溫度作用對(duì)電廠鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析

齊秋平，梅彥民，張之川

（東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021）

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外電力建設(shè)項(xiàng)目日益增多，按照不同國(guó)家的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及項(xiàng)目招標(biāo)書要求，對(duì)溫度作用的要求有的明確寫到合同中。以往國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)中基本通過構(gòu)造措施來(lái)滿足溫度效應(yīng)作用，如采取設(shè)置溫度伸縮縫對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，采取保溫隔熱措施對(duì)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)進(jìn)行限制等方法。本文結(jié)合電廠工程建設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)例、各國(guó)規(guī)范要求以及國(guó)內(nèi)外已有的研究，探討溫度作用對(duì)電廠鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，總結(jié)溫度作用分析方法，提出合理的建議，為今后的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 溫度作用的分析

溫度作用主要由3種因素產(chǎn)生：年溫差變化、日照溫差變化、驟然溫差變化。其中，年溫差是指結(jié)構(gòu)閉合階段的溫度與結(jié)構(gòu)正常使用時(shí)的最高、最低溫度之差；日照溫差是指露天日照條件下，結(jié)構(gòu)所形成的不均勻溫度分布，以及不同時(shí)刻的溫度變化，需要計(jì)算溫度場(chǎng)；驟然溫差是指由于寒流及冷空氣的影響，形成截面溫度的不均勻分布［1］。年溫差一般可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料得到，而日照溫差變化、驟然溫差變化不易確定，因?yàn)槠錇榉欠€(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，所以目前大多數(shù)工程驗(yàn)算年溫差的溫度作用，只有少數(shù)的工程對(duì)日照溫差變化的溫度作用進(jìn)行溫度分析。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度的變化將導(dǎo)致構(gòu)件各部位膨脹、收縮，主要有3種形式：軸向變形、彎曲變形和截面不均勻變形。在靜定結(jié)構(gòu)中，如果各構(gòu)件溫度沿截面高度呈線性變化，則結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生變形，無(wú)溫度自應(yīng)力（在截面上能自相平衡的應(yīng)力）的產(chǎn)生。如果各構(gòu)件溫度沿截面高度呈非線性變化，則構(gòu)件截面上會(huì)產(chǎn)生溫度自應(yīng)力。在超靜定結(jié)構(gòu)中，無(wú)論溫度沿構(gòu)件截面高度呈非線性變化還是線性變化，都會(huì)引起結(jié)構(gòu)的位移，而且由于多余約束的存在，都會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

2 國(guó)內(nèi)溫度場(chǎng)的計(jì)算方法

2.1 室外溫度綜合法［2］

日照下的室外溫度以“室外綜合溫度tz”表征，其等于太陽(yáng)輻射等效溫度峰值tdmax與出現(xiàn)該峰值時(shí)刻相應(yīng)室外氣溫tw之和（因?yàn)槭彝鉄嶙饔冒ㄌ?yáng)輻射與氣溫等，它們均非諧波，其峰值一般不在同一時(shí)刻出現(xiàn)），建立tz表達(dá)式時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)速的影響。確定正曬面外表面溫度峰值t1時(shí)，以修正系數(shù)k 考慮最大氣溫與太陽(yáng)輻射等效溫度峰值出現(xiàn)時(shí)差別。室外綜合溫度表達(dá)式為：

式中：tdmax為太陽(yáng)輻射等效溫度峰值；tw為室外氣溫晝夜平均值；θtw為出現(xiàn)twp時(shí)的室外氣溫波動(dòng)值；Jmax為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度峰值；ε為結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收系數(shù)；αw為結(jié)構(gòu)表面熱轉(zhuǎn)移系數(shù)。

視室外綜合溫度為平均值與波動(dòng)值兩部分組成，其相應(yīng)傳熱過程也是由穩(wěn)定傳熱和單向諧波兩部分疊加，據(jù)此可得出受太陽(yáng)輻射的正曬面結(jié)構(gòu)外表面溫度峰值t1的基本表達(dá)式：

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式法［3］

根據(jù)《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施／暖通空調(diào)·動(dòng)力》，箱型鋼構(gòu)件表面的瞬時(shí)輻射溫度為：

式中：ρ為太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)，J為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，αh為換熱系數(shù)。

2.3 有限元分析法

文獻(xiàn)［2］提出對(duì)溫度作用采用有限元計(jì)算方法，在不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用計(jì)算軟件不同，計(jì)算方法稍有不同，但是分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本契合，說(shuō)明采用有限元分析具有一定的可靠性。

3 國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)溫度作用的規(guī)定

印度標(biāo)準(zhǔn)IS 800：2007規(guī)定：結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件單元由于溫度變化引起膨脹或收縮應(yīng)給與考慮。各地區(qū)溫度變化包括晝夜溫差及季節(jié)性溫差，有關(guān)數(shù)據(jù)可以在印度國(guó)家計(jì)量部得到；露天環(huán)境或直接暴露于陽(yáng)光下構(gòu)件，溫度作用也應(yīng)給與考慮。關(guān)于溫度伸縮縫，由于受諸多因素影響，由設(shè)計(jì)工程師按實(shí)際工程情況確定。如果結(jié)構(gòu)布置按照?qǐng)D1、圖2執(zhí)行，這樣布置的一個(gè)單元可不進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。

由于個(gè)別項(xiàng)目地處熱帶沿海區(qū)域，在合同條款中提出要求做溫度作用計(jì)算。設(shè)計(jì)中與業(yè)主工程師溝通，對(duì)于溫度作用效應(yīng)，按照年最高溫度與最低溫度差值的2／3作為溫差計(jì)算，且僅考慮沿構(gòu)件軸向方向作用。

美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范：無(wú)明確規(guī)定?！睹绹?guó)房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和安裝規(guī)范》（ANSI A 10.13－1989）提到“必須做出與結(jié)構(gòu)使用條件適應(yīng)的有關(guān)伸縮縫適當(dāng)設(shè)置的規(guī)定”。

圖1 一跨設(shè)置支撐的最大長(zhǎng)度

圖2 中間二跨設(shè)置支撐的最大長(zhǎng)度

英國(guó)有關(guān)規(guī)定，如英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范BS449，1959《房屋建筑中結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用》指出“在建筑物的設(shè)計(jì)及施工中，當(dāng)考慮溫度變化作用時(shí)，在英國(guó)及北愛爾蘭假定結(jié)構(gòu)使用溫度變化不超過20～120 ℉（－7～49℃），但具體設(shè)計(jì)溫度差應(yīng)根據(jù)建筑地點(diǎn)、形式及用途而定。對(duì)在特殊情況下及國(guó)外的結(jié)構(gòu)物，承受不同溫度變化者，必須做特殊考慮”。BS5950鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范第二部分極限狀態(tài)設(shè)計(jì)中指出：在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工過程中，有必要考慮溫度變化的影響?？杉俣ㄓ?guó)室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的溫度在－5～35℃變化，應(yīng)注意溫度變化的范圍與地點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的類型和使用功能有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境和地點(diǎn)不同時(shí)，其溫度變化范圍應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)取1.2。BS5400 規(guī)范關(guān)于溫度作用的規(guī)定是迄今國(guó)外關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)溫度作用規(guī)定最為詳細(xì)的。在總則中，考慮了氣溫、太陽(yáng)輻射、逆輻射等每日和季節(jié)變化因素。

法國(guó)有關(guān)規(guī)定：1956年《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工規(guī)程》：“拱結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)都要考慮溫度的影響，對(duì)其他結(jié)構(gòu)，當(dāng)長(zhǎng)度超過50 m 時(shí)，除非采取特殊措施，在計(jì)算中必須考慮溫度伸縮的因素”，“溫度差允許值為±27℃，北非地區(qū)為±36℃”。

日本鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定：日本建筑學(xué)會(huì)《鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)準(zhǔn)》（1995年12月10日版）第三章第5條規(guī)定：“由于溫度應(yīng)力變化所引起大應(yīng)力的結(jié)構(gòu)需考慮其影響”。

GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類型和使用狀態(tài)做出設(shè)置伸縮縫間距的規(guī)定；GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，對(duì)溫度作用做了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)于荷載分項(xiàng)系數(shù)，組合系數(shù)有了清晰規(guī)定，對(duì)于如何計(jì)算3種溫度變化的溫度作用，規(guī)定不是很詳細(xì)具體，但提出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先采取有效構(gòu)造措施來(lái)減少或消除溫度作用效應(yīng)，如設(shè)置結(jié)構(gòu)的活動(dòng)支座或節(jié)點(diǎn)，設(shè)置溫度縫，采取隔熱保溫措施等。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在溫度作用和其他可能組合的荷載共同作用下產(chǎn)生效應(yīng)（應(yīng)力或變形）可能超過承載力極限或正常使用極限時(shí)，比如結(jié)構(gòu)某一方向平面尺寸超過伸縮縫最大間距或溫度區(qū)段長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)約束較大、房屋較高等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均需考慮溫度作用。

各國(guó)規(guī)范對(duì)溫度作用要求不一，并且有的國(guó)家沒有明確規(guī)定。對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)形式，溫度作用效應(yīng)要給予考慮，但是溫度作用效應(yīng)的取值還處于探索階段。

4 電廠工程實(shí)例

4.1 圓形煤場(chǎng)

撫順某熱電廠地處市中心，儲(chǔ)煤場(chǎng)為直徑120 m 封閉圓形結(jié)構(gòu)，側(cè)面為鋼筋混凝土擋墻，屋蓋為大跨度鋼網(wǎng)架圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由于鋼結(jié)構(gòu)近似于直接暴露室外，受溫度變化的影響顯著。施工安裝期間溫度差異不大，在使用期隨著環(huán)境溫度的變化，鋼結(jié)構(gòu)不同部位在同一時(shí)刻的溫度差異較大，受太陽(yáng)輻射和表面風(fēng)作用的影響，上弦桿的溫度變化幅度比斜腹桿、下弦桿略大。利用無(wú)線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)安裝期及使用期進(jìn)行溫度測(cè)試。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)主廠房建筑

利港某電廠為4×600 MW 機(jī)組，主廠房總長(zhǎng)343.6m，每臺(tái)機(jī)組作為一個(gè)單元，每單元長(zhǎng)度分為80m 與90m 兩種，兩單元間設(shè)置一道1.2m 伸縮縫；主廠房橫向布置汽機(jī)房跨度30.6 m，除氧間跨度9.0m，煤倉(cāng)間跨度11.0m，橫向總寬度50.6m，橫向柱間垂直支撐布置在除氧間跨或煤倉(cāng)間跨內(nèi)；每單元（即一個(gè)溫度區(qū)段）縱向設(shè)置兩道柱間垂直支撐；汽機(jī)房屋面為鋼桁架金屬?gòu)?fù)合板輕型封閉，除氧間與煤倉(cāng)間中樓屋面為鋼梁混凝土澆制板。結(jié)構(gòu)模型計(jì)算采用三維計(jì)算軟件STAAD－III，按照GB 50017—2003執(zhí)行，模型計(jì)算時(shí)未進(jìn)行溫度作用核算，電廠分別于2004年、2005年投產(chǎn)，運(yùn)行至今，廠房使用情況良好，未發(fā)現(xiàn)由于溫度變化引起的不良現(xiàn)象。

4.3 電廠中的鋼結(jié)構(gòu)建筑

印度某電廠脫硫電控樓，長(zhǎng)36 m，高15 m，分三層布置，外圍護(hù)為金屬?gòu)?fù)合保溫板，屋面為鋼筋混凝土板全封閉結(jié)構(gòu)，樓面采用澆制鋼筋混凝土板。結(jié)構(gòu)體系采用特殊中心支撐框架體系，柱腳與基礎(chǔ)鉸接、梁與柱采用高強(qiáng)度螺栓鉸接，縱橫向框架設(shè)置必要的垂直支撐。此建筑所在地年最低氣溫20℃，最高氣溫37℃，按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，此建筑可不進(jìn)行溫度作用核算；但是按照合同及業(yè)主要求，需要對(duì)地上結(jié)構(gòu)所有鋼構(gòu)件做軸向溫度變化計(jì)算，溫度變化差取為11℃，在工程設(shè)計(jì)中采用BENTLNEY公司開發(fā)計(jì)算軟件STAAD－Pro計(jì)算。同時(shí)采用有限元分析法的MIDAS軟件進(jìn)行核算，僅此11℃溫差對(duì)構(gòu)件內(nèi)力影響很小，只是對(duì)水平布置鋼梁、柱間垂直支撐內(nèi)力稍有作用，內(nèi)力變化幅度約為10kN。

在此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，溫度荷載分項(xiàng)系數(shù)以及組合系數(shù)等如何取用為以后工程提供借鑒，同時(shí)在考慮鋼構(gòu)件受溫度作用時(shí)應(yīng)考慮樓面混凝土板協(xié)調(diào)變形。

5 結(jié)論

溫度作用對(duì)于普通的電廠鋼結(jié)構(gòu)影響很小，一般僅通過構(gòu)造措施即可有效降低溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；但是隨著建筑使用功能新穎獨(dú)特要求，結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越龐大，空間布置越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于大空間建筑以及高聳建筑，溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響不容忽視；針對(duì)溫度作用設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)外規(guī)范并沒有明確的列舉，溫度場(chǎng)作用不是簡(jiǎn)單幾個(gè)理論就可解決的，需要大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論探索。

［1］邊廣生.空間結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)理論分析及試驗(yàn)研究［D］.南京：東南大學(xué)，2004.

［2］李洪猷.高層建筑結(jié)構(gòu)日照影響額研究［J］.工程力學(xué)，1990，7（3）：65－81.

［3］建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司（中國(guó)減數(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究所）.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)Ⅱ暖通空調(diào)·動(dòng)力［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.