1、第16卷第4期2010年12月空 間 結(jié) 構(gòu)SPA T IA L ST RU CT U R ESVo l.16No.4Dec.2010收稿日期:2010 01 14.基金項(xiàng)目:KGE 研究基金(200802.作者簡(jiǎn)介:石永久(1962 ,男,黑龍江雞東人,博士,教授,主要從事結(jié)構(gòu)工程研究工作.E mail:s hiyjmail.tsingh 溫度荷載對(duì)新加坡植物園展覽溫室拱殼雜交結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析石永久1,高 陽(yáng)1,王元清1,江 洋1,張昭一2,李國(guó)星3(1.清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與振動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084;2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院深圳分院,廣東深圳518057;3.珠海晶藝玻璃工程有限

2、公司,廣東珠海519070摘 要:新加坡植物園展覽溫室采用拱殼雜交鋼結(jié)構(gòu)體系.由于溫度變化在大跨度結(jié)構(gòu)中引起的內(nèi)力與變形對(duì)結(jié)構(gòu)安全有很大的影響,在設(shè)計(jì)中不可忽略.初步設(shè)計(jì)階段時(shí),溫度荷載使得拱殼連接結(jié)點(diǎn)附近的殼體單元應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo),因而將原方案采用的全剛性焊接節(jié)點(diǎn)改為鉸接彈簧節(jié)點(diǎn).本文運(yùn)用兩種有限元軟件分析了結(jié)構(gòu)在升溫和降溫兩種荷載工況下的靜力響應(yīng).然后選取部分荷載工況,對(duì)考慮溫度荷載與不考慮溫度荷載下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形進(jìn)行了比較分析,驗(yàn)證了溫度荷載在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性.關(guān)鍵詞:拱殼雜交結(jié)構(gòu);溫度荷載;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);靜力分析中圖分類號(hào):T U 393.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1006 6

3、578(201004 0049 06Temperature load analysis for structural design of Conservatory atGardens by the Bay,SingaporeSHI Yong jiu 1,GAO Yang 1,W ANG Yuan qing 1,JIANG Yang 1,ZHANG Zhao yi 2,LI Guo xing 3(1.K ey L aborator y of S tr uctur al Eng ineer ing and V ibration of China Ed ucation M inis try ,T s

4、inghua Univ er sity ,Beij ing 100084,China;2.Shenz hen I nstitute China A cad emy of Building Resear ch,Shenz hen 518057,China;3.Zhuhai K ing Glass Engineer ing Co.LT D ,Zhuhai 519070,ChinaAbstract:Arch reticulated shell hybrid steel structure was adopted in the conservatories at gardens by the bay

5、in Singapore.As the internal forces and deformations caused by temperature variation could exert great impact on the structural safety,the temperature load can not be ignored in structural design.Because temperature load had led to far higher stress of shell frames near the arch reticulated shell co

6、nnections than the standard,the fully rigid w elded joints in the original proposal w ere thus replaced by pinned spring joints in the initial stage of design.Tw o kinds of FEA software were employed to analyze static response under both day condition and ignition condition.Comparative analysis of s

7、tresses and deformations was carried out on load cases w ith temperature load considered or not,which verified the importance of temperature load in design of large span steel structure.Key words:ar ch reticulated shell hy brid str ucture;temperature lo ad;structur al desig n;static analysis 溫度變化在大跨

8、度結(jié)構(gòu)中引起的內(nèi)力與變形對(duì)結(jié)構(gòu)安全有很大影響,在設(shè)計(jì)中必須予以充分考慮.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在夜間的溫度與氣溫比較接近,在白天除了隨氣溫不斷變化外,還受到日光照射的影響,太陽(yáng)輻射引起構(gòu)件溫度顯著升高1,2.結(jié)構(gòu)迎光面與背光面、室內(nèi)與室外的溫差將形成梯度較大的溫度差分布.當(dāng)結(jié)構(gòu)合攏后,使用階段的溫度通常與合攏溫度不一致,由此產(chǎn)生的溫度荷載就會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力及變形3,4.新加坡植物園展覽溫室為大跨度空間結(jié)構(gòu),拱結(jié)構(gòu)直接暴露在大氣中,受到溫度50空 間 結(jié) 構(gòu)第16卷變化的影響十分顯著5. 本文敘述了溫度荷載對(duì)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響,初步設(shè)計(jì)階段時(shí)由于溫度荷載引起的節(jié)點(diǎn)附近部分殼體單元及吊桿短柱單元應(yīng)力過(guò)高,

9、修正了原有節(jié)點(diǎn)模型;施工圖設(shè)計(jì)階段時(shí),驗(yàn)算了考慮溫度荷載的幾種不利組合工況作用下結(jié)構(gòu)的安全性.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型新加坡植物園共有Coo l Dry 與Cool M oist 兩個(gè)展覽溫室,采用拱殼雜交結(jié)構(gòu)體系,主要由殼體、拱、拱間拉索、吊臂等構(gòu)件組成6.結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸見(jiàn)表1,其中標(biāo)高的參照平均海平面為100m.表1 結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mT able 1 Structural size(U nit:m結(jié)構(gòu)拱頂標(biāo)高玻璃高度東西跨度南北跨度Coo l Dr y 14135.153169.86290.177Coo l M o ist16053.470117.52876.602 圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.1

10、 Structural analysis models由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜新穎,利用國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難對(duì)其進(jìn)行合理正確的分析,也沒(méi)有相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)可供參考.因而,經(jīng)相關(guān)設(shè)計(jì)人員討論后決定,首先使用SAP2000對(duì)該工程進(jìn)行初步設(shè)計(jì)圖2 主要構(gòu)件截面形式及尺寸F ig.2 Section st yle and size o f main members計(jì)算,再運(yùn)用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化和校核.兩個(gè)展覽溫室的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖1,主要構(gòu)件截面形式及尺寸見(jiàn)圖2.2 初步設(shè)計(jì)階段溫度荷載影響分析2.1 溫度荷載取值根據(jù)建筑方A telier One 提供的報(bào)告,新加坡年溫度變化范圍為24 3

11、4 ,年平均溫度為27.5 .圖3、圖4為結(jié)構(gòu)殼面的溫度圖示,由于拱直接暴露在大氣中,在陽(yáng)光直射下,最高溫度取為57 .結(jié)構(gòu)的合攏溫度為27.5 ,由圖中所示溫度減去合攏溫度,即可得到結(jié)構(gòu)所承受的溫度荷載,見(jiàn)表2,可見(jiàn)殼面構(gòu)件的溫度荷載不是常數(shù),因而需要分區(qū)施加. 圖3 C ool Dry 溫度圖示F ig.3 Co ol Dry temper ature diagr am第4期 石永久,等:溫度荷載對(duì)新加坡植物園展覽溫室拱殼雜交結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析51圖4 Cool M oist溫度圖示Fig.4 Cool M oist temper atur e diagr am表2 溫度荷載取值T abl

12、e2 T emper ature load結(jié) 構(gòu)白天工況(T D 夜間工況(T I 殼面構(gòu)件拱&吊臂殼面構(gòu)件拱&吊臂Co ol D ry-0.5+9.5 +29.5 -12.5-8.5 +10Co ol M oist-1.5+1.5 +29.5 -13.5-12.5 +10表3 溫度荷載作用下結(jié)構(gòu)部分單元應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)T able3 St ress ratio statistics of part frames under temperature load單 元截面形式及尺寸單元總數(shù)相應(yīng)應(yīng)力比范圍內(nèi)單元的數(shù)量及百分比0 1.01.6 1.62.2殼體見(jiàn)圖2(c,2

13、30 180 50 123067181959.31%100432.73%2157.01%290.95%吊桿短柱 160 1439126668.03%5614.32%6917.65%-2.2 溫度荷載作用計(jì)算參考英國(guó)BS5950鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,運(yùn)用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度荷載作用下的應(yīng)力響應(yīng)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)很多單元應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo).將部分殼體單元及吊桿短柱的應(yīng)力比分布統(tǒng)計(jì)于表3.其中,殼體單元的最大應(yīng)力比達(dá)2.2,吊桿短柱單元的最大應(yīng)力比達(dá)1.6.由表3可見(jiàn),統(tǒng)計(jì)的殼體單元有7. 96%應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo),吊桿短柱單元有17.65%應(yīng)力超標(biāo).2.3 計(jì)算結(jié)果分析由上面的分析結(jié)果可見(jiàn),在溫度荷載作用下有

14、部分單元應(yīng)力水平嚴(yán)重超標(biāo),現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不能滿足溫度荷載作用下的承載要求,因而必須對(duì)原結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行處理.3 施工圖設(shè)計(jì)階段溫度荷載影響分析3.1 彈簧節(jié)點(diǎn)的設(shè)置由初步設(shè)計(jì)階段的計(jì)算分析結(jié)果可以看出,溫度荷載導(dǎo)致很多節(jié)點(diǎn)附近,尤其是尖部與吊臂節(jié)點(diǎn)相連的殼體桿件應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo).由此可以初步推斷,現(xiàn)有結(jié)構(gòu)所采用的全剛性焊接節(jié)點(diǎn)不太合理,必須對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修正.由于構(gòu)件截面較小,構(gòu)件的外尺寸不能改變,因而通過(guò)增加厚度很難滿足要求.此外,增加厚度又將使鑄鋼節(jié)點(diǎn)的類型增加.經(jīng)相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員討論后決定,將全剛性焊接節(jié)點(diǎn)變?yōu)殂q接節(jié)點(diǎn),即把吊臂與殼體桿件之間的連接改為鉸接,并在部分節(jié)點(diǎn)上52空 間 結(jié) 構(gòu)第16卷設(shè)置彈簧

15、單元,如圖5所示.鉸接彈簧節(jié)點(diǎn)在整體結(jié)構(gòu)中的位置如圖6所示,由圖可見(jiàn),每個(gè) 處有兩個(gè)彈簧節(jié)點(diǎn). 圖5 鉸接彈簧節(jié)點(diǎn)Fig.5 P inned spr ingconnection 圖6 彈簧節(jié)點(diǎn)位置圖F ig.6 Lo cat ion of spring connectio n in t he str ucture3.2 溫度荷載作用分析增設(shè)彈簧節(jié)點(diǎn)以后,SA P 計(jì)算結(jié)果顯示在所有組合工況下,單元的應(yīng)力比均滿足要求7.下面用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行校核.3.2.1 溫度荷載單獨(dú)作用下應(yīng)力及變形(1Coo l Dry 計(jì)算結(jié)果溫度荷載作用下Cool Dry 溫室結(jié)構(gòu)變形云圖見(jiàn)圖7.可見(jiàn)SAP

16、與ANSYS 變形計(jì)算結(jié)果比較相近.T D 作用下結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在邊拱的中部,而TI 作用下最大變形發(fā)生在殼體的中部.ANSYS 計(jì)算結(jié)果顯示,T D 作用下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達(dá)265M Pa,TI 作用下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達(dá)175M Pa,均發(fā)生在某拱與吊臂的連接節(jié)點(diǎn)處.圖7 溫度荷載作用下Cool Dry 變形云圖Fig.7 Displacement co nto ur diag ram of Coo l D ry undertemper ature load(2Coo l M oist 計(jì)算結(jié)果溫度荷載作用下Cool Moist 溫室結(jié)構(gòu)變形云圖見(jiàn)圖8.圖8 溫度荷載作用下C ool Moist

17、變形云圖Fig.8 Displacement co nt our diag ram o f Cool M o ist under temper atur e lo ad由上圖可見(jiàn)SAP 與ANSYS 計(jì)算結(jié)果也比較相近.TD 作用下結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在對(duì)稱軸處拱的頂部,而T I 作用下最大變形發(fā)生在殼體的中部.第4期 石永久,等:溫度荷載對(duì)新加坡植物園展覽溫室拱殼雜交結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析53T D作用下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達(dá)225MPa,T I作用下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達(dá)163MPa,均發(fā)生在某拱與吊臂的連接節(jié)點(diǎn)處.(3結(jié)果統(tǒng)計(jì)為了比較兩種軟件計(jì)算結(jié)果的差異,將結(jié)構(gòu)在溫度荷載單獨(dú)作用下的最大變形示于表4.表4 溫

18、度荷載作用結(jié)構(gòu)的最大變形(單位:mmT able4 M ax imum displacement under temperature load(U nit:mm結(jié)構(gòu)T D T ISAP A N SYS SA P AN SY SCoo l Dr y52.556.542.041.6Coo l M o ist30.028.618.017.3由上表可知,SAP與ANSYS計(jì)算結(jié)果比較接近,達(dá)到了兩個(gè)軟件相互驗(yàn)證的效果.同時(shí),溫度荷載單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力可達(dá)265M Pa,但沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度.3.2.2 溫度荷載與其他工況組合8根據(jù)新加坡和英國(guó)相關(guān)規(guī)范,所有荷載組合系列均與溫度荷載再次組合,組

19、合系數(shù)取1.2.表5、表6列出了Cool Dry和Cool M oist在6種工況下的ANSYS靜力計(jì)算結(jié)果.表中 表示在原工況基礎(chǔ)上考慮溫度荷載后結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化.6種工況依次為9: 1.4DL+ 1.4W x+;1.4DL+1.4W x+1.2T D; 1.4DL+1.4W x+1.2TI; 1.2DL+ 1.2LL+1.2W x+; 1.2DL+1.2LL+ 1.2W x+ 1.2TD; 1.2DL+ 1.2LL+1.2W x+1.2T I.其中W x+為風(fēng)荷載.表5 Co ol D ry溫度荷載影響T able5 T emperatur e load influence o n Coo

20、l Dr y工況拱最大應(yīng)力/M P a最大變形/mm127-134.7-159+25.2%134.9+0.15% 154+21.3%131.7-2.23%115-122.9-147+27.8%120.7-1.79% 142+23.5%130.8+6.43%表5中的應(yīng)力為拱構(gòu)件的最大應(yīng)力,變形為整體結(jié)構(gòu)的最大變形.由表5可見(jiàn),考慮了溫度荷載后,結(jié)構(gòu)的最大變形變化相對(duì)較小,但拱的最大應(yīng)力變化較大,最大超出27.8%.表6中的應(yīng)力為整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力,變形為整體結(jié)構(gòu)的最大變形.由表6可見(jiàn),考慮了溫度荷載后,結(jié)構(gòu)的最大變形變化相對(duì)較小,但最大應(yīng)力變化較大,最大超出86.0%,甚至超出了材料的屈服強(qiáng)度(

21、345M Pa.表6 Cool Moist溫度荷載影響T able6 T emperature load influence on Coo l M o ist工況最大應(yīng)力/M P a最大變形/mm243-142.0-434+78.6%139.3-1.90%407+67.5%152.2+7.18%221-123.6-411+86.0%120.6-2.43%384+73.8%133.7+8.17%3.3 計(jì)算結(jié)果分析由以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),在增設(shè)了彈簧節(jié)點(diǎn)以后,結(jié)構(gòu)在溫度荷載單獨(dú)作用下所有單元應(yīng)力均在屈服強(qiáng)度范圍以內(nèi).在含有溫度荷載的6種不利組合工況作用下,最大變形均小于短向跨度的1/40010 (C

22、ool Dry約為225m m;Cool M oist約為190mm,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也基本滿足要求.雖然,有部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果超過(guò)屈服強(qiáng)度,但這可能是由于軟件間的差異造成的,同時(shí)由于SAP計(jì)算結(jié)果顯示應(yīng)力比均滿足要求,因而可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的.4 結(jié) 論通過(guò)溫度荷載對(duì)新加坡植物園展覽溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響分析可以得到以下結(jié)論:(1運(yùn)用兩種軟件進(jìn)行相互校核和驗(yàn)算,提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度.(2溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響尤為顯著,但對(duì)位移影響不大.(3溫度荷載作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力大多發(fā)生在吊臂與拱或者殼體桿件連接處,可見(jiàn)溫度荷載對(duì)節(jié)點(diǎn)附近應(yīng)力的影響較大.(4在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,必須合理確定結(jié)構(gòu)的合攏溫度,正

23、確估計(jì)結(jié)構(gòu)的溫度荷載,充分考慮溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的影響參考文獻(xiàn)1范重,王喆,唐杰.國(guó)家體育場(chǎng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析與合攏溫度研究J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2007,28(2:32 40.54 空 間 結(jié) 構(gòu) 設(shè)計(jì)與相關(guān)技術(shù)研究 C 2009: 91 102. W AN GY uan qing, SHI Yo ng jiu, 第 16 卷 劉 錫良. 第 九屆全 國(guó)現(xiàn) 代結(jié) F A N Zhong , WA N G Zhe, T A NG Jie. Analysis o n tem perature field and determinatio n of temper ature upon heal

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