超长斜交梁钢屋盖温度效应控制措施探讨

朱伟平 王剑锋 李永振

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

超长结构一般是指建筑物长度超过规范规定的设置温度缝(伸缩缝)的最大长度，而不设置任何形式永久缝的结构。GB 50017-2003钢结构设计规范第8.1.5条对单层房屋和露天结构的最大温度区段做出规定:当不超过表1的数值时，一般情况可不考虑温度应力和温度变形的影响。从而可知，对于单层房屋和露天结构，结构单向长度最大可达到220 m不设缝。

表1 温度区段长度值 m

如图1所示为东营会展中心，钢结构大跨度斜交梁屋盖，外弧长568.40 m，内弧长423.36 m，平均弧长495.88 m，最大跨度达到60.15 m，结构不设温度缝，为超长钢屋盖结构。

顾名思义，斜交梁与正交梁在杆件平面布置方式上存在不同。在矩形结构中，斜交梁屋盖体系没有一般意义上沿纵横向的构件;在弧(环)形结构中，则没有沿径向和环向的构件。双向斜交构件可同时承受结构不同方向上的水平荷载或温度引起的结构内力。目前有关超长结构的研究中，结构平面布置通常为正交梁，对斜交梁体系的研究还不多，文献[6]对此类结构进行温度效应分析并提出结论，认为斜交梁体系能够显著减小钢屋盖结构的温度效应，但须采取相应措施才能够使其特性得以发挥，本文将对此进行分析探讨。

1 讨论

超长钢屋盖结构的温度效应(即屋盖构件温度应力和屋盖温度变形的大小、分布和变化情况)一直是结构工程师在设计中所重视的问题。屋盖组成体系、平面形状、下部支承结构以及温度场是决定屋盖温度效应的主要因素，并且相互影响(比如正交梁与斜交梁屋盖的下部支承柱分布和数量是不同的)，涉及参数多，相互关系复杂。

正、斜交梁体系的不同体现在平面布置方式上的差别，从而引起建筑空间和结构性能上的差异。相比正交梁体系，斜交梁体系改变了屋盖梁的跨度，降低了屋盖的结构高度，增大了建筑的有效空间。超长结构中，正交梁体系中沿纵向或环向布置的构件，长度非常大，且由轴向刚度抵抗温度作用，因此其温度应力和变形是设计的主导因素之一，而斜交梁体系由于其平面布置的特殊性，能够避免此类超长构件的出现，有利于减小结构的温度应力和变形。然而，斜交梁体系构件为菱形相交组成方式，结构以屋盖梁的轴向和侧向刚度共同抵抗水平荷载以及温度引起的结构内力，屋盖平面内刚度与正交梁体系不同，导致温度效应上的差异，从而对下部结构的安全度产生有利影响。

文献[6]通过有限元分析认为，较正交梁，斜交梁体系能够显著减小结构的温度效应，然而实际工程中的情况往往不是理想状况，仍需采取相应措施才能够实现斜交梁体系的温度特性。首先，由于建筑需要一般不得不设置封头梁，其对斜交梁体系的影响巨大，若不做隔断处理，则温度作用下封头梁应力集中，在弧形结构中，内环梁最大应力甚至大大超过正交梁体系，而其余斜交梁温度应力很小，未能充分利用。其次，若下部为混凝土支承结构，则在温度作用下，混凝土易受屋盖结构水平推力作用而开裂，不利于结构的正常使用功能，因此可以通过释放柱顶位移来减小下部结构的水平推力。综上可知，对超长斜交梁钢屋盖结构采取温度控制措施是必要的，关于封头梁已在文献[6]中进行了分析阐述，本文将不再重复，下面将运用通用有限元分析软件ANSYS建立分析模型，分析并探讨下部柱顶释放对斜交梁体系的影响。

2 模型分析

2.1 温度荷载取值

本文考虑年温温度效应，即季节温差的影响，本文温度荷载取升温25℃，在弹性分析中不会影响比较趋势。

2.2 建立模型

建立超长斜交梁体系屋盖结构模型，在不影响结构特性规律的前提下简化如下:1)屋盖为平面，且径向单跨;2)外围四边支承形式，支承柱均为箱形截面;3)柱顶均设固定铰支座;4)不考虑刚度偏心;5)环向封头梁不隔断。ANSYS模型如图2所示，具体参数设置如下。

图1 东营会展中心大跨度钢屋盖结构布置图

图2 分析模型

钢材:弹性模量 E=2.06 ×105N/mm2;泊松比 ν=0.3;线膨胀系数 αs=1.2 ×10－5/℃。

几何:中半径 R0=320 m，弧心角 θ=72°，弧宽72 m，内弧长L1=356.585 m，外弧长 L2=447.363 m，中弧长 L0=402.124 m。

结构:屋盖跨度72 m，四边支承，柱顶与屋盖铰接，柱的数量分别为82根和84根。屋盖钢梁均为工字形截面，设定斜交网格梁截面为 0.3 m ×1.2 m ×0.016 m ×0.018 m;支承钢柱箱形截面0.7 m ×0.7 m ×0.02 m ×0.02 m。

2.3 分析结果

屋盖结构温度应力如图3所示。

图3 屋盖结构温度应力云图

在柱顶设滑动铰支座后，屋盖结构温度应力如图4所示。

图4 内环梁释放环向位移后的结构温度应力云图

3 探讨

3.1 柱顶位移释放

弧形结构的“整体弯曲效应”决定了内环梁的温度应力最大，且沿径向向外环递减[3]。因此仅将内环梁下部的柱顶释放一定的位移便可完全释放内环侧温度应力。然而，此概念并非完全正确。因为结构是作为一个整体而发生的变形，内、外环的变形和约束存在相互牵连的关系，所以尽管释放了内环的约束，但内环梁变形仍会通过其他水平体系而受到其他下部结构的约束，从而产生温度应力。如图4所示为模型释放内环梁环向位移后的温度应力云图，结果显示，内环梁的温度应力虽减小了50%，但仍达23.8 MPa，而外环梁温度应力减小幅度不明显。若同时释放内、外环梁的柱顶环向位移，如图5所示，则内、外环梁温度应力分别为8.92 MPa和5.21 MPa左右，减小了约81%和72%，效果明显，且内环降幅更为明显。

图5 内、外环梁释放环向位移后的结构温度应力云图

分析已知斜交梁体系具有短(径)向温度位移较大的特点[6]。然而，不仅是在温度作用下，甚至在竖向荷载作用下，亦会产生一定的径向位移。这点对于大跨度屋盖结构而言非常重要，若下部支承柱为混凝土柱，柱顶铰接，则容易对柱子产生较大的水平推力，设计中没有充分估计该因素的影响，则混凝土有开裂甚至破坏的危险。因此，可以释放一定的柱顶短(径)向位移，以保证下部结构的正常使用和安全性。

3.2 封头梁隔断

在实际结构中，不可能出现之前分析中的封头梁完全隔断的情况，所以只能在封头梁的某些位置作断缝处理，以达到减小结构的温度效应的目的。而断缝的最大间距为多少是结构工程师所关心的问题，由于具体间距数值需要依据更多的工程经验和资料才能给出，因此本节仅对此问题做初步探讨，提出自己的看法。

GB 50017-2003钢结构设计规范给出了钢结构建筑的最大温度区段长度值，见表1。对于斜交梁体系屋盖结构，封头梁的断缝间距可参考此条规定，将表1中限值作为极端上限值，而实际间距取值应较表1中限值小很多，视具体结构情况而定。之所以这样是因为规范的限值是针对一般正交体系而言的，对斜交梁体系的对应关系并不确定。斜交梁体系中封头梁的温度应力过于集中，若一味采用规范限值，则结构的安全性将存在隐患。以内环封头梁为主要构件，同时考虑内环梁隔断后屋盖体系的应力重分布将使得外环封头梁应力集中的因素，建议可将内外环同时分割为若干段。

4 总结

本文通过建立模型并进行比较分析，探讨了斜交梁体系超长屋盖结构温度效应控制的措施，得到以下结论，以供类似工程参考:

1)讨论了斜交梁体系的杆件布置特点，阐述了斜交梁体系钢屋盖在温度作用下的特性及其在实际工程中所需注意的问题。2)对封头梁的隔断处理进行了探讨，指出斜交梁体系屋盖结构中封头梁的断缝间距可将钢结构规范中的限值作为极端上限值，而实际间距取值应较表1中限值小很多，视具体结构情况而定。3)讨论了柱顶位移释放的方式，认为同时对内外环封头梁处柱顶释放一定的环向位移能够最有效的减小温度应力。斜交梁体系屋盖径向变形较大，因此可以释放一定的柱顶短(径)向位移，以保证下部结构的正常使用和安全性。

[1] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社，1997.

[3] 崔 帅，苏旭霖.弯曲超长混凝土框架结构的温度应力研究[J].结构工程师，2006，22(5):20-24.

[4] 吴 京.超长混凝土框架中温度应力的研究[J].工业建筑，2006，36(5):20-22.

[5] 《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册[M].第3版.北京:中国建筑工业出版社，2004.

[6] 郑毅敏，朱伟平，阮永辉，等.超长斜交网格钢屋盖温度效应分析[J].结构工程师，2010，26(5):32-36.