乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的非均匀温度场影响因素分析.pdf

第 53 卷 第 16 期2023 年 8 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.16Aug.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20210427新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目(2018D01C056)。第第一一作作者者:赵锐,博士,副教授,硕士生导师,一级注册结构工程师,主要从事极端天气下钢结构的理论及其应用研究,Email:zhaorui 。乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的非均匀温度场影响因素分析赵 锐1,2,刘 清1,2,王海花3,李先铎1,吴雨航1,奉泽华1(1 新疆大学建筑工程学院,乌鲁木齐 830047;2 新疆建筑结构与抗震重点实验室,乌鲁木齐 830047;3 中国二十二冶集团新疆分公司,乌鲁木齐 830011)摘要:非均匀温度场作用下大跨度空间网架结构将产生非均匀应力分布,若局部应力过大会威胁到结构的安全。新疆极端气候频现,以乌鲁木齐站钢屋盖网架结构作为工程实例,建立流场分析数值模型,分析不同环境因素对结构非均匀温度场的影响,并用实测数据验证,得出以下结论:仅考虑热辐射时,夏至日 14 时最高温时结构表面最大温度高于环境温度 3.6 倍,有风(风速 5m/s,不随高度变化的平均风)比无风时结构表面最大温度降低 38.1%,这说明太阳辐射对结构非均匀温度场的影响最大,其次是平均风;平均风速梯度的特征参数对结构温度场的影响程度排序为:风速大小地面粗糙度风向角;风速越大,温度越低,但达到一定风速后,温度趋于稳定;地面越平坦,障碍物越少,温度越高;风向角对温度场的影响不大。关键词:钢屋盖网架结构;非均匀温度场;太阳辐射中图分类号:TU393.3 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)16-0001-05引用本文 赵锐,刘清,王海花,等.乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的非均匀温度场影响因素分析J.建筑结构,2023,53(16):1-5,20.ZHAO Rui,LIU Qing,WANG Haihua,et al.Analysis on influencing factors of non-uniform temperature field of steel roof grid structure in Urumqi stationJ.Building Structure,2023,53(16):1-5,20.Analysis on influencing factors of non-uniform temperature field of steel roof grid structure in Urumqi station ZHAO Rui1,2,LIU Qing1,2,WANG Haihua3,LI Xianduo1,WU Yuhang1,FENG Zehua1(1 College of Civil Engineering and Architecture,Xinjiang University,Urumqi 830047,China;2 Xinjiang Key Laboratory of Building Structures and Earthquake Resistance,Urumqi 830047,China;3 Xinjiang Branch of China MCC Group,Urumqi 830011,China)Abstract:Under the action of non-uniform temperature field,non-uniform stress distribution will be generated in large-span space grid structure.If the local stress is too high,the safety of the structure will be threatened.Extreme weather occurs frequently in Xinjiang,taking Urumqi station steel roof grid structure as engineering examples,the numerical model of the flow field analysis was established,the influence of different environmental factors on the non-uniform temperature field of the structure was analyzed and verified by the measured data.The following conclusions were drawn:only considering thermal radiation,the maximum surface temperature of the structure on the summer solstice at 14 00 when the highest temperature is 3.6 times higher than the ambient temperature.The maximum surface temperature of the structure is reduced by 38.1%when the wind speed is 5m/s,and the average wind does not change with the height.It shows that solar radiation has the greatest influence on non-uniform temperature field of the structure,followed by the average wind.The influence degree of the characteristic parameters of the average wind speed gradient on the structure temperature field is sorted as follows:wind speed size surface roughness the wind angle.The higher the wind speed,the lower the temperature,but when the wind speed reaches a certain level,the temperature tends to be stable.The flatter the ground,the fewer obstacles,the higher the temperature.The wind direction angle has little effect on the temperature field.Keywords:steel roof grid structure;non-uniform temperature field;solar radiation0引言 大跨度空间网架结构超静定次数高,结构刚度大,温度作用对结构的影响不可忽视。新疆温差大、风大、太阳辐射强度高,极端气象尤为明显,已建 筑 结 构2023 年有很多学者在各地开展了太阳辐射下大跨空间结构非均匀温度场方面的研究,如范重等1结合国家体育场工程,对温度差异引起桁架结构的内力效应、太阳辐射吸收系数的影响因素以及降低太阳辐射温升的措施进行了分析;高昂等2分析了不均匀温度作用对广州新客站主站房钢结构屋盖的影响,并与整体均匀升温作用对结构的影响进行了对比,结果表明,整体均匀升温并非结构设计的最不利工况,结构设计需要考虑不均匀温度作用的影响;肖建春等3研究了大跨钢结构体系在太阳辐射下的温度影响,通过热对流理论对太阳总辐射强度做了计算,利用一算例分析了球面网架的温度效应对结构的影响;罗尧治等4对国家体育场钢结构各部位的温度与应力进行了长期的实测,分析了有日照和无日照条件下结构温度的分布规律,并详细研究了均匀温度场作用与非均匀温度场作用对结构应力变化的影响;刘红波等5出版的著作内容主要包括各种结构材料的太阳辐射系数、温度试验、非均匀温度场的数值模拟、七个工程实例的温度效应分析及温度简化计算方法等几部分,2017 年总结和分析了空间结构太阳辐射非均匀温度问题的研究进展6,为进一步研究空间结构太阳辐射非均匀温度效应提供了一定的思路和参考。开合屋盖结构技术规程(CECS 4172015)7中也提出了太阳辐射引起的材料温升计算方法,但针对不同地域的不同工程、在有风的情况下对结构非均匀温度场有何影响还需要进一步研究。以乌鲁木齐站钢屋盖网架结构为依托工程,建立结构的流场分析模型,分析太阳辐射、是否有风及风速梯度特征参数对结构非均匀温度场的影响程度,并用实测数据验证分析的合理性。此项工作为大跨空间结构的设计及进一步的理论研究提供参考。图 2 南北向屋盖剖面图1工程概况 乌鲁木齐站由主站房和雨棚两部分组成,主站房屋盖钢结构采用多点支承的正交正放焊接球节点网架结构,整体鸟瞰图如图 1 所示,长度为 301m,宽度为 216m,网架高度为 3.3 4.8m,网格尺寸为5.06.0m;顺轨向为东西向,跨度为(36-75)m+66m+(36-75)m,两端悬挑 6.73m;横轨向为南北向,其剖面图如图 2 所示;屋盖采光天窗处杆件抽空,中间部位设有伸缩缝,支座采用抗震球型支座,下部是混凝土框架结构。图 1 乌鲁木齐站整体鸟瞰图2流场数值模型的建立2.1 几何模型的建立 利用 ANSYS Workbench19.18建立乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的流场分析外轮廓模型,即固体域。计算域的边界设置离固体域足够远,长度和宽度均为固体域的 11 倍,高度为固体域的 6 倍,即长度为 55 125m,宽度为 2 794 m,高度为 241m,计算得到阻塞率=建筑物最大迎风面积/计算域面积=1.6%,满足建筑工程风洞试验方法标准(JGJ/T 3382014)9小于 3%的规定,所以计算域的选取范围是合适的。固体域设置在计算域长度的 1/4 位置、宽度的 1/2 位置处,距离速度入口边界 1 715m,置于地面上。利用 Fluent Meshing 对模型进行网格划分,用曲率和弯斜度来控制网格质量,节点之间最小距离设为 3m,增长率设为 1.14,计算域的网格数量为 115 794 个,弯斜度为 0.699。网格类型分为体网格和面网格。本文选用的是体网格中的 poly网格,固体域及计算域模型示意图见图 3。模型中 Y轴为南北横轨向,X 轴为东西顺轨向。速度入口为南面(Y 轴正向),压力出口为北面(Y 轴负向)。2.2 参数设置2.2.1 环境空气温度设置环境空气温度即气温,取乌鲁木齐市夏至日全天气温为例,按文献10得到的晴天条件下日温度2第 53 卷 第 16 期 赵 锐,等.乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的非均匀温度场影响因素分析图 3 固体域及计算域模型示意图变化曲线来计算各时刻的气温 Ta,如式(1)所示:Ta(t)=Tav+Tamsin(t-8)12(1)式中:t 为 任 意 时 刻;Tav为 日 平 均 气 温,Tav=(Tamax+Tamin)2;Tam为 日 变 化 幅 度 气 温,Tam=(Tamax-Tamin)2;Tamax、Tamin分别为日最高气温及最低气温。乌鲁木齐近十年夏至日 Tamax最大值为34,Tamin最小值为 17。2.2.2 风速设置由于风速与离地高度和地面粗糙度有关,这里采用指数律风速剖面表达式11计算风速值,如式(2)所示:vz=v10z10()(2)式中:vz为 z 点的平均风速;v10为离地面 10m 处的风速;z 为空间某点离地面的距离;为空旷平坦地区地面粗糙度指数,取 0.15。2.2.3 边界条件其他参数设置空气为不可压缩流体,计算域的南侧进口采用速度入口边界,温度为大气温度,湍流强度设置为20%,湍流粘性系数设置为 5,风速方向垂直于速度入口边界层进入计算域,当速度入口网格在相邻单元没有发生移动,选用绝对坐标下的参考系,当设置沿高度不同的风速时,对风速进行“udf”编程加载。北侧出口采用压力出口边界,压力方向与出口边界垂直,湍流强度和湍流粘性系数与入口相同。地面为 Wall 壁面边界,地面假设为混凝土地面,对长波吸收系数为 0.8,厚度为 3m,环境温度为地面实测值,地面不参与太阳辐射,地面对外热辐射的发射率为 0.8。计算域的其他边界为对称边界。固体域表面为壁面边界,是流体与固体的相交面,勾选太阳与辐射时,钢板接收太阳辐射的可见光吸收系数为 0.6,发散系数为 0.8。计算参数设置时,采用晴空模型、p-1 模型和太阳辐射追踪加载来确定地球表面的物体的热量,软件会根据时间位置自动加载太阳辐射强度。自然对流打开 Boussinesq 假设。压力与速度耦合采用simple 算法求解,压力松弛因子为 0.3,能量松弛因子为 0.87,离散格式选择 Body Force Weighted。墙面围护结构采用钢结构,考虑热辐射和热对流对上部钢屋架的影响,且墙面不参与太阳辐射。3非均匀温度场影响因素分析 屋盖的温度场分布不均匀主要是受太阳辐射、风速及地形地貌等环境因素的影响所致。这里分别从太阳辐射强度、风速、地面粗糙度以及风向角四方面分析其对乌鲁木齐站钢屋盖温度场分布的影响。3.1 太阳辐射 乌鲁木齐位于东经 87.65,北纬 43.8012,太阳辐射最强时刻与我国沿海地区有 2h 时差,进行温度场分析时,从 8 时至 20 时,以 2h 为间隔进行取值,同时考虑无风和有风情况。图 4 为从 8 时至 20时环境温度、无风(风速为 0m/s)与有风(不随高度变化的平均风,风速为 5m/s)时结构表面最大温度对比图,5m/s 为三级微风的风速平均值。流场分析时考虑太阳与建筑物间的热辐射和建筑物与环境间的对流换热。图 4 无风和有风时结构表面最大温度对比图从图 4 中可以看出:1)环境温度在 14 时达到34的最大值,结构表面温度也是在 14 时达到最大值,近似呈正态分布;2)14 时无风时结构表面最大温度为 121,与环境温度相差 87,比 8 时的温度高 66.9,说明太阳辐射强度对温度场的分布影响很大;3)提取屋盖顶点(图 1)无风时不同时刻的温度数据,从 8 时至 20 时七个时刻对应的温度分别为40.66、64.53、81.3、81.37、80.64、62.86、41.94,与图 4 相比,也是 14 时温度最高,呈正态分布,与上述规律一致;4)在不随高度变化的平均风(5m/s)作用下,温度分布特点与无风时的温度分布类似,上午温度逐渐增加,14 时温度达到最大的 74.9,下午温度开始逐渐减小;5)有风时,在来流影响下,高3建 筑 结 构2023 年温区会向四周低温区扩散,14 时有风时的结构表面最大 温 度 比 无 风 时 的 温 度 低 46.1,约 下 降38.1%,16 时有风时的结构表面最大温度比无风时的温度低 47.6,约下降 40.3%,这说明风对温度场的影响是不可忽略的。屋盖表面温度比实际工程偏大,主要原因有:1)在实际工程中屋盖表面是需要镀上一层涂料减弱太阳辐射吸收系数的,例如镀上白色的氟碳、白色聚氯氨或白色氯化橡胶,而本文取的是无涂料的钢板(太阳辐射吸收系数为 0.6),所以会比实际工程中的温度偏大。2)在考虑屋面附近的网架结构时,并未考虑太阳辐射下地面和围护结构的温度,下层围护结构由于遮阴温度会比上层低,所以模拟的结构会比实际工程中的温度偏大。3)实际建筑物内部是空腔,内部空气与钢架之间的热对流会降低结构表面的温度,这也是屋盖表面温度比实际工程偏大的原因,但由于钢结构的导热系数远大于换热系数,所以这种热对流影响较小;下部围护结构是钢结构,不参与太阳辐射,影响也较小。3.2 风的特征参数 平均风速沿高度是变化的,影响平均风速梯度的特性参数主要有风速的大小、风向角和地面粗糙度。以乌鲁木齐夏至日 14 时最高气温 34为例分别进行分析。风速工况的设置:根据乌鲁木齐气象局提供的19562010 年的气象资料设置风速工况,工况一为入口风速2.5m/s(年平均风速)、工况二为入口风速5m/s(夏季平均风速)、工况三为入口风速 18.2m/s(年平均最大风速)、工况四为入口风速 30m/s(最大年平均风速)。地面粗糙度的类别根据建筑结构荷载规范(GB 500092012)11进行分类,A 类指海面、湖面和沙漠地区;B 类指矿野、村庄、森林、丘陵及建筑物少的偏僻城镇郊区;C 类指有密集建筑群的城市市区;D 类指房子非常多的市区,本工程地面粗糙度为B 类。表 1 中列出了风的三种特征参数不同工况下结构表面最大温度及变温幅度。由表 1 可知:1)风速的大小对屋盖表面的温度场影响较大,随着风速的增大,温度呈大幅降低趋势,但当风速超过一定值时,风速对温度下降速率影响变小,这与材料本身的物理属性有关;2)地面粗糙度从 A 类到 D 类,温度降低趋势接近线性,幅度不大;3)风速大小对屋盖上温度影响差值在3.4至 35.3之间,风向角的改变对屋盖上的温度影响的差值在 0.2到 5.2之间,地面粗糙度对屋盖上的温度影响差值在 1.9至 7.4之间,由此可得到风的各特性参数对温度场的影响程度排序为:风速大小地面粗糙度风向角。表 1 不同风特征参数下结构表面最大温度类别结构表面最大温度/变温/分析条件风速 v10/(m/s)2.586.6574.9-11.7(14%)18.354.7-20.2(27%)3051.3-3.4(6%)地面 粗糙 度B 类,风 向角 0风向角074.9 4577.93(4%)9074.7-3.2(4%)13573.3-1.3(2%)18078.55.2(7%)地面 粗糙 度B 类,v10为5m/s地面粗糙度A 类76.8B 类74.9-1.9(2%)C 类72.5-2.4(3%)D 类69.4-3.1(4%)v10为 5m/s,风向角 0 注:括号内为温度变化幅度。图 5 分区示意图4实测验证4.1 监测点布置 因本项目钢结构施工采取分步分块整体提升工艺,结构被划分为 18 个区域,结构分区示意图如图 5 所示,钢结构屋盖结合施工仿真计算结果并考虑整体结构的对称性,共选取温度监测点 182 个,其4第 53 卷 第 16 期 赵 锐,等.乌鲁木齐站钢屋盖网架结构的非均匀温度场影响因素分析 表 2 13 区监测点温度数据/定位1 区2 区3 区12345均值678均值910均值上弦杆25.325.325.3腹杆25.125.325.924.9下弦杆25.526.426.126.425.125.525.224.826.226.524.925.425.224.827.428.426.024.526.2中上弦杆 55 个,腹杆 46 个,下弦杆 81 个。由于结构较大,以 13 区监测数据为代表进行验证。网架结构 13 区的温度监测点布置如图 6 所示。数据采集系统采用振弦式应变计及自动采集仪,可同时测得监测点的应变及温度。图 6 13 区温度监测点布置图4.2 温度实测值与模拟值对比 3.1 节已分析了屋盖表面温度比实际工程偏大的原因,这里选取 2016 年 7 月 2 日 22 时的数据进行对比,因非夏至日,还是夜间,所以此时已几乎没有太阳辐射,风速设为 3m/s,因而保证了模拟值和实测值的一致性。结构 13 区温度监测点监测结果如表 2所示。数值模拟 2016 年 7 月 2 日 22 时乌鲁木齐站钢屋盖温度场,温度场分布云图如图 7 所示。从图 7 中可以得出,1 区、2 区、3 区各温度监测点的平均温度均为 26.6,与表 2 中 1 区、2 区、3区各均值相比,误差分别为 4.3%、4.7%、1.5%,均小 于5%,在 允 许 误 差 范 围 内。所 以 用Workbench19.1 里的流体分析软件 Fluent 分析结构的温度场分布是可行的。5结论 以乌鲁木齐站钢屋盖网架结构为工程实例,通过对结构夏至日的非均匀温度场分布进行影响因素分析及实测验证,得出以下结论:(1)夏至日 14 时气温最高,仅考虑热辐射时,图 7 乌鲁木齐站 2016 年 7 月 2 日 22 时温度场分布云图/14 时结构表面最大温度比环境温度高 3.6 倍,太阳辐射对温度场影响很大。(2)在太阳辐射和不随高度变化的平均风(5m/s)作用下,14 时结构表面最大温度比无风时降低约 34%,因为风影响了空气与结构表面温度之间的对流,故风对结构的温度场及其分布影响较大。(3)通过分析平均风速梯度的特性参数对夏至日屋盖表面温度场的影响,得出风的特征参数对温度场影响的排序为:风速的大小地面粗糙度风向角。(4)风的特征参数对温度场的影响规律为:风速越大,温度越低,但达到一定风速后,温度趋于稳定;地面越平坦,障碍物越少,温度越高;风向角对温度场的影响不大。参考文献 1 范重,王喆,唐杰.国家体育场大跨度钢结构温度场分析与合拢温度研究J.建筑结构学报,2007,28(2):32-40.2 高昂,陈兆雄,冯健,等.不均匀温度作用对广州新客站主站房钢结构影响J.建筑结构,2009,39(12):46-47,135.3 肖建春,徐灏,刘佳坤,等.太阳强烈辐射对大跨度球面网壳静力性能的影响J.固体力学学报,2010,31(S1):275-280.4 罗尧治,梅宇佳,沈雁彬,等.国家体育场钢结构温度与应力实测分析J.建筑结构学报,2013,34(11):24-32.(下转第 20 页)5建 筑 结 构2023 年负弯矩作用下的弯矩-转角(Mi-i)曲线高于在正弯矩作用下的 Mi-i曲线,两种曲线的差异随着支主管夹角 的减小而更加显著。采用现行规范节点抗弯承载力计算式中的因子 1/sin 略偏保守地估计了支主管斜交对节点负抗弯承载力的加强作用,但高估了支主管斜交对 较大节点的正抗弯承载力的加强作用,工程设计时应予以注意。(3)正交节点在正、负弯矩作用下的延性系数比较接近(+接近-),斜交节点的+、-分别大于、小于正交节点的,即斜交节点的+明显大于-,抗震设计时应注意支主管夹角较小的斜交节点(55)在正、负弯矩作用下的延性差异,尤其是对于 较大的斜交节点。(4)无论正交节点还是斜交节点,增加均能显著增强节点的平面内抗弯承载力,明显改善节点的延性和耗能。参考文献 1 孙建东,童乐为,王斌,等.空间 KK 形圆管搭接节点承载力计算公式改进研究J.建筑结构学报,2013,34(2):99-105.2 ZHAO B D,LIU C Q,YAO Z Y,et al.Capacity difference of circular hollow section X-joints under brace axial compression and 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