(jì)對結(jié)構(gòu)主梁進(jìn)行溫度及應(yīng)力監(jiān)測，采樣周期為20 min。為避免日照對結(jié)構(gòu)造成局部升溫產(chǎn)生局部應(yīng)力，選擇在23∶00 到次日6∶00 進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。溫度應(yīng)力采樣點(diǎn)布置在4 層（共5 層）跨中梁底，這樣可以最大限度減小梁端柱的橫向位移對監(jiān)測結(jié)果的影響。測點(diǎn)具體見圖2。

圖2 振弦式應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)

2.2 應(yīng)力-溫度曲線

運(yùn)用溫度及應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到鋼梁測點(diǎn)的應(yīng)力-溫度曲線，具體見圖3。從圖中監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過線性擬合后得到一次函數(shù)斜率的物理意義為單位溫度變化時(shí)構(gòu)件的表面應(yīng)力變化量，該構(gòu)件溫度線性系數(shù)為0.29 MPa/℃，與1.3 節(jié)有限元分析得到的溫度線性系數(shù)0.27 MPa/℃相比，誤差為7.4%，在容許誤差范圍內(nèi)。實(shí)測值比理論值略大，其主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在白天受日照與晝夜溫差作用后結(jié)構(gòu)受非均勻溫度場作用，在測試時(shí)還未完全恢復(fù)到均勻溫度狀態(tài)造成的。

圖3 鋼梁表面應(yīng)力-溫度關(guān)系曲線

2.3 相關(guān)性分析

為判斷實(shí)測數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果的有效性，取315個(gè)溫度與對應(yīng)應(yīng)力的數(shù)據(jù)作為擬合方程相關(guān)性分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行回歸分析，結(jié)果具體見表3。

表3 回歸分析結(jié)果

從表3 中可知，應(yīng)力與溫度的相關(guān)系數(shù)為0.653，說明應(yīng)力和溫度具有一定相關(guān)性；標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.458，可能因?yàn)閿?shù)據(jù)采集原因，擬合程度不算很高；顯著統(tǒng)計(jì)量的P值為9.68E-40，小于0.05，通過F檢驗(yàn)，整體回歸有效。

以新疆大學(xué)博達(dá)校區(qū)圖書館第四層大跨度鋼梁為研究對象，利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測兩種方法分析了施工期間結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，得到以下結(jié)論。

（1）建立約束鋼梁的有限元模型，通過對7種不同荷載工況下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析得出：溫度變化對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大，尤其是升溫情況。（2）為進(jìn)一步說明升溫時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化比降溫時(shí)更敏感，通過引入溫度應(yīng)力響應(yīng)程度這一參數(shù)，定量分析溫度應(yīng)力相對于自重應(yīng)力的改變幅度。（3）通過對測得的溫度應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合及相關(guān)性分析，得到溫度線性系數(shù)為0.29 MPa/℃，與有限元分析得到的理論值相比，誤差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。（4）實(shí)測值較理論值偏大，分析認(rèn)為誤差的產(chǎn)生為鋼構(gòu)件未完全恢復(fù)到均勻溫度狀態(tài)所致，結(jié)果偏大是由于白天的日照與晝夜溫度作用會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非均勻應(yīng)力分布，使得結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜所致。