张伟超，张磊，王磊，董自运，古松
（1.中铁建工集团有限公司，北京 100160；
2.中铁建工集团第三建设有限公司，天津 300451；
3.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010）
高原地区拥有最丰富的太阳资源，太阳辐射总值高达8500 MJ/（m2·a），比同纬度低海拔地区高50%～100%，其中直接辐射占总辐射的最高比例达78%，远大于全球平均水平47%，是全国太阳辐照高值区[1]。高原地区除了太阳辐照强，年日照时数也相对较长。位于青藏高原中部的拉萨，年日照时数超过3 000 h，远大于同纬度重庆的1 121 h[2-3]。随着我国在高原地区的基础设施投资力度不断加大，一大批体育场馆、大型医院以及铁路站房等大型场馆陆续开工建设[4-5]。大跨度空间钢结构因其具有自重轻、承载能力大、抗震性能好以及造型优美等有点，广泛应用于大型场馆的工程设计中[6-7]。钢材对温度变化比较敏感，而高原地区太阳辐照强、年日照时数长的独特条件对结构安全的威胁不容忽视。
为探究日照温度应力对钢结构安全性的影响，国内外学者进行了相应的研究。沈祖炎等人[8]在1990年首次对高层建筑中的钢结构温度应力进行分析，提出钢构件朝阳面与背阳面间的温度差是影响钢结构安装精度重要原因。徐国彬[9]对某钢网架事故进行了理论与实测分析，认为温度应力是造成网架事故的主要原因，且占到总应力的一半以上。陈志华与刘红波等人[10-11]对空间钢结构及杆件的日照温度效应进行了现场试验和数值模拟研究，结果表明太阳辐射产生的温度作用在某些情况下可能会成为结构设计的控制荷载之一，且负温差作用较正温差作用对结构的安全性影响更大。陈建稳等人[12]对矩形钢结构夏季日照温度场进行研究，结果表明，辐射吸收系数每增加0.15，最高温度增加10℃，夏季钢拱架的温度应力可达到钢材设计强度的1/3。陈滨滨[13]对太阳辐照下的钢板温度进行实测，结果表明，日照下钢结构表面升温明显，与气温的最大温差达30.3℃，此时钢板的表面温度达到68.9℃。金晓飞等人[14]利用ANSYS软件对山西三馆日照非均匀温度作用进行分析，结构局部最高温度达到50℃，最大温差达17℃，验证了日照温度场对工程设计合拢温度的指导意义。目前，国外学者针对钢结构日照温度应力的研究大多集中在射电望远镜方面[15-17]。
现有研究积累了大量成果，促进了大跨空间钢结构事业的发展。但现行钢结构规范[18-20]中关于温度作用的内容还不完善，因温度作用引起的大跨度空间钢结构坍塌事故仍时有发生[21]。同时现有研究成果多集中在东部低海拔地区，而太阳辐照强、年日照时数长的高原地区研究成果相对较少，与高原地区发展速度存在一定的滞后。因此，有必要对高原地区大跨度空间钢结构日照温度应力进行分析。
结合拉萨某大型医院项目中的金属屋面结构，采用数值分析对大跨度空间钢结构的日照温度应力进行研究，拟得到结构的温度应力分布情况，为高原地区此类结构的工程设计提供参考。
项目位于海拔3 640 m的拉萨市堆龙德庆区，一期总建筑面积121 450 m2，是西藏的“三大民生工程”之一，将建成一所集医、教、科为一体的三级甲等医院，项目效果如图1所示。
图1 项目效果图
钢结构分布在主体结构间，作为金属屋面结构，其中门诊楼和医技楼之间大跨度双曲线钢结构施工最为复杂困难。该大跨度空间钢结构左右对称，单侧长77.65m，重54.8 t，高18.95～22.85 m，主要杆件为□60～300 mm的箱型杆件和φ600 mm的钢管混凝土柱，钢材材质为Q355B，核心混凝土为C30。
本项目中的大跨度空间钢结构箱型杆件众多、错综复杂，若整体结构采用板壳单元和实体单元建模将耗费大量的时效，且难以满足计算要求。为提高运算精度与时效，本文采用天津大学的刘红波和哈尔滨工业大学的陈德珅等人[22-23]提出的整体结构日照温度应力简化计算方法对西藏自治区医院建设项目中的大跨度空间钢结构进行研究，该简化方法的研究流程如图2所示。
图2 日照温度应力研究流程
3.1 典型杆件日照温度场模型建立
基于ASHRAE晴空模型和高原计算参数，利用ANSYS软件，采用板壳单元建立典型箱型单杆件的有限元计算模型。模型中的箱型杆件长2 m，截面尺寸为300 mm×16 mm，杆件南北水平放置。在有限元模型中，使用SHELL131单元模拟热传导，两层SURF152单元分别模拟辐射和对流。该箱型杆件的导热系数为49.8W/（m·℃），比热为480 J/（kg·℃），太阳常数为1 336 W/m2，太阳辐射吸收系数为0.55，计算典型箱型杆件在最高气温日（接近夏至日）的温度场。
3.2 整体结构日照温度应力模型建立
将ANSYS中的单杆件日照非均匀温度场计算结果中的最高日照温度值导入MIDAS整体模型中来研究高原地区大跨度空间钢结构的日照温度应力分布情况。MIDAS整体模型采用梁单元建模，利用单元温度荷载施加均匀升温，约束情况如图3所示。模型中的初始温度一般为结构合龙时的温度，且接近年平均气温，拉萨高原地区近49年的年平均气温为8.5℃[24-25]，MIDAS整体模型中的初始温度取10℃。
图3 MI DAS整体模型约束情况（单位：mm）
基于ASHRAE晴空模型与拉萨高原地区的地理位置、气温、太阳常数以及空气清洁度等参数，高原地区箱型杆件日照非均匀温度场如图4所示。
从图4中可看出，早上8:00太阳位于箱型杆件的东侧，杆件东侧迎光面上产生非均匀的温度场，最高温度为34.4℃，背阳面最低温度为18.1℃；
正午14:00，气温升高、太阳辐照强度增大，迎光面位于箱型杆件的顶面，杆件最高温度65.5℃，背阳面杆件最低温度为28.6℃，杆件迎光面与背阳面的温差达到最大值36.9℃；
下午17:00，气温达到最高值30.8℃，迎光面逐渐从顶面向西侧面移动，杆件最高温度为58.2℃，背阳面杆件最低温度30.8℃；
日落20:00，气温和辐照强度均下降，迎光面在杆件西侧，杆件最高温度为44.9℃，背阳面杆件最低温度28.6℃。箱型杆件的日照温度场具有明显的非均匀和时变性，箱型杆件最高温度与时间的关系如图5所示。
图4 典型时刻日照温度场分布
从图5中可看出，太阳辐照作用下箱型杆件在15:00达到最高温度65.6℃，滞后于太阳辐照强度最高时刻约1 h，大跨度空间钢结构设计应考虑太阳辐照下构件的最高温度。在14:00，箱型杆件迎光面温度与气温之差达到最大值37.5℃。上午最高温度低于下午的最高温度，12:00～16:00箱型杆件迎光面温度较高，与背阳面温差也较大，高原地区的大跨度空间钢结构应避免在此时段内施工成型。
图5 杆件最高温度与气温对比图
根据结构中的典型箱型杆件日照非均匀温度场计算结果，在MIDAS整体模型中施加65.6℃的均匀温度荷载，高原地区的大跨度空间钢结构的日照温度应力分布如图6所示。
图6 整体结构温度应力分布
从图6a中可看出，日照极端温度作用下，大跨度空间钢结构产生了较大的温度应力。其中，最大拉应力为168 MPa，发生在花瓶形钢架底部约束右侧，同时左侧的压应力值也达到了200 MPa，出现该应力分布的原因为空间钢桁架在温度作用下伸长，在右侧支座约束下对花瓶形钢架产生位移作用，花瓶形钢架在底部约束下产生较大的温度应力，如图6b所示；
最大压应力为219 MPa，发生在整体结构右侧竖向腹杆上，从图6c中可以看出，截面尺寸为60 mm×6 mm和100 mm×8 mm的箱型杆件在支座约束下产生的应力超过了200 MPa，支座间距和杆件尺寸越小，杆件压应力越大。在大跨度空间钢结构设计中，应当严格控制支座间距，无法增大支座间距时可考虑增大支座处杆件尺寸来提高结构的安全性。通常通过杆件实际应力与屈服应力之比（简称杆件应力比）来判断结构具有的安全性[26]，大跨度空间钢结构在日照温度荷载和日照温度参与的组合荷载作用下的杆件应力比如图7所示。
图7 结构杆件应力比
从图7a中可看出，大跨度空间钢结构在日照温度荷载作用下，杆件应力比最大值为0.61，具有明显的分布规律，即两边大中间小，靠近支座的杆件平均应力比是中间杆件的2.6倍，杆件最大应力达到钢材屈服强度的61%。因此，在大跨度空间钢结构工程设计中应当重视太阳辐照引起的温度应力；
从图7b中可看出，大跨度空间钢结构在自重、日照温度以及花瓶形钢架外侧风载组成的荷载组合作用下，最大杆件应力比为0.73，出现在曲线钢桁架与花瓶形钢架连接处，小于规范规定的0.90，在工程设计中应考虑局部加强，提高整体结构安全性。组合荷载作用下，最大杆件应力已达到钢材屈服强度的73%，这说明，极端太阳辐照下的温度组合荷载在工程设计中应当按控制荷载考虑。
基于ASHRAE晴空模型和高原计算参数，对大跨度空间钢结构中的典型箱型杆件进行日照非均匀温度场数值分析，将日照温度场计算结果导入MIDAS整体模型中进行日照温度应力研究，获得下列结论。
1）极端太阳辐照作用下，箱型杆件的温度分布具有明显的非均匀性和时变性，杆件最高温度为65.6℃，出现在15:00，滞后于辐照强度最高时刻约1 h。
2）箱型杆件表面温度与气温的最大差值为37.5℃，发生在14:00。为减小日照温差对结构的不利影响，大跨度空间钢结构应当避免在14:00前后2 h内施工成型。
3）大跨度空间钢结构在日照温度荷载下的温度具有一定的分布规律，即支座处的杆件产生了较大的应力，最大拉应力值为168 MPa，最大压应力值为219 MPa，达到钢材屈服强度的61%，在工程设计中，应当严格控制支座间距以及杆件尺寸，保证结构具有足够的安全性。
4）大跨度空间钢结构在日照温度参与的组合荷载作用下，最大杆件应力比为0.73，结构具有一定的安全储备。日照温度组合荷载下，最大杆件应力比均大于0.5，太阳辐照引起的温度应力不可忽视，日照温度参与的荷载组合在工程设计中应当按控制荷载考虑。
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