天津奥林匹克体育中心游泳跳水馆温度效应分析(可编辑)
第十届全困现代结构T程学术研讨会
天津奥林匹克体育中心游泳跳水馆温度效应分析
陈志华1刘红波1严仁章1陈杏芳2王文会2周晨2彭铁红2
1天津大学建筑工程学院,天津300072;2中国京冶工程技术有限公司(北京100088
摘要:大跨度钢结构在日照、骤然降温、年气温变化等温度荷载的作用下会产生可观的温度应力。本文以天津奥林匹克体育
中心游泳跳水馆钢结构桁架结构为工程背景,分析了不同合拢温度下钢结构桁架的杆件内力、节点位移、支座反力等温度响
应,得出了杆件内力、节点位移、支座反力随合拢温度的变化规律,得出本工程的最佳合拢温度为18?,2l?。本文的分析
结论和分析方法可供今后相似工程借鉴和参考。
关键词:天津奥林匹克体育中心游泳跳水馆;温度作用:合拢温度
一、引言
温差是指空间结构施工时的气温和空间结构使用阶段的最高或最低环境的温度之差。这个温差将引起
空间结构各杆件的伸长或缩短。但是由于杆件的变形受到结构中节点的约束,因而产生了温度应力。特别
在北方地区的山区,其施工大都集中在夏季,夏冬的温差却很大,有时甚至可达至lJ60?。热胀冷缩是建筑
物的普遍特性,大跨度钢结构在日照、骤然降温、年气温变化等温度荷载的作用下会产生温度应力,并且这
种温度应力有时甚至比其它外荷载引起的应力还要大,导致结构出现裂损现象。从20世纪60年代以来,
国内外都出现了大量因温度应力而导致严重裂损的事故,温度应力问题越来越引起国内外工程界的关注与
重视。
本文以天津奥林匹克体育中心游泳跳水馆为背景,考虑太阳辐射的作用,对不同合拢温度下钢桁架结
构的温度变形和温度应力进行了系统的研究,对本工程的施工和今后类似工程的设计与施工提供了一份有
价值的参考资料
二、工程概况
天津奥林匹克中心游泳跳水馆位于天津奥林匹克中心竞赛区东南侧,北邻天津体育馆,西侧与奥林匹
克体育场涌湖相望,其效果图如图1所示。
本工程的上部钢结构比赛区部分采用空间钢桁架,跨度64米,桁架截面最大高度约5米,单榀桁架重
约22吨。桁架间距8米,共设置12榀桁架。外圈采用钢结构刚架与内圈钢结构桁架连成结构整体。结构
体系为空间钢桁架+钢结构刚架体系,钢结构支承于下部混凝土主体结构上,钢结构三维结构示意图如图2
所示。
基金资助t天津市建设系统科学技术发展
项目 2008(24
工业建筑2010增刊
589
第十蒯?圆现代结构I程学术研讨台
图1 天津奥林匹克中心游泳跳水瞎效果图
图2天津奥林匹克中心游泳跳水馆三维结构示意图
兰、温度效应分析
天津市奥林匹克中心游泳跳水馆施工时削为夏季的5至7月,根据火津市气象资料显示,此间天津市
气温变化幅度较大,气温可从l“?变化到40C左右;同时考虑到太阳辐射的影响,施工期问,钢结构杆
件的最高温度可达60?,因此此结构的合拢温度范围为10“c,60‘?。同时根据天津近十年的气象资料,历
年撮低气温可达到22"C。考虑太阳辐射的作用(结构的撮高温度可达60'’C。
为了研究不同台拢温度F兀律市舆林匹克游泳跳水馆钢结构桁架结构的温度响应,本文取10+3*N
N-I(2((16 为合拢温度,井考虑升温和降温两种情况(研究了32种不阿合拢温度下结构的温度
响应。
选取具有代
性的。榀桁架――』轴桁架,平面躅如图3所示。该榀桁架(跨度64m,腹杆犀太长度为
5 06m。F弦采用H500X450×16×20型钢(下弦采用oP351×l2圆铜管(腹杆采用0114X6圆钢管。矢
高为14米。
In建筑2010增刊
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二萨惯i丘。一
16
1-,16为节点编号;?, 列为单元编号
图3桁架平面圈
8 4(8kN,m:
为了定性分析桁架结构的最大等效应力、支座反力、节点位移随合拢温度的变化规律,根据计算结果
分别绘制了最大等效应力,含拢温度曲线、支座水平反力一合拢温度曲线、
节点位移一合拢温度曲线,如图
2(5。E+?
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穴 _(一降温
工况最大等效应力曲掣
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温工况最大等效应力曲髫
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0 3 6 9 12 15 182l 242",303336394245鸱51,545760
舍拢温度 摄氏度
圈4上下弦单元最大等效应力变化曲线图
由图4可知,随着合拢温度的增加,升温工况下结构的最大等效内力逐渐减小,丽降温工况下结构的
大等效内力逐渐升高;图4中两条曲线的交点即为使结构最大等效内力最小的最佳合拢温度,此时桁架
最大等效应力在120MPa左右,即最佳合拢温度为18f c,2l‘?。
图5支座反力变化曲线
20lO增刊
第十届全国现代结构丁程学术研讨会
图5为结构支座反力与合拢温度的变化曲线。由图5可知,随着合拢温度的增加,升温工况下结构的
支座反力逐渐减小,而降温工况下结构的支座反力逐渐升高:图5中两条曲线的交点即为使结构支座反力
最小的最传合拢温度,此时桁架的支座反力在3800kN左右,即最佳合拢温度为180C,2】oC。
图6为结构最大节点位移与合拢温度的变化曲线。由图10可知,桁架的竖向位移对降温不敏感,当合
位移对升温很敏感,在所有升温工况中,所有节点中的最大竖向位移由26mm变化到60mm。因此,高温合
拢有利于减小桁架的挠度。
图6节点最大位移变化曲线图
四、结论
1 随着合拢温度的增加,升温工况下结构的最大等效内力逐渐减小,而降温
工况下结构的最大等效内力逐
2 随着合拢温度的增加,升温工况下结构的支座反力逐渐减小,而降温工况下结构的支座反力逐渐升高,
使结构支座反力最小的最佳合拢温度为18。?,21‘?,此时桁架的支座反力在3800kN左右:
3 桁架的竖向位移对降温不敏感,当合拢温度由10‘?变化到58‘?时,所有节点中的最大竖向位移也仅由
20mm变化到25mm左右。但桁架的竖向位移对升温很敏感,在所有升温工况中,所有节点中的最大竖向位
移由26mm变化到60mm。因此,高温合拢有利于减小桁架的挠度;
4 综合结论卜3。建议本工程的最佳合拢温度控制在18”C,210C:
5 对于钢结构桁架而言,由于温度变化引起的温度响应较为客观,应引起科研工作者与工程设计者的重视。
参考文献
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工业建筑20lO增刊