趙 銳 劉 清 王?；?馬國杰

(1.新疆大學建筑工程學院, 烏魯木齊 830047; 2.新疆建筑結(jié)構(gòu)與抗震重點實驗室, 烏魯木齊 830047;3.中國二十二冶集團新疆分公司, 烏魯木齊 830011)

0 引 言

大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)高、結(jié)構(gòu)剛度大,溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響不可忽視。溫度變化作為一種間接作用,在結(jié)構(gòu)設計中應予以考慮。在不同自然環(huán)境下,溫度對結(jié)構(gòu)的作用是不同的,主要可分為3種:年溫差作用、日溫差作用及驟然降溫作用。目前,對大型鋼結(jié)構(gòu)建筑進行結(jié)構(gòu)設計時,僅考慮因年溫差變化引起的均勻溫度場對結(jié)構(gòu)的影響[1],2008年肖星星對多跨長連橋進行年溫差作用下的結(jié)構(gòu)溫度響應研究發(fā)現(xiàn),在我國冬夏分明的溫帶地區(qū),在年溫差作用下,升溫造成的橋端長度改變量為64.8 mm,降溫造成的橋端長度改變量為35.1 mm[2]。2009年楊江朋利用BSAS軟件對某連續(xù)剛構(gòu)橋進行了數(shù)值仿真研究并對結(jié)構(gòu)在不同溫度作用條件下的溫度應力進行系統(tǒng)性分析[3],其中,年溫差對橋截面的應力影響較大、晝夜溫差對各T型剛構(gòu)前端撓度影響比較大。日照輻射作用下結(jié)構(gòu)的溫度場分布及溫度效應是目前研究的熱點,尤其對于大跨鋼結(jié)構(gòu),如金曉飛等曾利用數(shù)值分析方法對南京南站的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進行了日照溫度場作用下的位移分析[4],獲得了屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各部位、各時刻的位移大小及分布規(guī)律,并針對大跨度屋蓋給出了施工合攏溫度的建議取值。陳建穩(wěn)等采用ASHRAE 太陽輻射模型對大尺寸矩形構(gòu)件的日照溫度場分布規(guī)律進行分析[5],給出了不同輻射吸收率、不同空間方位時構(gòu)件溫度場的變化規(guī)律。驟然降溫作用在地球自然氣象環(huán)境下并不罕見,目前,盡管已經(jīng)有過若干結(jié)構(gòu)破壞事故被確認是由于這種驟然降溫作用造成的,比如鄂爾多斯那達慕大會主會場鋼結(jié)構(gòu)于2010年12月15日13:35的塌落事件,經(jīng)專家鑒定,其主要原因就是帶有較大施工缺陷的鋼結(jié)構(gòu)遭遇溫度驟降后,鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大伸縮而發(fā)生垮塌[6],但這方面的研究不多。對結(jié)構(gòu)進行溫度效應分析前,首先應明確溫度作用的取值,由于地理位置對自然氣象條件有較大影響,因此,以烏魯木齊高鐵站鋼屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為依托工程,結(jié)合烏魯木齊的氣象數(shù)據(jù),討論3種溫度作用進行結(jié)構(gòu)分析時的取值方法,并應用到結(jié)構(gòu)上進行溫度效應分析,為后期結(jié)構(gòu)的設計及施工提供基礎資料。

1 工程概況

烏魯木齊站由主站房和雨棚兩部分組成,主站房鋼屋蓋為多點支承的正交正放焊接球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu),長度為343 m,寬度為254 m,網(wǎng)架高度為3.3～4.8 m,網(wǎng)格尺寸為5.0～6.0 m,屋蓋最高點標高為40.204 m,檐口標高為17.450 m;屋蓋采光天窗處桿件抽空,中間部位設有伸縮縫,支座采用抗震球形支座,下部為混凝土框架結(jié)構(gòu)。其整體鳥瞰圖、結(jié)構(gòu)平面如圖1和圖2所示。

圖1 烏魯木齊站整體鳥瞰圖

①～為分區(qū)號。

2 數(shù)值仿真模型的建立

2.1 流場分析模型

為得到結(jié)構(gòu)外輪廓的溫度場分布情況,在Workbench的Fluent中需首先建立烏魯木齊站鋼屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的流場分析三維模型,即固體域。計算域的邊界設置離固體域足夠遠,長度和寬度均為固體域的11倍,高度為固體域的6倍,即長度為55 125 m,寬度為2 794 m,高度為241 m,計算得到阻塞率=建筑物最大迎風面積/計算域面積=1.6%,滿足JGJ/T 338—2014《建筑工程風洞試驗方法標準》[7]小于3%的規(guī)定,所以計算域的選取范圍是合適的。固體域設置在計算域長度的1/4位置、寬度的1/2位置處,距離速度入口邊界1 715 m,并置于地面上。利用Fluent Meshing對模型進行網(wǎng)格劃分,用曲率和彎斜度來控制網(wǎng)格質(zhì)量,網(wǎng)格各節(jié)點之間的最小距離設為3 m,增長率設為1.14。固體域及計算域示意如圖3所示,其中,體網(wǎng)格選用poly網(wǎng)格,計算域的網(wǎng)格數(shù)量為115 794個,彎斜度為0.699。

a—固體域;b—計算域。

圖3a中y軸為南北橫軌向,x軸為東西順軌向。速度入口為南面(y軸正向),壓力出口為北面(y軸負向)。流場的邊界條件和材料參數(shù)設置如表1和表2所列。地表物體產(chǎn)生的熱量主要使用P-1模型、晴空模型和太陽輻射追蹤來確定,軟件會根據(jù)計算的時間與位置等信息自動加載太陽輻射強度。采用simple算法進行壓力-速度耦合問題的求解,其中,壓力松弛因子與能量松弛因子分別設為0.3、0.87,離散格式選擇體積力加權(quán)格式。

表1 邊界條件參數(shù)設置

表2 材料參數(shù)設置

2.2 結(jié)構(gòu)有限元模型

為對結(jié)構(gòu)進行溫度作用下的流固耦合分析,需利用 MIDAS首先建立烏魯木齊站鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的有限元模型。由于結(jié)構(gòu)具有對稱性,可只分析1/2網(wǎng)架,各桿件為梁單元,上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和柱子連接處采用鉸接支座,有限元模型如圖4所示。桿件均為Q345圓鋼管,材料參數(shù)為:密度7 860 kg/m3,彈性模量206 GPa,泊松比0.3,線膨脹系數(shù)14.8×10-6/℃,截面規(guī)格有8種,分別為φ127×6、φ140×7、φ102×5、φ152×7、φ299×14、φ350×22、φ219×12、φ114×5.5。模型中單元數(shù)為21 795個,節(jié)點數(shù)為5 498個。

圖4 烏魯木齊站1/2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型

3 溫度作用的取值方法

GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]第9.2.2條規(guī)定,對金屬結(jié)構(gòu)等對氣溫變化較敏感的結(jié)構(gòu),宜考慮極端氣溫的影響。因此,以下主要討論烏魯木齊站鋼屋蓋年溫差、日溫差和驟然降溫溫差三種溫度作用極端值的取值方法。

3.1 年溫差作用

對結(jié)構(gòu)進行年溫差作用下的溫度效應分析時通常將溫度場視為均勻溫度場[8]。極端年升Δtk1、降溫溫差Δtk2的計算公式分別為:

Δtk1=ts,max-t0

(1a)

Δtk2=t0,min-t0

(1b)

式中:ts,max、t0,min分別為結(jié)構(gòu)所在地的最高氣溫和最低氣溫;t0為結(jié)構(gòu)的合龍溫度。根據(jù)烏魯木齊1971—2019年的氣象資料可知,烏魯木齊的最高氣溫為40.9 ℃,最低氣溫為-30 ℃;結(jié)構(gòu)在施工監(jiān)測期實測的合龍溫度為20 ℃。由此可得:結(jié)構(gòu)的極端年升溫溫差為20.9 ℃,極端年降溫溫差為-50 ℃。

3.2 日溫差作用

烏魯木齊位于亞洲地理中心,是典型的溫帶大陸性氣候,具有太陽輻射強、風大的氣候特點,這對大跨空間結(jié)構(gòu)的溫度場分布有較大影響,從烏魯木齊氣象局查詢到的近10年的氣象資料可知,以6月22日夏至日為例,烏魯木齊近10年六月風速分布及風向玫瑰圖如圖5和圖6所示。

圖5 烏魯木齊風速分布

圖6 烏魯木齊風向玫瑰圖 m/s

從圖5、圖6中可以看出,烏魯木齊六月風速的最大頻數(shù)出現(xiàn)在20 m/s位置,風向角約為300°時風向角的密集度最高。所以對烏魯木齊站屋蓋結(jié)構(gòu)進行夏至日溫度作用計算時,風速取20 m/s、風向角取300°。由于烏魯木齊站位于城市郊區(qū),按照地面粗糙度分類標準應該取為B類。烏魯木齊的地理位置為北緯 87°32′,東經(jīng) 43°51′,一天中北京時間14:00為正午,氣溫最高?；谝陨蠀?shù),利用Workbench的Fluent對結(jié)構(gòu)進行流場分析,得到結(jié)構(gòu)14:00的溫度場分布云圖,如圖7所示。

圖7 烏魯木齊站屋蓋溫度場分布云圖 ℃

在日溫差作用下,結(jié)構(gòu)的極端日升溫溫差即為屋蓋的最不利溫度與結(jié)構(gòu)的合攏溫度之差。從圖7可以看出,烏魯木齊站屋蓋表面溫度最大值在屋蓋西北處,為50.7 ℃,結(jié)構(gòu)合攏溫度為20 ℃,由此可知,結(jié)構(gòu)在日溫差作用下的極端日升溫溫差為30.7 ℃。

3.3 驟然降溫作用

驟然降溫作用是指由于強冷空氣入侵或日落突然降溫引起的溫度變化,一般可變化十幾度[9],因此將其值假定為-18 ℃。烏魯木齊年冬季平均空氣最低氣溫為-7 ℃,將其設為結(jié)構(gòu)初始環(huán)境溫度。用MIDAS對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行溫差作用下的軸力分析,找到拉(或壓)力絕對值最大的桿件,即最敏感的桿件,該桿件規(guī)格為φ127×6、長3.95 m的Q345鋼管,兩端簡支,在Workbench環(huán)境下利用瞬態(tài)熱分析模塊對其進行瞬態(tài)溫度場分析,自然對流時空氣的對流系數(shù)取為5。對于環(huán)境溫度,在1 h內(nèi)以10 min為時間間隔選取4種不同的降溫路徑,如圖8所示;瞬態(tài)熱分析后得到不同降溫路徑下結(jié)構(gòu)表面的溫度值,如圖9所示。

驟然降溫作用下屋蓋最不利的溫度與結(jié)構(gòu)使用階段的合龍溫度之差,即為極端驟然降溫溫差。從圖8和圖9中可知,結(jié)構(gòu)的最不利溫度與降溫路徑有關,具體表現(xiàn)為:在結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的降溫幅值相同、降溫路徑不同的情況下,結(jié)構(gòu)表面的構(gòu)件溫度也會不同。在驟然降溫情況下,線性降溫比非線性降溫對構(gòu)件表面溫度值改變量更大,在線性降溫路徑4中降溫速率為-3 ℃/10 min,結(jié)構(gòu)表面溫度降溫幅值最大,為-13.26 ℃,此時桿件在冷空氣中的溫度為-20.26 ℃,與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的合攏溫度(20 ℃)差值為-40.26 ℃,故極端驟然降溫溫差為-40.26 ℃。

4 最不利工況的確定

為確定結(jié)構(gòu)不同溫度作用下的最不利工況,需基于以上不同溫度作用的取值,利用MIDAS對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行不同溫度作用下的結(jié)構(gòu)響應分析。表3為結(jié)構(gòu)不同溫度作用下的最大位移值、最大拉應力和最大壓應力值。圖10為極端年升溫溫差作用下的結(jié)構(gòu)響應分布。由于4種溫差作用下結(jié)構(gòu)的極端響應位置基本相同,所以圖10只列舉了一種溫差作用下的結(jié)構(gòu)響應分布。

a—最大位移分布,mm; b—最大應力分布,MPa。

4.1 位移分析

從表3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的升溫工況中可以看出:在位移方面,該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在日升溫作用下的最大位移比年升溫作用下的最大位移提高了31.1%;年降溫作用下的最大位移比日降溫作用(驟然降溫)下最大位移提高19.1%。因此,應將極端日升溫溫差作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大的升溫工況,年降溫溫差作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大的降溫工況。

4.2 應力分析

從圖10及圖2中可以看出:在構(gòu)件應力方面,各類工況下的應力最值出現(xiàn)位置基本相同,以升溫溫差圖10為例,拉應力最大值出現(xiàn)在長度方向的軸～軸之間,離軸為10.4 m、寬度方向的軸～軸之間,離軸為10.1 m;壓應力最大值出現(xiàn)在長度方向的軸～?軸之間,離軸為13.6 m、寬度方向的軸～軸之間,離軸為4.2 m。降溫溫差作用下應力最大值和最小值的位置剛好相反。從表3中可以看出,極端日升溫溫差作用下梁單元的壓應力達到了Q345鋼屈服強度一半以上,且極端日升溫溫差作用下梁單元的壓應力比極端年升溫溫差作用下的壓應力增長了31.9%,故應將極端日升溫溫差作為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大的升溫工況。極端年降溫溫差作用下梁單元的拉應力和極端驟然降溫溫差作用下的拉應力接近或超過了Q345鋼的屈服強度,說明這個構(gòu)件的區(qū)域在施工和使用階段需要做好保溫隔熱措施,應該將極端年降溫溫差作為溫度設計時的降溫工況[10]。

5 實測驗證

該工程施工采用分步分塊整體提升工藝,結(jié)構(gòu)被分為18個區(qū),如圖2所示,應力溫度監(jiān)測點共布置182個,其中上弦桿55個,腹桿46個,下弦桿81個。傳感器采用振弦式表面應變計,可以同時測讀應力和溫度兩個參數(shù),實景如圖11所示。由于結(jié)構(gòu)較大,以①區(qū)22:00時SX1-2上弦桿、FG1-1腹桿、SX1-3上弦桿、XX1-9下弦桿四個具有代表性的測點的一周監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)相對比,驗證有限元分析的準確性。測點布置如圖12所示。

圖11 傳感器現(xiàn)場照片(紅色為傳感器外部帶有保護盒)

1～10為測點。

利用MIDAS對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行有限元分析,基于氣象數(shù)據(jù)對7月2—8日不同溫度作用下的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬,提取4個測點22:00時對應溫度下的應力值,與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,其誤差如圖13所示?？梢钥闯?SX1-2上弦桿、FG1-1腹桿、SX1-3上弦桿和XX1-9下弦桿4個測點的應力監(jiān)測值與模擬值之間的誤差在2%～14%之間,誤差波動較大,主要有以下幾點原因:1)有限元模擬時施加的是通過熱傳導產(chǎn)生的均勻溫度場,而實際工程雖是采集22:00時的溫度,但不排除熱對流和熱輻射產(chǎn)生的非均勻溫度場對結(jié)構(gòu)的影響,這是導致結(jié)構(gòu)應力產(chǎn)生誤差的原因之一。2)按圖紙建立的有限元模型與實際工程存在一定的誤差,這在施工中是不可避免的。因此,對一周內(nèi)的應力誤差取平均值,SX1-2、FG1-1、SX1-3和XX1-9四個測點的應力誤差平均值分別為8.9%、8.4%、8.6%和8.5%,均在誤差允許范圍內(nèi),所以利用MIDAS對結(jié)構(gòu)進行溫度效應分析是可行的。

6 結(jié)束語

自然環(huán)境下的溫度作用主要有年溫差作用、日溫差作用和驟然降溫作用三種類型,本文依據(jù)烏魯木齊氣象資料及理論分析結(jié)果,分別確定3種溫度作用的取值,明確結(jié)構(gòu)的輸入荷載,進而分析烏魯木齊站鋼屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的溫度效應,并用實測數(shù)據(jù)進行驗證,得出結(jié)論如下:

1)依據(jù)烏魯木齊近50年的氣象資料得出:烏魯木齊地區(qū)歷史年極端最高溫度為40.9 ℃,歷史年極端最低溫度為-30 ℃。結(jié)合結(jié)構(gòu)實測的合龍溫度,提出烏魯木齊地區(qū)大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的年極端升溫溫差和年極端降溫溫差取值。

2)依據(jù)烏魯木齊近10年的氣象資料得出:烏魯木齊六月份最大的頻率風速集中在20 m/s,最大風向角在270°～330°之間。考慮太陽輻射、風速、地面粗糙度和風向角的影響,得出日溫差作用下烏魯木齊站鋼屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的極端日升溫溫差的取值。

3)在結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的降溫幅值相同、降溫路徑不同的情況下,結(jié)構(gòu)表面的構(gòu)件溫度也會不同。在驟然降溫情況下,線性降溫比非線性降溫對構(gòu)件表面溫度值改變量更大。

4)在烏魯木齊站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)溫度效應分析中,確定了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計時極端升溫工況和極端降溫工況的取值,以上3種溫度作用的取值方法及極端升、降溫工況的取值方法可為今后類似工程提供參考。

5)極端溫差作用下,大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)梁單元的拉、壓應力均比較大,在進行結(jié)構(gòu)設計時需要充分考慮溫度變化對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響,結(jié)構(gòu)在施工和使用階段也需要做好保溫措施。