溫度作用對(duì)雙層柱面網(wǎng)殼邊界支座影響的探討

劉 軍

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 工程背景

該洗煤廠(chǎng)原煤儲(chǔ)煤倉(cāng)的平面尺寸為95×184 m，結(jié)構(gòu)高度為36 m。采用雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，曲面形式為三心圓弧曲線(xiàn)，網(wǎng)架厚度為3 m，網(wǎng)格形式采用正方四角錐形式，節(jié)點(diǎn)形式為螺栓球節(jié)點(diǎn)，采用壓型鋼板輕型屋蓋。

圖1 網(wǎng)殼剖面圖

桿件采用Q235無(wú)縫鋼管，鋼材的線(xiàn)膨脹系數(shù)為0.000 0121/℃。由于結(jié)構(gòu)跨度大、縱向邊界長(zhǎng)，且網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)支座形式極其敏感，本文將結(jié)合支座形式對(duì)結(jié)構(gòu)變形、強(qiáng)度、溫度應(yīng)力等幾個(gè)方面的影響反應(yīng)來(lái)確定支座形式。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 分析模型

該工程采用螺栓球節(jié)點(diǎn)形式，所有桿件為鉸接，忽略節(jié)點(diǎn)剛度的影響，采用空間桁架結(jié)構(gòu)體系有限元進(jìn)行彈性分析，分析模型見(jiàn)圖2。采用通用有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。桿件采用Q235無(wú)縫鋼管，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后選取8種鋼管截面，最小鋼管為Φ75.5×3.75，最大鋼管為Φ180×12。

圖2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2.2 設(shè)計(jì)荷載

本工程承受的荷載和作用如下：工況1：上弦恒載標(biāo)準(zhǔn)值：0.30 kN/m2，下弦恒載標(biāo)準(zhǔn)值：0.20 kN/m2；工況 2：上弦活載標(biāo)準(zhǔn)值：0.50 kN/m2；工況3：計(jì)算溫差：由于本工程地處嚴(yán)寒地區(qū)，考慮工程難以全封閉采暖，設(shè)計(jì)考慮±30℃溫差。

2.3 荷載效應(yīng)組合

1.35 ×恒載+1.4×0.7×活載+溫差；1.20×恒載+1.4×活載+溫差。

2.4 邊界支承條件分析

本工程跨度95 m，縱向長(zhǎng)度184 m，由溫差引起的溫度應(yīng)力不容忽視。通過(guò)對(duì)不同支座條件下（包括支座位置、支座釋放方式、支座釋放彈簧剛度的大小）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的變形和受力特征分析，得出一種釋放引溫差引起的溫度應(yīng)力相對(duì)較優(yōu)的支座方案。假定所有支座為固定鉸支座，通過(guò)分析確定需要釋放約束的支座位置及支座約束方向。

2.4.1 支座反力分析

通過(guò)網(wǎng)殼4種不同位置的支座反力來(lái)比較分析由溫度應(yīng)力引起的該處位置支座反力程度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各工況組合下的支座反力

從表1中可以看出：

（1）縱向中部支座至角部支座，Y方向由溫度作用引起的支座反力逐漸增大，并起控制作用，主要原因是網(wǎng)殼縱向邊界較長(zhǎng)，且溫度作用下在該方向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力無(wú)法釋放，所以需設(shè)置彈性支座以釋放該溫度應(yīng)力。

（2）角部支座處X方向引溫度作用引起的反力非常嚴(yán)重，需將端部支座設(shè)為彈性支座，沿X方向適當(dāng)放寬約束。

（3）將縱向中部及邊部支座沿法向設(shè)置彈性支座，選擇適當(dāng)?shù)膹椥詣偠取?/p>

2.4.2 彈性支座剛度對(duì)結(jié)構(gòu)變形和受力性能的影響

首先采用網(wǎng)殼縱向支承約束條件在邊界法向不放開(kāi)，在邊界切向釋放約束，即布置沿切向的彈性支座。考慮4種彈性剛度：500 N/mm、1 000 N/mm、2 000 N/mm、5 000 N/mm，以確定最優(yōu)的支座剛度。分析以上假定的3種方案，得到結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 縱向支座沿切向彈性剛度不同對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

從各種方案的位移及支座反力可知，對(duì)于不同彈性剛度，彈性剛度越小即為支座釋放越充分，桿件應(yīng)力越小。由于結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載和地震荷載，彈性剛度不易太小，否則在水平荷載作用下支座將產(chǎn)生很大的水平位移。則本工程宜采用1 000 N/mm的彈性剛度。經(jīng)模型分析得出，此時(shí)支座處因溫度作用引起的支座位移為27.5 mm，網(wǎng)殼拱頂沿縱向位移為34.4 mm，工程上滿(mǎn)足位移協(xié)調(diào)條件；且由表2可得，該方案不影響雙層柱面網(wǎng)殼的空間殼體性能，不會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度。

2.4.3 端部網(wǎng)架支座的溫度應(yīng)力釋放

從表2還可以看出，由于縱向支承約束邊界切向釋放約束，而端部支座法向約束未釋放，使得端部邊支座附近部分桿件由溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力增大，不利于溫度應(yīng)力的釋放。由此將端部支座法向約束釋放，并釋放支座切向約束，采用彈性剛度為1000N/mm的彈性支座來(lái)釋放溫度應(yīng)力，并使端網(wǎng)架與柱面網(wǎng)殼滿(mǎn)足位移協(xié)調(diào)條件。分析結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3看出，端部支座釋放切向及法向約束后，該處端部網(wǎng)橋的溫度應(yīng)力得到明顯改善；且雙層柱面網(wǎng)殼的空間殼體性能良好，采用端部彈性支座不會(huì)降低結(jié)構(gòu)的整體剛度。

2.4.4 縱向支座沿法向設(shè)置彈性支座

從表3還可以看出，由于端部支承約束邊界切向釋放約束，而網(wǎng)殼縱向支座法向約束未釋放，使得縱向邊部支座附近部分桿件由溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力增大，不利于溫度應(yīng)力的釋放，考慮將網(wǎng)殼縱向支座法向約束釋放。但對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，如果放松縱向邊界的法向約束，則將大大降低網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的空間殼體性能、嚴(yán)重削弱網(wǎng)殼的承載能力、降低結(jié)構(gòu)的剛度，嚴(yán)重的還會(huì)危及結(jié)構(gòu)的安全[3~4]。因此，不易沿縱向全長(zhǎng)釋放支座法向約束。本工程有端部山墻網(wǎng)架，可考慮適當(dāng)釋放個(gè)別縱向邊部支座法向約束，來(lái)釋放角支座及縱向邊部支座附近的溫度應(yīng)力。采用彈性剛度為1 000 N/mm的彈性支座，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 溫度作用下端支座釋放法向及切向約束對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

表4 溫度作用下縱向邊部個(gè)別支座釋放法向約束對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

由表4可以看出，將靠近角支座的4個(gè)縱向支座沿法向設(shè)置剛度為1 000 N/mm的彈性支座能夠有效降低該處嚴(yán)重的溫度應(yīng)力，該工程允許的最大空間位移為237.5 mm[5]，在設(shè)置4個(gè)法向彈性支座的情況下也能夠保證結(jié)構(gòu)的空間殼體性能，結(jié)構(gòu)的整體剛度不會(huì)超出規(guī)范允許范圍。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較不同支座約束條件下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的變形和受力性能，可以得到釋放縱向支座的切向約束、端支座的切向及法向約束、角支座的切向及法向約束能較大地減小桿件的溫度應(yīng)力，在條件允許的情況下（如端部設(shè)有山墻網(wǎng)架）釋放縱向邊部支座的法向約束。本工程彈性剛度選用1 000 N/mm是經(jīng)過(guò)分析決定的，支座彈性剛度的選用在考慮釋放溫度應(yīng)力的同時(shí)要保證結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的需要，不易選用不利于網(wǎng)殼空間殼體性能，降低結(jié)構(gòu)整體剛度的布置方案?？紤]溫度應(yīng)力的另一種方法是將其簡(jiǎn)化為一種荷載，然后通過(guò)有限元法來(lái)分析，對(duì)溫度的變化加以抽象和歸納。