王錦濤，劉宇飛，樊健生，周 勐，聶建國，強(qiáng)安鵬，周照飛

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南，長沙 410075；2.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；3.中交第四公路工程局有限公司，北京 100102)

大跨鋼管桁架結(jié)構(gòu)在施工階段沒有屋蓋遮擋，受太陽輻射等熱源作用產(chǎn)生時變不均勻溫度場分布，相應(yīng)的溫度效應(yīng)為結(jié)構(gòu)拼裝合攏的精度控制帶來不利影響。近年來，鋼桁架結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的研究逐漸成熟。仝曉莉等[1]研究了結(jié)構(gòu)在施工階段中溫度效應(yīng)的影響，并提出了利用有限元軟件準(zhǔn)確模擬構(gòu)件安裝溫度的方法。游穎等[2]分析了施工階段中鋼結(jié)構(gòu)受太陽輻射產(chǎn)生的非均勻溫度分布規(guī)律，利用分層溫度計算法分析結(jié)構(gòu)在施工階段中溫度效應(yīng)。韓似玉[3]通過數(shù)值模擬，得到了結(jié)構(gòu)在施工階段的溫度效應(yīng)分布及變化規(guī)律，最后確定了結(jié)構(gòu)的最佳合攏溫度。

然而，鋼桁架結(jié)構(gòu)的溫度場分布仍存在諸多影響因素：1) 非理想天氣下的日氣溫變化；2) 受氣象信息與地理信息影響的太陽輻射量；3) 桿件在復(fù)雜環(huán)境下的實際吸熱能力與散熱能力；4) 空間桿件之間時變的遮擋作用。

INEICHEN 等[4]根據(jù)長期觀測認(rèn)為，模擬氣溫偏差在很大程度上沒有特別的季節(jié)性影響。岳艷霞等[5]認(rèn)為，天氣的驟變對日最低氣溫中的影響最為明顯。部分學(xué)者也因此提出了模擬氣溫日變化的新方法[6-7]，使得模擬氣溫與實際氣溫的相似度及變化趨勢大致能滿足研究需求。

由日氣溫變化模型可以得到計算太陽輻射量的模型。太陽輻射量計算一般有2 種計算方法[8]：1) 計算瞬時的太陽輻射；2) 計算時段的太陽輻射總量。眾多學(xué)者也據(jù)此總結(jié)并編制了溫度場數(shù)值模擬程序[9-10]，結(jié)合實際進(jìn)行了有限元建模并提出了精確的模擬方法[11]，還對影響結(jié)構(gòu)溫度場的各種因素展開了細(xì)致的研究[12-13]。

同時，實時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展也使得研究更加便利。羅堯治等[14]通過自主開發(fā)的監(jiān)測方法，對均勻溫度場與不均勻溫度場的差異進(jìn)行了討論。PARK 等[15]也證實了基于VWSGs 的長期無線傳感器網(wǎng)絡(luò)評估在建不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)安全的可行性。ZHAO 等[16]也通過長期的現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析，獲得了大跨度ETFE 膜網(wǎng)殼在太陽輻射下的溫度分布和熱性能。

本文以大跨斜腿鋼管桁架結(jié)構(gòu)為背景，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵桿件截面應(yīng)變與鋼材表面溫度進(jìn)行了實時監(jiān)測，結(jié)合實測結(jié)果對文獻(xiàn)[17]的基于地理氣象信息和桿件遮擋作用的結(jié)構(gòu)溫度場分析算法進(jìn)行了參數(shù)修正，得到了準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場的模擬方法與模擬結(jié)果。同時討論了施工階段溫度效應(yīng)對該結(jié)構(gòu)的影響，分析了結(jié)構(gòu)在施工階段的受力作用。

1 非均勻溫度場模擬方法

1.1 非均勻溫度場理論

根據(jù)熱輻射理論，可將到達(dá)大氣層的太陽輻射分為3 部分：1) 直接輻射，即直接到達(dá)地面的能量，占比最高；2) 散射輻射，即經(jīng)過大氣的散射與吸收后到達(dá)地面的能量，占比較小；3) 地面反射，即到達(dá)地表的能量又有部分被反射到大氣中。如圖1 所示。

圖1 太陽輻射示意圖Fig.1 Solar radiation diagram

由三部分太陽輻射傳遞組成，可概括出結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場的主要影響因素：1) 相連桿件的熱傳導(dǎo)；2) 桿件直接吸收的太陽輻射；3) 桿件與環(huán)境的熱輻射；4) 桿件與空氣的熱對流。

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)不僅具有獨特的空間網(wǎng)架特性，而且施工階段基本無屋蓋等遮擋設(shè)施，因此，結(jié)構(gòu)會持續(xù)受到直接輻射。同時，桿件之間也存在隨時間變化而發(fā)生的遮擋作用，導(dǎo)致不均勻溫度場的產(chǎn)生。相關(guān)學(xué)者的研究也表明，遮擋作用對結(jié)構(gòu)溫度有比較顯著的影響[18-19]，因此不可忽略該因素。

綜上，研究一個完整的太陽輻射模型需要考慮以下3 部分：1) 考慮地理信息時任意日期、時刻下太陽的輻射方位與輻射強(qiáng)度；2) 考慮氣象信息時任意表面受到各類輻射的折減，得到實際輻射強(qiáng)度；3) 考慮時間變化導(dǎo)致的桿件之間不斷變化的遮擋關(guān)系。

本文基于地理氣象信息和桿件遮擋作用的結(jié)構(gòu)溫度場分析算法，實現(xiàn)了各桿件在不同時刻下的太陽輻射量模擬方法，得到了單位時間桿件吸收的輻射總量I。據(jù)此分析圓截面桿系構(gòu)件受到遮擋后的影響。

式中：α 為桿件表面的太陽輻射吸收率，該值受桿件表面涂料的影響；rs為桿件未受遮擋部分長度占其總長度的比例；Ib、Id和Ir分別為單位時間桿件受到的直接輻射、散射輻射和地面反射。

1.2 日氣溫變化模擬方法

大量的氣象觀測表明，日氣溫變化雖然受各種因素影響難以準(zhǔn)確的模擬，但整體卻呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，且與穩(wěn)定的晴朗天氣密切相關(guān)。一般認(rèn)為，日出前為最低氣溫，日出后開始升溫，午后達(dá)到當(dāng)日最高氣溫；下午及夜間開始降溫，至第二日日出為止，完成一個變化周期。

目前，部分學(xué)者對于日氣溫變化已經(jīng)有了近似的模擬方法，如采用正弦曲線(全天)[6]或正弦曲線(白天)與直線段(夜間)相結(jié)合[20]的方式，并給出了相應(yīng)的表達(dá)公式。本文結(jié)合文獻(xiàn)，采用改良后的第二種模型對日氣溫的變化進(jìn)行模擬，如圖2 所示。

圖2 日氣溫變化模型Fig.2 Daily temperature variation model

需要指出，該模擬方法是對理想的晴朗天氣下氣溫變化的簡化描述，對于如陰雨、霧霾等引起氣溫不規(guī)律變化的天氣因素，該模型可能無法準(zhǔn)確模擬實際情況。

該模型的表達(dá)公式為：

式中：Tmax和Tmin分別為日最高氣溫和日最低氣溫；tsr和tss分別為日出(sunrise)和日落(sunset)的時間，以小時為單位，24 小時制。

以本文研究對象所在的四川省資陽市為例，現(xiàn)場的經(jīng)度為104.6°E，緯度為30°N，海拔為401 m。以2022 年1 月10 日、11 日這兩天存在天氣驟變情況的逐時氣象為例，實時氣象資料如表1 所示。

表1 氣象資料Table 1 Meteorological data

由表1 可知，資陽市常年天氣易驟變且多陰雨大霧天氣，其實際氣溫較理想晴天下的氣溫要小。圖2 的日氣溫變化模型并不符合實際的非理想天氣，因此分析時需要引入大氣的林克渾濁因子TL進(jìn)行修正[21]，該參數(shù)的取值需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶崟r天氣與地理信息等綜合考慮來確定，本文取值為4(一般取值范圍2～8，數(shù)值越大表示大氣越渾濁)，得到實際氣溫與模擬氣溫對比如圖3 所示。

圖3 實際氣溫與模擬氣溫對比Fig.3 Comparison between actual temperature and simulated temperature

可以看出，在上午的升溫階段，由于良好的天氣，數(shù)據(jù)吻合較好；在午后降溫階段，由于多云天氣導(dǎo)致大氣逆輻射具有較好的保溫作用，數(shù)據(jù)吻合相對不佳；而夜間，則由于降雨情況使得降溫更為迅速，這也從側(cè)面驗證了資陽市天氣多變的原因。同時，查詢的氣溫資料一般為整數(shù)，也為數(shù)據(jù)吻合帶來一定的誤差。總體上看，圖中的實際氣溫與模擬氣溫是比較吻合的，因此，基本認(rèn)為，本文采用的日氣溫變化模型是可靠的。

2 研究對象及實時監(jiān)測

2.1 大跨斜腿鋼管桁架結(jié)構(gòu)

本文依托中國牙谷學(xué)術(shù)交流展覽館建設(shè)項目(圖4)的入口雨棚是一座大跨斜腿鋼管桁架結(jié)構(gòu)(圖5)，該結(jié)構(gòu)類型為單層鋼結(jié)構(gòu)，屋面為雙坡結(jié)構(gòu)，標(biāo)高為16.168 m～21.983 m，由4 榀格構(gòu)式主桁架及9 榀平面桁架組成，桁架自身高度1.8 m，跨度87.313 m，材質(zhì)為Q345B，總重731 t。

圖4 結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場Fig.4 Structural construction site

圖5 結(jié)構(gòu)平面布置圖 /mmFig.5 Structural layout plan

研究時該結(jié)構(gòu)仍處于施工階段，結(jié)構(gòu)桿件焊接完畢同時已經(jīng)噴涂面漆，然而尚未開始玻璃幕墻與玻璃屋蓋的施工，因此結(jié)構(gòu)除了日照作用和工人作業(yè)等受力外并無其他外力影響。

2.2 監(jiān)測設(shè)備

本文監(jiān)測采用弧焊型振弦式應(yīng)變、溫度計與自動化數(shù)采技術(shù)，可以實現(xiàn)高質(zhì)量、穩(wěn)定可靠的施工監(jiān)測[22]。監(jiān)測設(shè)備及參數(shù)如表2、圖6 所示。

表2 監(jiān)測設(shè)備參數(shù)Table 2 Monitored equipment parameters

圖6 監(jiān)測設(shè)備Fig.6 Monitored equipment

通過輔助器材，可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸、在線查看及下載等功能，極大地方便了數(shù)據(jù)采集與處理。

2.3 監(jiān)測方案

由于本文監(jiān)測設(shè)備是與另一套位移監(jiān)測設(shè)備同時安裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工階段的長期監(jiān)測，在制定總體監(jiān)測方案時不僅考慮到結(jié)構(gòu)溫度的變化，還考慮了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移的變化。

根據(jù)仿真模擬計算結(jié)果選擇結(jié)構(gòu)第三榀桁架中的3 個關(guān)鍵位置共9 根應(yīng)力變化較大的桿件，每組桿件均考慮上弦桿、斜桿、下弦桿，并在每根桿件上表面與下表面各安裝一個振弦式應(yīng)變、溫度計，3 組振弦式應(yīng)變、溫度計大致分布在兩側(cè)臨時支撐處以及跨中處的桁架桿件，具體布置及編號如表3、圖7(圖中左側(cè)為西，右側(cè)為東)所示。設(shè)備的安裝如圖8 所示，圖示為跨中處，方框為終端安裝位置，圓框為振弦式應(yīng)變、溫度計安裝位置。

表3 應(yīng)變計編號Table 3 Number of strain gauges

圖7 應(yīng)變計的布置Fig.7 Arrangement of strain gauges

圖8 設(shè)備安裝Fig.8 Installation of equipment

根據(jù)實時監(jiān)測的結(jié)果，可得各監(jiān)測桿件的實時溫度與微應(yīng)變的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在后文中與仿真數(shù)據(jù)一起展示以凸顯出更直觀的對比效果。

3 有限元模擬與結(jié)果對比

3.1 有限元模型溫度場模擬

本文以ANSYS 的熱分析模塊為基礎(chǔ)，利用MATLAB 與APDL 語言分析大跨斜腿鋼管桁架結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度場，整體的研究思路如圖9 所示。

圖9 溫度場計算流程Fig.9 Temperature field calculation process

主要分析步驟大致分為分析太陽輻射、判斷桿件遮擋、計算桿件吸熱3 部分，經(jīng)MATLAB 分析太陽輻射與桿件遮擋的結(jié)果需要結(jié)合APDL 形成ANSYS 命令流文件，成為ANSYS 有限元分析模型中計算桿件吸熱的邊界條件。

該結(jié)構(gòu)的組成均為鋼管桿件，因此可以采用Link33 單元來模擬，同時給各單元賦予桿件的截面屬性和鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)，使得桿件之間可以進(jìn)行熱量傳遞；采用Link34 單元將桿件之間的全部節(jié)點與模擬空氣的一個節(jié)點耦合，同時給各單元賦予對流換熱系數(shù)，使得桿件與空氣之間可以進(jìn)行對流換熱；采用Link31 單元將桿件之間的全部節(jié)點與模擬環(huán)境的一個節(jié)點耦合，同時給各單元賦予表面輻射率，使得桿件與環(huán)境之間可以進(jìn)行散射輻射。同時，可以利用等效生熱率的施加實現(xiàn)對桿件吸收輻射總量的模擬。

根據(jù)研究的大跨斜腿鋼管桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與特點，建立熱分析有限元模型，如圖10 所示。

圖10 結(jié)構(gòu)熱分析有限元模型Fig.10 Finite element model for thermal analysis

由于該結(jié)構(gòu)中僅有鋼材Q345B，通過查詢資料可知其材料熱工參數(shù)如表4 所示。同時桿件表面涂料主要為灰白色面漆和防火涂料，其太陽輻射吸收率α 與輻射發(fā)射率ε 通過綜合文獻(xiàn)[23 - 26]數(shù)據(jù)得到。值得注意的是，文獻(xiàn)[17]中太陽輻射吸收率α 的取值為0.7，然而該參數(shù)的取值不僅受到涂料的顏色與材料的影響，還需要考慮有無日照作用、大氣渾濁度等因素的影響。因此本文在參考了實測數(shù)據(jù)之后將該參數(shù)的取值修正為0.5。

表4 材料熱工參數(shù)Table 4 Material thermal parameters

地理信息方面，確定結(jié)構(gòu)所處位置的經(jīng)緯度與海拔。同時，為了更好地展示出結(jié)構(gòu)溫度場的變化規(guī)律，氣息信息方面需要取一個日溫差較大的晴朗天氣作為研究對象，以2021 年6 月22 日(夏至日前后的一個晴天)為例，分析結(jié)構(gòu)全天的溫度場變化情況。通過查詢資陽市當(dāng)?shù)氐臍v史氣息資料，可知該日最低氣溫為21℃，最高氣溫為35℃，風(fēng)速2 級。

結(jié)合參數(shù)修正后的日氣溫變化模型以及材料熱工參數(shù)，可得到文獻(xiàn)[17]算法以及本文算法在本文結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果對比，以1 號終端的上弦桿為例，如圖11 所示。

圖11 算法應(yīng)用效果對比Fig.11 Comparison of algorithm application effect

可以看出，經(jīng)過參數(shù)修正后的算法分析得到的桿件理論溫度更低，更符合非理想天氣下的桿件實際溫度。其中18:00～24:00 的降溫階段誤差的原因應(yīng)是，當(dāng)?shù)靥鞖怏E變導(dǎo)致大氣保溫效果更強(qiáng)，使得桿件實際降溫速度減慢。

3.2 監(jiān)測桿件的計算溫度

通過前文的模擬計算，可以得到實時監(jiān)測的9 根桿件在2021 年6 月22 日這一天的計算溫度與日照系數(shù)如圖12 所示。其中日照系數(shù)是表示桿件之間的遮擋關(guān)系，0 表示桿件被完全遮擋，1 表示桿件完全沒有被遮擋，0～1 之間的系數(shù)越大，表示桿件被遮擋的長度比例越高?？梢钥闯?，1 號終端監(jiān)測的3 根桿件在日照作用下的遮擋效果最明顯，3 號效果次之，2 號效果最不明顯。

圖12 計算結(jié)果Fig.12 Calculation results

分析可知，由于1 號終端監(jiān)測的3 根桿件處于坡度朝向西側(cè)的上部結(jié)構(gòu)，自太陽升起時其中的斜桿與下弦桿便存在遮擋關(guān)系，直至午后太陽逐漸偏向西側(cè)后才使得三根桿件之間的遮擋關(guān)系變?nèi)?，也因? 根桿件的溫度曲線在午后逐漸一致。而2、3 號終端的3 根桿件自太陽升起時其遮擋關(guān)系就相對較弱，因此升溫基本一致，午后隨存在遮擋關(guān)系，但此時由于氣溫較高且散熱較慢等因素導(dǎo)致各桿件溫差并不大。因此，根據(jù)現(xiàn)場實際情況可以證實計算結(jié)果的合理性。

3.3 計算溫度與監(jiān)測溫度比對

由于1 號終端3 根桿件存在明顯的遮擋效果，以此為例，將計算溫度與監(jiān)測溫度相比較，其溫度變化對比如圖13 所示。由圖中曲線可以看出：

圖13 監(jiān)測溫度與計算溫度對比Fig.13 Comparison of monitored temperature and calculated temperature

1) 在凌晨0:00～6:00，計算溫度與監(jiān)測溫度吻合較好，符合理想狀態(tài)下日出前當(dāng)日氣溫最低的情況。

2) 在上午6:00～12:00，斜桿與下弦桿上下(側(cè))表面的實測溫度基本一致，而上弦桿的上、下表面實測溫度差別較大，推測原因應(yīng)是： 桿件之間的遮擋效果； 存在施工作業(yè)造成了部分遮擋，使得日間實測溫度驟升驟降； 上午太陽偏向東方，而該3 根桿件位于面向西方的坡面，受到太陽直射效果較弱。

3) 在下午12:00～18:00，此時桿件上、下表面的實測溫度差別較大，且仍與計算溫度有一定的差距，推測原因應(yīng)是： 下午太陽偏向西方，3 根桿件可以接受太陽直接輻射作用，桿件上表面升溫加快； 施工造成的部分遮擋導(dǎo)致受到太陽直射輻射效果減弱； 此時環(huán)境正處于降溫階段，因此升溫未能達(dá)到最大。

4) 在夜晚18:00～24:00，此時處于夜間降溫階段，桿件上、下表面的實測溫度均吻合較好，符合降溫后的實際情況，而計算溫度則相對較小，推測原因應(yīng)是日氣溫模型考慮的是理想情況下當(dāng)日天氣無驟變情形的24 h 周期循環(huán)，且與實際的前后日天氣無關(guān)聯(lián)。事實上，資陽市自22 日下午開始至23 日上午為多云天氣，對大氣產(chǎn)生了逆輻射，風(fēng)速也從2 級降為1 級，且6 月23 日最低氣溫(凌晨5:00 前后)較22 日高2℃，因此22 日18:00～23 日6:00 的環(huán)境保溫效果較好，22 日夜至23 日凌晨這段時間實測溫度應(yīng)是略高于計算溫度。

再次以1 號終端3 根桿件為例，其監(jiān)測溫度變化如圖14 所示。由圖中曲線可以看出，3 根桿件存在明顯的遮擋效果，然而其中上弦桿的最大溫度以及午后3 根桿件的溫度仍與計算溫度有一定的差別且浮動較大，進(jìn)一步驗證了現(xiàn)場施工造成桿件被遮擋的原因。

圖14 3 根桿件監(jiān)測溫度Fig.14 Monitored temperature of three members

3.4 監(jiān)測溫度與監(jiān)測微應(yīng)變比對

由于監(jiān)測采用的是弧焊型振弦式應(yīng)變、溫度計，可以實時采集桿件的微應(yīng)變變化情況。以1 號終端監(jiān)測的下弦桿為例，將監(jiān)測溫度與監(jiān)測微應(yīng)變進(jìn)行對比，如圖15 所示。由圖中曲線可知，微應(yīng)變的變化趨勢與監(jiān)測溫度基本吻合，其中夜間變化趨勢的吻合最為明顯，再次說明日間尤其是午后工人作業(yè)時對桿件數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生了一定的影響。

圖15 監(jiān)測溫度與監(jiān)測微應(yīng)變對比Fig.15 Comparison between monitored temperature and monitored micro strain

3.5 長期監(jiān)測結(jié)果

本文關(guān)鍵桿件截面應(yīng)變的長期監(jiān)測時間自2021 年5 月25 日下午18:00 起，至2021 年9 月14 日下午14:00 止，共采集近4 個月時間。經(jīng)整理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，且全部數(shù)據(jù)放入圖中將難以分清，因此這里采用夏至日前后各一周共15 日(6 月14 日至6 月28 日)的一個傳感器的數(shù)據(jù)用于展示長期監(jiān)測效果。圖16 為1 號終端下弦桿上表面微應(yīng)變及溫度變化的長期監(jiān)測結(jié)果，其中因現(xiàn)場斷電以及無線傳輸?shù)?，有部分時間點數(shù)據(jù)未能上傳服務(wù)器，導(dǎo)致圖中曲線產(chǎn)生部分?jǐn)帱c。

結(jié)果顯示，監(jiān)測桿件的表面溫度隨時間變化呈現(xiàn)規(guī)律，午后達(dá)到最高溫，日出前處于最低溫。同時，監(jiān)測桿件的截面應(yīng)變也隨時間變化呈現(xiàn)規(guī)律，且與溫度的變化趨勢基本一致。因此，可以認(rèn)為溫度是該結(jié)構(gòu)施工階段的主要荷載類型。

4 參數(shù)分析與作用規(guī)律

4.1 日照遮擋效果

白天由于時間的變化，太陽輻射角也是不斷變化的，因此各桿件的遮擋作用也是不斷變化的。圖17 所示為上午8:00 結(jié)構(gòu)中各桿件的日照系數(shù)分布情況。

圖17 上午8:00 各桿件的日照系數(shù)分布Fig.17 Distribution of sunshine coefficient of each member at 8:00

由圖17 中日照系數(shù)分布可知，上午8:00 的太陽正處于東方升起階段，此時結(jié)構(gòu)上部的雙層格構(gòu)式桁架的上弦桿基本未被遮擋，而斜桿、下弦桿等桿件存在部分的遮擋情況，與實際情況相符合。同時，結(jié)構(gòu)東側(cè)支撐的桿件具有較高的溫度，西側(cè)支撐的桿件溫度較低，這一結(jié)果也證明了此時太陽所處的方位角，很好地印證了本文的計算方法與建模方法的合理性。

4.2 溫度的時間變化特性

由前文可知，太陽輻射與氣溫均會隨著時變呈現(xiàn)一定的規(guī)律，而結(jié)構(gòu)的溫度變化也主要受這兩個因素的影響。因此，結(jié)構(gòu)的溫度亦會隨著時變呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

結(jié)構(gòu)中任意時刻的桿件最高溫度與桿件最低溫度隨時間的變化關(guān)系如圖18 所示，可以看出，最高溫度與最低溫度的變化趨勢與實時氣溫均呈現(xiàn)相對應(yīng)的關(guān)系。在早晨日出之前(上午5:00 左右)，部分桿件的溫度達(dá)到當(dāng)日最低溫，此時結(jié)構(gòu)中部分桿件的最高溫僅為21.99 ℃，比同時刻的桿件最低溫高約0.93 ℃，比同時刻的氣溫高約0.24 ℃。日出后，桿件開始接受太陽輻射作用，逐漸加速升溫。在午后14:00 左右，部分桿件的溫度達(dá)到當(dāng)日最高溫，此時結(jié)構(gòu)中部分桿件的溫度可達(dá)44.24 ℃，比同時刻的桿件最低溫高約9.29 ℃，比同時刻的氣溫高約9.98 ℃。隨后，雖然氣溫仍在上升，但由于其主要作用的太陽輻射已經(jīng)開始減弱，因此結(jié)構(gòu)的溫度開始快速下降。日落后則由于大氣的保溫作用降溫速度逐漸減小，一直降溫到第二次日出前為止，再次降為最低溫度，達(dá)成一個完整的溫度變化周期。

圖18 結(jié)構(gòu)溫度隨時間變化曲線Fig.18 Structure temperature curve with time

從上述數(shù)據(jù)可知，當(dāng)部分桿件到達(dá)當(dāng)日最高溫度時，其與溫度最低的桿件的溫差可達(dá)21%。且結(jié)合前文中該結(jié)構(gòu)在施工階段中的受力主要來源于溫度效應(yīng)可知，溫度不僅對結(jié)構(gòu)桿件的合攏精度有較大的影響，還會提高后續(xù)玻璃幕墻和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工難度。

盡管很少有鋼結(jié)構(gòu)事故是由溫度效應(yīng)引起的，但溫度效應(yīng)卻不能忽略，其有時會成為控制鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的關(guān)鍵因素。在實際的工程項目中，結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)處于尷尬的位置，有時溫度效應(yīng)的影響很小，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量和耐久性問題時，習(xí)慣上將其視為罪魁禍?zhǔn)住?/p>

4.3 溫度的空間分布特性

由于研究的結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的構(gòu)造形式和數(shù)量龐大的桿件，因此結(jié)構(gòu)的溫度場很好地表現(xiàn)出了時變和不均勻的特點。圖19 所示為結(jié)構(gòu)中的桿件達(dá)到最低溫與最高溫的兩個時間點的結(jié)構(gòu)溫度場分布。

圖19 結(jié)構(gòu)溫度場分布Fig.19 Distribution of structure temperature field

由圖中溫度分布可知，部分桿件達(dá)到當(dāng)日的最低溫度時，組成結(jié)構(gòu)上部的弦桿溫度大致與氣溫相同，但組成結(jié)構(gòu)下部的支承溫度則相對略高；部分桿件達(dá)到當(dāng)日的最高溫度時，組成結(jié)構(gòu)上部的弦桿溫度非常高，而組成結(jié)構(gòu)下部的支承溫度則相對很低。分析原因可知，由于結(jié)構(gòu)下部主要是起支承作用的桿件，屬于結(jié)構(gòu)中截面尺寸最大的桿件，其比表面積相對最小，相應(yīng)的對流換熱系數(shù)也最小，所以對溫度變化的敏感度不高，相對氣溫的變化具有明顯的滯后性；而結(jié)構(gòu)上部的弦桿相對最細(xì)，因此升溫與降溫均明顯快于其他桿件。同時白天這些弦桿也是吸收了最多的太陽輻射，加快了這些桿件在升溫階段的速度。

4.4 溫差水平評估

結(jié)合前面的計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)的溫度變化進(jìn)行溫差水平評估，本文主要考慮以下兩方面：1)溫差水平，即結(jié)構(gòu)各節(jié)點溫度高出最低節(jié)點溫度的均方根值RMS(有效值)隨時間的曲線；2) 溫度離散度，即結(jié)構(gòu)各節(jié)點溫度標(biāo)準(zhǔn)差STD 隨時間的曲線。圖20 所示為溫差水平曲線與溫度離散度曲線。

圖20 溫差水平評估Fig.20 Assessment of temperature difference level

結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)各節(jié)點在夜間降溫后的溫差很小，趨近于0；而在日間由于日照以及遮擋等因素，各節(jié)點之間溫差較大，曲線呈現(xiàn)出明顯的溫差效果，很好地印證了日照遮擋的重要影響。

5 結(jié)論

本文驗證了適用于大跨空間結(jié)構(gòu)的日照溫度場模擬方法的準(zhǔn)確性，以一座大跨斜腿鋼管桁架結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行了瞬態(tài)溫度場的數(shù)值模擬以及施工階段溫度與微應(yīng)變的實時監(jiān)測，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 日氣溫變化模擬方法是對理想的晴朗天氣下氣溫變化的簡化描述，因此本文引入大氣的林克渾濁因子TL進(jìn)行修正，對于如陰雨、霧霾等引起氣溫不規(guī)律變化的天氣因素，修正后的模型可以較為準(zhǔn)確地模擬實際的氣溫變化情況。

(2) 監(jiān)測溫度的結(jié)果表明，參數(shù)修正后的算法分析得到的桿件計算溫度與監(jiān)測溫度比較吻合，驗證了日照溫度場模擬方法的準(zhǔn)確性。然而，施工階段工人作業(yè)等因素也會對桿件溫度產(chǎn)生一定的影響。

(3) 監(jiān)測微應(yīng)變的結(jié)果表明，監(jiān)測微應(yīng)變的變化趨勢與監(jiān)測溫度基本吻合，說明該結(jié)構(gòu)在施工階段的受力主要來源于結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，結(jié)構(gòu)在施工階段的溫度效應(yīng)是不能忽略的。

(4) 經(jīng)過桿件的遮擋作用，當(dāng)部分桿件到達(dá)當(dāng)日最高溫度時，其與溫度最低的桿件的溫差可達(dá)21%，桿件的遮擋作用對結(jié)構(gòu)溫度場的計算結(jié)果產(chǎn)生了比較明顯的效果，不可忽略。

(5) 大跨斜腿鋼管桁架結(jié)構(gòu)的日照溫度場具有顯著的時變性和不均勻性，以夏至日前后的晴天為例，其最低溫度發(fā)生于日出前的5:00 左右，略低于同時刻氣溫；最高溫度發(fā)生于午后14:00 左右，遠(yuǎn)高于同時刻氣溫。同時，不同尺寸的桿件也具有不同的溫度變化特征。

(6) 從模擬結(jié)果與實測結(jié)果來看，溫度效應(yīng)對施工階段的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的影響。盡管很少有鋼結(jié)構(gòu)事故是由溫度效應(yīng)引起的，但溫度效應(yīng)卻不能忽略，其有時會成為控制鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的關(guān)鍵因素。