大跨度索穹顶结构温度响应分析.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 4 期 2012 年 4 月 Vol. 33No. 4Apr． 2012 005 文章编号 1000-6869 2012 04-0040-06 大跨度索穹顶结构温度响应分析 张爱林 1，刘学春1，冯 姗 1，葛家琪2，张国军2 1． 北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124; 2． 中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120 摘要 根据鄂尔多斯伊旗全民健身体育中心大跨度索穹顶结构设计要求， 采用有限元分析方法， 分析了初始预应力和温度 共同作用下节点位移和预应力索应力变化情况， 研究了初始预应力对温度效应的影响， 探讨合理张拉温度以及由于温度作 用对初始预应力采取的适当补偿措施。研究表明 温度作用对索穹顶结构外圈索和外圈撑杆的应力产生不可忽视的影响， 在设计张拉预应力度时， 既要考虑施工张拉温度与下料温度不同的影响， 又要保证正常使用状态下结构在温度作用下的安 全; 温度作用下预应力度对索穹顶结构静力性能的影响显著。 关键词 大跨度索穹顶结构;预应力;温度作用;节点位移 中图分类号 TU393. 3TU394. 02文献标志码 A Temperature response analysis of large-span cable dome structure ZHANG Ailin1，LIU Xuechun1，FENG Shan1，GE Jiaqi2，ZHANG Guojun2 1． The College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China; 2． China Aviation Planning and Construction Development Co．，Ltd，Beijing 100120，China AbstractAccording to the structure design requirement of the National Fitness Center in Ejin Horo Banner，Inner Mongolia，the size of the nodal displacement and the stress change of prestressed cable under initial prestressing force and temperature were researched using finite elements ．Rational tensioning temperature and appropriate compensation measures of initial prestressing force loss because of temperature effect were investigated． The influence of the temperature effect was analyzed under initial prestress． The results show that temperature action on the cable dome structure especially the outer cable and strut stress can not be ignored． In the design of tensioned prestress level， not only the different influences of construction temperature and material cutting temperature should be considered respectively，but also the safety of structure under temperature effect should be guaranteed for normal service condition． The impact of temperature effects parameters on the static behavior of cable dome structure is significant． Keywordslarge- span cable dome;prestress;temperature impact;nodal displacement 基金项目 国家自然科学基金重点项目 51038006 ， 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室项目。 作者简介 张爱林 1961 ， 男， 山东莱西人， 工学博士， 教授。E- mail zhangal bjut. edu. cn 收稿日期 2011 年 7 月 04 0引言 预应力大跨度空间结构所受到的温度作用不容 忽视， 结构温度改变时， 其各部分都将伴随温度的升 高或降低而出现膨胀或收缩。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 ［1 ］。 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 ［2 ］。根据已建工程的测试结 果 ［3 ］， 考虑温差 25 ℃ 时， 有 30 ～ 50 MPa 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 ［4 ］， 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计算模型及温度变化范围 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. 2 m， 矢高 5. 5 m， 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. 3 m、 5. 8 m、 6. 8 m， 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［ 5］ 。采用 ANSYS 程序单元库中的 LINK 8 单元模拟撑杆， LINK 10 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 ℃［6 ］。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 ℃［7 ］。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。 图 1肋环形索穹顶结构形式 Fig． 1Ribbed ring- type cable dome 图 2有限元计算模型 Fig． 2Finite element model 2温度对静力性能的影响 根据构件温度变化范围 － 50 ～ 60 ℃， 以每 10 ℃ 14 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。 图 3索穹顶结构平面图 Fig． 3Plan of cable dome structure 2. 1节点位移分析 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。 图 4 A- A 轴线上节点编号 Fig． 4Node numbering along A- A axis cable truss 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. 28 m， 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. 05 m。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 图 5撑杆上节点竖向位移变化 Fig． 5Vertical displacement of upper nodes of strut 图 6撑杆下节点竖向位移变化 Fig． 6Vertical displacement of down nodes of strut 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杆件应力分析 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。 图 7 A- A 轴线上构件单元编号图 Fig． 7Component numbering along A- A axis 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. 16 MPa、 629. 87 MPa、 633. 95 MPa 和 －189. 49 MPa。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、 24 a脊索应力增量 b斜索应力增量 c环索应力增量 d撑杆应力增量 图 8杆件应力增量变化图 Fig． 8Members’stress with variance in temperature 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 ［8 ］。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初始预应力对索穹顶结构温度效 应的影响 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 ［9 ］。 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 267 mm， 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 34 图 9不同初始预应力水平下杆件应力变化图 Fig． 9Members’stress with variance in temperature and initial prestress 图 10不同初始预应力水平下内撑杆 最大竖向位移变化图 Fig． 10Maximum vertical displacement of inner strut with variance in temperature and initial prestress 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。 图 11不同初始预应水平下支座反力变化图 Fig． 11Variation of support reaction with temperature and initial prestress 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 44 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结论 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、 外环索以 及外撑杆的应力分别减小为 32. 4、 6. 3、 7. 6 和 6. 1。因此在结构设计中要充分考虑温度作用对 外圈索和外撑杆内力的不利作用。 2 如果张拉温度与下料温度不同， 则必须考虑 温度作用， 对预应力索进行应力补偿。 3 模拟索穹顶结构于 0 ℃张拉成形， 在可能的 温度变化范围内， 节点竖向位移较大， 最大竖向节点 位移为跨度的 1/254、 矢高的 1/20。 4 在保证结构正常工作的前提下， 适当提高初 始预应力度可以改善结构的静力性能， 使结构在正 常使用荷载作用下工作安全。 参考文献 ［ 1］ 范重， 王喆， 唐杰． 国家体育场大跨度钢结构温度场 分析与合拢温度研究［J］ ． 建筑结构学报， 2007， 28 2 32-40． FAN Zhong，WANG Zhe，TANG Jie． Analysis on temperature field and determination of temperature upon healing of large- span steel structure of theNationalStadium ［J］ ．JournalofBuilding Structures， 2007， 28 2 32-40． in Chinese ［ 2］ 张爱林． 预应力钢结构技术发展及应用［ J］ ． 钢结构， 2005， 20 6 108- 109 ZHANG Ailin．Development and applications of prestressed steel structure technology ［ J］ ． Steel Construction， 2005， 20 6 108- 109． in Chinese ［ 3］ 王帆． 索穹顶结构的设计与施工技术研究［D］ ． 南 京 东 南 大 学，2002． WANG Fan．Design and research on construction technology of cable dome［ D］ ． NanjingSoutheast University， 2002． in Chinese ［ 4］ 边广生． 空间结构温度效应理论分析及试验研究 ［ D］ ． 南 京 东 南 大 学， 2004． BIAN Guangsheng． Theoreticalanalysisandexperimentalresearchon temperature action of space structure［D］ ．Nanjing Southeast University， 2004． in Chinese ［ 5］ 张国军，葛家琪，王树，等． 内蒙古伊旗全民健身体 育中心索穹顶结构体系设计研究［ J］ ． 建筑结构学 报， 2012， 33 4 12- 22． ZHANG Guojun，GE Jiaqi， WANG Shu，et al． Design and research on cable dome structural system of the National Fitness Center in Ejin Horo Banner，Inner Mongolia［J］ ． Journal of Building Structures， 2012， 33 4 12- 22． in Chinese ［ 6］ 申彦波， 赵东， 祝昌汉， 等． 近 50 年来鄂尔多斯地面 太阳辐射的变化及与相关气象要素的联系化［ J］ ． 高 原气象， 2009， 28 4 786- 794． SHEN Yanbo，ZHAO Dong，ZHU Changhan，et al． Solar radiation change and related meteorological factors’relation of Ordos ground in recent 50 years［J］ ． Plateau Meteorology， 2009， 28 4 786- 794． in Chinese ［ 7］ 饶文静． 温度变化对新型弦支穹顶结构稳定性的影 响分析［D］ ． 北京 北京工业大学，2009． RAO Wenjing．Analysisonnew- typesuspended- dome stability under temperature change［ D］ ． BeijingBeijing University of Technology， 2009． in Chinese ［ 8］ CECS 212 2006预应力钢结构技术规程［S］ ． 北 京中 国 计 划 出 版 社，2006． CECS 2122006 Technical specification of prestressed steel structure ［S］ ．Beijing China Planning Press， 2006． in Chinese ［ 9］ 张爱林． 北京奥运后对我国现代钢结构科学发展的 几点思考［ J］ ． 工业建筑，2009，39 增刊 60-63． ZHANG Ailin． Several considerations about modern Chinesesteelstructuresciencedevelopmentafter Beijing Olympic Games［J］ ．Industral Construction， 2009， 39 Suppl． 60-63． in Chinese 54