溫度作用對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)天橋設(shè)計(jì)的影響

張寧

0 引言

大跨度鋼結(jié)構(gòu)通常為超靜定結(jié)構(gòu)，在約束下溫度作用下會(huì)產(chǎn)生較大位移和應(yīng)力，當(dāng)溫度效應(yīng)占總效應(yīng)比值較多時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)明顯的變形或構(gòu)件的應(yīng)力破壞。本文結(jié)合溫度作用類型和特點(diǎn)，以廣州某地區(qū)有軌電車近端天橋工程為例，采用MIDAS/Gen 軟件進(jìn)行計(jì)算，并通過對(duì)比桿件在恒、活、風(fēng)與溫度組合工況作用下的內(nèi)力和變形分析，得出溫度作用對(duì)桿件應(yīng)力、變形和支座內(nèi)力不同程度的影響，對(duì)同類工程溫度作用的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

1 溫度作用的類型及特點(diǎn)

1.1 溫度作用的類型

結(jié)合以往的分析經(jīng)驗(yàn)，溫度作用的產(chǎn)生主要與年溫差變化、日照溫度變化和驟然溫差變化相關(guān)。其中，年溫差主要是指結(jié)構(gòu)的合攏階段溫度與結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)時(shí)最高以及最低平均溫度的差值；日照溫差主要是指在露天日照條件下，結(jié)構(gòu)受到不均勻溫度分布變化影響，在不同時(shí)刻所表現(xiàn)出的溫度變化有所不同；驟然溫差主要是指受到寒流和冷空氣的影響，導(dǎo)致截面溫度不均勻分布現(xiàn)象；其中日照溫度和驟然溫度變化屬于非穩(wěn)定應(yīng)力場，需要大量可靠的數(shù)據(jù)和分析，目前僅有少數(shù)工程進(jìn)行針對(duì)性分析，大部分工程僅考慮年溫差作用。

1.2 溫度作用的變形及特點(diǎn)

溫差引起的溫度分布主要有均勻分布的溫度、沿截面線性變化的分布溫度以及沿截面的非線性變化的分布溫度。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度發(fā)生明顯變化時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。從變形結(jié)果分析，軸向、彎曲以及截面不均勻變形等均可以視為基于溫度作用下鋼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形表現(xiàn)；在靜定結(jié)構(gòu)中，如果各構(gòu)件溫度沿截面高度表現(xiàn)出線性變化特點(diǎn)，此時(shí)結(jié)構(gòu)只會(huì)發(fā)生明顯的變形現(xiàn)象，并無溫度自應(yīng)力問題出現(xiàn)。而如果各構(gòu)件溫度沿截面高度表現(xiàn)出非線性變化特點(diǎn)，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生明顯的自應(yīng)力現(xiàn)象以及變形；在超靜定結(jié)構(gòu)中，只要溫度沿構(gòu)件截面高度出現(xiàn)線形或非線形變化，都會(huì)引起結(jié)構(gòu)位移現(xiàn)象，再加上多余約束的影響，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生明顯的溫度應(yīng)力變化。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

廣州市某有軌電車近端天橋，上部結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 年，設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度為7 度（0.10g），第一組，場地類別為Ⅱ類；天橋主體總長117.042m，結(jié)合跨線間距和站臺(tái)布置，天橋被分成47.8m 和38.24m 兩個(gè)不等跨，橋面寬度為8m，兩側(cè)設(shè)置的樓、扶梯，樓、扶梯與天橋采用雙柱分縫布置，屋面采用1.2mm 厚鋁鎂錳金屬屋面板，樓面采用140mm 厚鋼筋桁架樓承板，下部兩端和中部各設(shè)置4 個(gè)鋼筋混凝土支撐柱，桁架截面尺寸：上弦桿口700mm×500mm×22mm；下弦桿口800mmmm×500mm×25mm；直腹桿H 800mm×450mm×18mm×24mm；斜腹桿H 700mm×400mm×12mm×18mm；主體均采用Q355 鋼，結(jié)構(gòu)的縱、橫向布置詳圖1、圖2。

圖1 天橋結(jié)構(gòu)縱向布置

圖2 天橋結(jié)構(gòu)橫向布置

2.2 荷載作用效應(yīng)取值

（1）恒荷載：恒荷載根據(jù)構(gòu)件的截面尺寸與材料容重確定。

（2）活荷載：樓面4.5kN/m，不上人屋面0.5kN/m。

（3）風(fēng)荷載：0.6kN/m（100 年一遇），地面粗糙度 B 類。

（4）溫度荷載：結(jié)構(gòu)暴露于室外需考慮年溫差作用，根據(jù)當(dāng)?shù)販囟葰庀髼l件，年平均最高溫度46℃，年平均最低溫度-3℃，合攏溫度取值22±5℃，額外考慮金屬屋面材料和色調(diào)在太陽輻射下的結(jié)構(gòu)表面溫升11℃。作用于主體結(jié)構(gòu)的整體溫升工況溫度為40℃，整體溫降工況為-30℃。

（5）結(jié)構(gòu)主要荷載工況：①1.0 恒；②1.0 恒+1.0 風(fēng)；③1.0 恒+1.0 溫升；④1.0 恒+1.0 溫降；⑤1.3 恒+1.5 活；⑥1.3 恒+1.5 活+0.9 溫升；⑦1.3 恒+1.5 活+0.9 溫降；⑧1.3恒+1.5 活+0.9 風(fēng)；⑨1.3 恒+1.5 活+0.9 風(fēng)+0.9 溫升；⑩1.3恒+1.5 活+0.9 風(fēng)+0.9 溫降。

3 模型計(jì)算與分析

采用有限元軟件MIDAS gen進(jìn)行分析，整體三維模型見圖3，主體結(jié)構(gòu)可簡化為連續(xù)梁，考慮連續(xù)梁的受力特點(diǎn)同時(shí)降低整體結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)作用，縱橋向中部柱頂設(shè)置三向固定鉸支座，兩端柱頂橫橋向(Y 向)和豎向(Z 向)設(shè)置為鉸約束，縱橋向設(shè)置為延縱向（X 向）可滑動(dòng)支座。

圖3 結(jié)構(gòu)整體三維模型

3.1 溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

以單元溫度加載方式對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加溫升和溫降作用，得到恒載、恒載+風(fēng)載、恒載+整體溫升和恒載+整體降溫四種工況下的正常使用極限狀態(tài)下的位移；由于橫橋向天橋?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，取單榀桁架桿件變形計(jì)算結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行分析，節(jié)點(diǎn)編號(hào)及位置如圖4 所示，選取的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為541、90、811、796；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移計(jì)算結(jié)果見表1，其中節(jié)點(diǎn)541 和796 為端部下弦節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)90 和811 為跨中下弦節(jié)點(diǎn)。

圖4 桁架各節(jié)點(diǎn)編號(hào)（單榀）

從表1 中各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移變形值可以看出，溫度作用對(duì)于端部縱橋向（X 向）水平位移和豎向位移（Z 向）影響較大。在端部支座附近位置的縱橋向水平變形影響較大，如節(jié)點(diǎn)541，在不考慮溫度工況下，水平位移為1.19mm，在考慮溫升工況下的水平位移為26.9mm，是不考慮溫度作用下的10～14倍，可見溫度作用對(duì)水平的位移的影響很大；溫度作用對(duì)跨中的豎向位移影響也相對(duì)較大，如節(jié)點(diǎn)90 和811，考慮溫度作用的跨中撓度增加幅度約為22%～50%；溫降作用下?lián)隙确较蛲愫奢d，溫升作用下?lián)隙扰c恒荷載作用方向相反，呈有利作用，這是因?yàn)樵跍囟茸饔孟?，以跨中支座作為溫度不?dòng)點(diǎn)向兩側(cè)膨脹或收縮，產(chǎn)生的拉、壓力在約束作用下使跨中的撓度在溫升工況下減小、在溫降工況下增加。

表1 不同工況下桁架關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移（mm）

3.2 溫度作用對(duì)構(gòu)件應(yīng)力的影響

以單元溫度加載方式對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加溫升和溫降作用，得到1.3 恒載+1.5 活載、1.3 恒載+1.5 活載+0.9 溫升、1.3 恒載+1.5活載+0.9 溫降、1.3 恒載+1.5 活載+0.9 風(fēng)載、1.3 恒載+1.5 活載+0.9 風(fēng)載+0.9 溫升和1.3 恒載+1.5 活載+0.9 風(fēng)載+0.9 溫降六種工況下的承載力極限狀態(tài)下的應(yīng)力，由于橫橋向天橋?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，取單榀桁架桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵桿件的應(yīng)力進(jìn)行分析，桿件編號(hào)及位置如圖5 所示，選取的關(guān)鍵桿件編號(hào)為404、1590、1731、1735、412、1519、422、1601、2037、2058，關(guān)鍵桿件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2，其中404 和1590 為支座附近下弦桿，1731 和1735 為支座處直腹桿，412 和1519 為支座附近斜桿,422 和1601 為支座上弦桿,2037 為跨中上弦桿、2058 為跨中下弦桿。

圖5 桁架各單元編號(hào)（單榀）

從表2 中各關(guān)鍵單元的應(yīng)力值可以看出，屬于連續(xù)梁受力的天橋在溫升或溫降組合下的最大應(yīng)力均超過或接近無溫度作用的工況組合；比較數(shù)值得出支座附近上弦和跨中的上、下弦桿在有溫升作用下應(yīng)力增加，在有溫降作用下的應(yīng)力減?。粌啥酥ёg的下弦桿件422 在溫降工況作用下應(yīng)力變號(hào)，應(yīng)引起重視；支座附近的直腹桿1731 和1735 處于溫度零點(diǎn)范圍，應(yīng)力基本無變化。

表2 不同工況下桁架關(guān)鍵桿件應(yīng)力（N/mm2）

3.3 溫度作用對(duì)支座內(nèi)力的影響

以單元溫度加載方式對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加溫度作用，得到了1.3恒載+1.5 活載+0.9 風(fēng)載、1.3 恒載+1.5 活載+0.9 風(fēng)載+0.9 溫升和1.3 恒載+1.5 活載+0.9 風(fēng)載+0.9 溫降四種工況下的支座內(nèi)力，由于橫橋向天橋?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，取單榀桁架支座內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵支座的內(nèi)力進(jìn)行分析，選取的關(guān)鍵支座編號(hào)為1、5、9、10，支座編號(hào)及位置詳圖6，關(guān)鍵支座的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3，其中編號(hào)1 和5 為兩端支座，9 和10 為中部支座。

表3 不同工況下桁架關(guān)鍵支座內(nèi)力（KN）

圖6 桁架各支座編號(hào)（單榀）

從表3 中各支座的內(nèi)力值可以看出，支座在溫度最大組合下的內(nèi)力均超過無溫度工況組合的內(nèi)力；通過對(duì)支座內(nèi)力數(shù)值比較，溫度作用對(duì)支座長方向水平內(nèi)力的影響較大，短方向水平內(nèi)力次之，豎向內(nèi)力則影響最??；由于兩端柱頂支座X 方向釋放，中部支座作為溫度作用約束，承受了水平方向全部內(nèi)力。

4 結(jié)語

大跨度鋼結(jié)構(gòu)通常為超靜定結(jié)構(gòu)，在約束下溫度作用下會(huì)產(chǎn)生較大位移和應(yīng)力；本文結(jié)合廣州某地區(qū)有軌電車近端天橋工程實(shí)例，對(duì)連續(xù)梁受力類型天橋整體溫升和溫降工況進(jìn)行有限元計(jì)算，并通過天橋在恒、活、風(fēng)和溫度組合工況作用下的分析，得出溫度作用對(duì)大跨度天橋的應(yīng)力、變形和支座內(nèi)力的影響，尤其是對(duì)連續(xù)梁受力類型天橋結(jié)構(gòu)的支座水平內(nèi)力、端部水平變形和跨中撓度影響較大，分析的結(jié)果對(duì)同類鋼桁架天橋工程具有指導(dǎo)作用。