太陽(yáng)輻射作用下大跨度鋼結(jié)構(gòu)塔架溫度場(chǎng)及應(yīng)力分析

蔡靖，王斯穎

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

太陽(yáng)輻射作用下大跨度鋼結(jié)構(gòu)塔架溫度場(chǎng)及應(yīng)力分析

蔡靖，王斯穎

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

太陽(yáng)輻射時(shí)非均勻溫度作用是對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)塔架影響較大的作用之一，由于鋼材的導(dǎo)熱性能好，溫度影響更加顯著．利用有限元軟件建立瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體模型，利用ASHARE晴空模型分析塔架結(jié)構(gòu)整體模型隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)分布規(guī)律．然后利用熱分析得到的溫度場(chǎng)作為溫度荷載施加到整體模型的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，獲得塔架整體結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，給出塔架所在地區(qū)太陽(yáng)輻射作用下整體結(jié)構(gòu)的最大變形量和最大應(yīng)力值及其分布位置，為施工和設(shè)計(jì)提供參考和數(shù)據(jù)支持．

大跨度鋼結(jié)構(gòu)；太陽(yáng)輻射；瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合分析；溫度場(chǎng)；最大變形和應(yīng)力

大跨度鋼結(jié)構(gòu)輸電塔架暴露于室外，常年受到各種自然環(huán)境的影響，由太陽(yáng)輻射引起的溫度應(yīng)力對(duì)其影響尤為顯著[1-2]，甚至溫度會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生致命后果．如在1992年和1993年，500 kV高壓輸電線(xiàn)路2次發(fā)生倒塔事故，造成了很大經(jīng)濟(jì)損失．

2008年初春一場(chǎng)罕見(jiàn)冰雪災(zāi)害，致使全國(guó)電網(wǎng)中有36 740條10 kV及以上的電力線(xiàn)路停止運(yùn)行，給生產(chǎn)生活造成了極為嚴(yán)重影響．目前，我國(guó)學(xué)者范重等人[3-4]計(jì)算了由溫度變化引起國(guó)家體育場(chǎng)構(gòu)件的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，得出溫度作用對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)的影響較大，不可忽視．高昂等人[5]通過(guò)分析得出了廣州新火車(chē)站主站鋼結(jié)構(gòu)屋頂各個(gè)分區(qū)在日照條件下溫度作用對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，表明溫度已成為結(jié)構(gòu)施工和設(shè)計(jì)時(shí)的控制荷載之一，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要加以考慮．林錯(cuò)錯(cuò)等[6]對(duì)CCTV新臺(tái)址主樓懸臂段的合攏施工過(guò)程進(jìn)行分析．分析得出由溫度引起的焊接應(yīng)力較大，最大應(yīng)力可達(dá)到94MPa．

綜上所述，對(duì)于暴露在外的大跨度鋼結(jié)構(gòu)輸電塔架在設(shè)計(jì)、使用和施工中必須考慮溫度．但目前對(duì)于這種高聳、柔性、大跨度的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物尚缺乏溫度作用下的力學(xué)性能分析和研究．有必要研究整體大跨度鋼結(jié)構(gòu)塔架在太陽(yáng)輻射作用下的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與使用安全提供重要依據(jù)，對(duì)輸電安全和生產(chǎn)安全具有重要意義．

1 工程概況

本文研究對(duì)象為甘肅省某地750 kV特高壓變電站，由鋼結(jié)構(gòu)塔架組成如圖1所示．塔架塔柱高55.9 m，梁跨度49m．塔架塔柱、橫梁及斜撐由23種不同截面組成，如表1所示．塔架主材之間，主材與斜材，梁柱連接處及梁內(nèi)桿件都可視為剛性連接形式[7]．本文為了研究跨度對(duì)溫度應(yīng)力的影響，分別建立了一跨、三跨和五跨3種跨度塔架分析模型．

圖1 三跨塔架結(jié)構(gòu)圖（單位：m）Fig.1 Structure chartof three-span tower(unit：m)

2 太陽(yáng)輻射溫度場(chǎng)整體模型分析

2.1 輻射強(qiáng)度ASHRAE晴空模型

塔架接收的太陽(yáng)輻射由直射輻射、天空散射輻射和地面與建筑物反射輻射組成．根據(jù)美國(guó)供暖、制冷、和空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）推薦使用的ASHRAE晴空模型[8]，選用根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度擬合得到的隨年序日連續(xù)變化的系數(shù)，計(jì)算瞬時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度．瞬時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度由晴天地球表面太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，晴天地球表面非垂直面的太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度和晴天地球表面的太陽(yáng)反射輻射強(qiáng)度3部分組成[9]．

晴天地球表面太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度

式中：GND為直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；A為大氣層外的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；B為大氣消光系數(shù)；為太陽(yáng)高度角；CN為大氣清潔度；為入射角（即太陽(yáng)光線(xiàn)與平面法線(xiàn)之間的夾角），如果cos小于0，則沒(méi)有直射入射到表面，即表面處于陰影中．

晴天地球表面非垂直面的太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度：

表1 塔架各桿件截面尺寸Tab.1 Sectionaldimension of barsin the steel tower

式中：C為平面上散射輻射與垂直入射直射的比值；Fws為表面對(duì)天空的角系數(shù)．

晴天地球表面的太陽(yáng)反射輻射強(qiáng)度

式中：GR為反射到表面上的輻射量，W/m2；GtH落在壁面之前的水平面或者地面上的總輻射量（直射加散射），W/m2；g地面或水平面的反射率；Fwg表面對(duì)地面的角系數(shù)．

入射到非垂直結(jié)構(gòu)表面的太陽(yáng)總輻射為

塔架結(jié)構(gòu)實(shí)際得到的太陽(yáng)輻射熱流密度為

式中：qs為結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面實(shí)際得到的太陽(yáng)輻射熱流密度；為結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的太陽(yáng)輻射吸收率．

因此太陽(yáng)輻射在鋼結(jié)構(gòu)塔架表面形成的溫度場(chǎng)影響因素為，太陽(yáng)入射角，為太陽(yáng)高度角，二者由結(jié)構(gòu)所處地區(qū)的經(jīng)緯度決定．平面上散射輻射與垂直入射直射的比值C，g為地面或水平面的反射率，為結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的太陽(yáng)輻射吸收率，大氣層外的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度A，大氣消光系數(shù)B，大氣清潔度CN，鋼結(jié)構(gòu)表面導(dǎo)熱系數(shù)h．

2.2太陽(yáng)輻射模型建立及參數(shù)選取

利用ANASYS軟件，運(yùn)用太陽(yáng)輻射與鋼結(jié)構(gòu)散熱耦合分析法采用solid70實(shí)體單元建立瞬態(tài)熱分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體實(shí)腹式模型如圖2所示．柱體高度50m，截面長(zhǎng)5m，寬2.5m，厚度20mm；橫梁截面寬5m，高1.6m，跨度49m，厚度20mm．分別對(duì)柱體和橫梁劃分網(wǎng)格后，將重合點(diǎn)粘貼起來(lái)，模擬剛接形式．鋼結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析過(guò)程中參數(shù)[10]見(jiàn)表2．

2.3 太陽(yáng)輻射溫度場(chǎng)分析

2.3.1 3個(gè)跨度結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析

利用以上有限元模型分析計(jì)算得出整體結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的溫度變化，轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析單元并施加上一步得到的溫度荷載以及約束條件得到結(jié)構(gòu)跨度方向與北向夾角為0℃，輻射吸收率為0.55時(shí)3種跨度結(jié)構(gòu)各個(gè)時(shí)刻的溫度變化規(guī)律如圖3所示．

圖2 整體模型Fig.2 Solidmodelof thesteel tower

表2 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬參數(shù)Tab.2 Parametersof temperature simulation

由圖3可以看出結(jié)構(gòu)的最高溫度和最低溫度不隨跨度變化，結(jié)構(gòu)各個(gè)表面溫度分布隨時(shí)間而變化，最低溫度變化在9～17℃，最高溫度變化在14～71℃；最高溫度出現(xiàn)在下午14時(shí)，溫度為70.5℃；最大溫差也出現(xiàn)在下午14時(shí)左右，相差53℃．

2.3.2 太陽(yáng)輻射下塔架柱、梁截面溫度變化規(guī)律

選取一跨結(jié)構(gòu)塔架進(jìn)行溫度沿結(jié)構(gòu)表面路徑變化的分析．圖4結(jié)果為連跨方向與北向夾角成0℃，輻射吸收系數(shù)為0.55最高溫度時(shí)（14時(shí)）溫度沿結(jié)構(gòu)表面路徑的變化．

從圖4a）可知，柱體橫截面迎光面中間區(qū)域溫度最高，兩側(cè)下降，因?yàn)橛饷鎯蓚?cè)與背光面連接，所以連接處溫度發(fā)生下降，中間與兩側(cè)相差22℃；由4b）可知，溫度沿梁截面高度方向溫差最大為5℃．

圖4 塔架柱和梁表面溫度變化曲線(xiàn)Fig.4 Temperature variation curves on surfaceof tower columnsand beams

3 溫度作用下3個(gè)跨度變形與應(yīng)力分析

一跨、三跨和五跨結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力變化情況如表3所示．

由表3中可知，結(jié)構(gòu)所用鋼抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為325～380MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為185～220MPa．X方向應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值的31%～64%，Y方向應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值的45%～57%，而Z方向應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值的50%；XY和XZ方向剪應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的66%～70%．從以上分析可以看出，溫度應(yīng)力在設(shè)計(jì)中不容忽視，應(yīng)作為一種荷載進(jìn)行組合．

4 結(jié)論

1）結(jié)構(gòu)的各個(gè)表面溫度分布隨時(shí)間而變化，最低溫度變化在9～17℃，最高溫度變化在14～71℃．

2）最高溫度出現(xiàn)在下午14時(shí)，溫度為70.5℃；最大溫差也出現(xiàn)在下午14時(shí)左右，相差53℃．

3）溫度沿路徑不均勻變化．

4）整體結(jié)構(gòu)位移最值都在最右端的柱頂；X方向應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值的64%，Y方向應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值的57%，而Z方向應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值的50%；XY和XZ方向剪應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%．溫度應(yīng)力在設(shè)計(jì)中不容忽視，應(yīng)作為一種荷載進(jìn)行組合．

表3 各個(gè)跨度結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力最值Tab.3 Displacementsand stressof towers w ith one threeand five spans

[1]孫銳銳．大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)和焊接效應(yīng)分析[D]．天津：天津大學(xué)建工學(xué)院，2008．

[2]宋曉．大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋溫度場(chǎng)模擬及效應(yīng)分析[D]．廣州：華南理工大學(xué)，2012．

[3]范重，劉先明，范學(xué)偉，等．國(guó)家體育場(chǎng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28（2）：1-16．

[4]范重，王哲，唐杰，等．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．

[5]高昂，陳兆雄，馮健，等．不均勻溫度作用對(duì)廣州新客站主站房鋼結(jié)構(gòu)影響[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（12）：46-48．

[6]林錯(cuò)錯(cuò)，王元清，石永久，施剛．溫度作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的影響分析[J]．第十屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)，2010：948-956．

[7]Kaushika N D，Shanna P K，Padma Priya R．Solarthermalanalysisofhoneycomb roof coversystem forenergy conservation inanair-conditioned building[J]．Energy and Building，1992，18（1）：45-49．

[8]劉樹(shù)堂，龍期亮．基于ASHRAE晴空模型的日照作用下鋼構(gòu)件的溫度場(chǎng)分析[J]．建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2012，14（5）：35-43．

[9]陳建穩(wěn)，候紅青，樊祜壯．日照條件下空間鋼結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究[J]．鋼結(jié)構(gòu)，2011，26（12）：1-5．

[10]Threlkeld J L．Thermalenvironmentalengineering[M]．Englewood Cligs，NJ：1rentiee-Hall，1970．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

Study on the stressand temperature field of long span steel towerundersolar radiation

CAIJing，WANG Si-ying

(Collegeof Airport Engineering,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

Uniform temperatureeffectcaused by solar radiation isoneof themosteffects fora long span steel towerand due toagood heatconducting property,the temperatureeffecton steelstructure ismoreoutstanding.So the transientthermal-structural coupling solidmodel is established herebased on finiteelementsoftwareand the ASHAREmodel isused to analyze the time-dependent temperature field on thesteel tow ersolidmodel.Then the time-dependent temperature field obtained from above research is taken as tem perature load applying on the nodesof thesolidmodel.Further the stressand deformationsof the structure arediscussed too.Therefore themaximum deformationsand stressand their locationson the steel tow er are obtained herewhich can provide data and some advice for the steel tower's design and construction.

long span steel structure;solar radiation;transient thermal-structural coupling analysis;temperature field; maximum deformation and stress

V 351. 11；TV431.5

A

1007-2373(2014)06-0113-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.029

2014-09-26

蔡靖（1975-），女（漢族），副教授．Email：jcai@cauc.edu.cn．