温度作用对双层柱面网壳边界支座影响的探讨

刘 军

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

1 工程背景

该洗煤厂原煤储煤仓的平面尺寸为95×184 m，结构高度为36 m。采用双层柱面网壳结构，曲面形式为三心圆弧曲线，网架厚度为3 m，网格形式采用正方四角锥形式，节点形式为螺栓球节点，采用压型钢板轻型屋盖。

图1 网壳剖面图

杆件采用Q235无缝钢管，钢材的线膨胀系数为0.000 0121/℃。由于结构跨度大、纵向边界长，且网壳结构对支座形式极其敏感，本文将结合支座形式对结构变形、强度、温度应力等几个方面的影响反应来确定支座形式。

2 结构计算分析

2.1 分析模型

该工程采用螺栓球节点形式，所有杆件为铰接，忽略节点刚度的影响，采用空间桁架结构体系有限元进行弹性分析，分析模型见图2。采用通用有限元分析软件SAP2000进行结构分析。杆件采用Q235无缝钢管，经优化设计后选取8种钢管截面，最小钢管为Φ75.5×3.75，最大钢管为Φ180×12。

图2 网壳结构有限元分析模型

2.2 设计荷载

本工程承受的荷载和作用如下：工况1：上弦恒载标准值：0.30 kN/m2，下弦恒载标准值：0.20 kN/m2；工况 2：上弦活载标准值：0.50 kN/m2；工况3：计算温差：由于本工程地处严寒地区，考虑工程难以全封闭采暖，设计考虑±30℃温差。

2.3 荷载效应组合

1.35 ×恒载+1.4×0.7×活载+温差；1.20×恒载+1.4×活载+温差。

2.4 边界支承条件分析

本工程跨度95 m，纵向长度184 m，由温差引起的温度应力不容忽视。通过对不同支座条件下（包括支座位置、支座释放方式、支座释放弹簧刚度的大小）网壳结构的变形和受力特征分析，得出一种释放引温差引起的温度应力相对较优的支座方案。假定所有支座为固定铰支座，通过分析确定需要释放约束的支座位置及支座约束方向。

2.4.1 支座反力分析

通过网壳4种不同位置的支座反力来比较分析由温度应力引起的该处位置支座反力程度，计算结果见表1。

表1 各工况组合下的支座反力

从表1中可以看出：

（1）纵向中部支座至角部支座，Y方向由温度作用引起的支座反力逐渐增大，并起控制作用，主要原因是网壳纵向边界较长，且温度作用下在该方向结构产生的温度应力无法释放，所以需设置弹性支座以释放该温度应力。

（2）角部支座处X方向引温度作用引起的反力非常严重，需将端部支座设为弹性支座，沿X方向适当放宽约束。

（3）将纵向中部及边部支座沿法向设置弹性支座，选择适当的弹性刚度。

2.4.2 弹性支座刚度对结构变形和受力性能的影响

首先采用网壳纵向支承约束条件在边界法向不放开，在边界切向释放约束，即布置沿切向的弹性支座。考虑4种弹性刚度：500 N/mm、1 000 N/mm、2 000 N/mm、5 000 N/mm，以确定最优的支座刚度。分析以上假定的3种方案，得到结果见表2。

表2 纵向支座沿切向弹性刚度不同对结构受力的影响

从各种方案的位移及支座反力可知，对于不同弹性刚度，弹性刚度越小即为支座释放越充分，杆件应力越小。由于结构抵抗水平荷载和地震荷载，弹性刚度不易太小，否则在水平荷载作用下支座将产生很大的水平位移。则本工程宜采用1 000 N/mm的弹性刚度。经模型分析得出，此时支座处因温度作用引起的支座位移为27.5 mm，网壳拱顶沿纵向位移为34.4 mm，工程上满足位移协调条件；且由表2可得，该方案不影响双层柱面网壳的空间壳体性能，不会降低结构的刚度。

2.4.3 端部网架支座的温度应力释放

从表2还可以看出，由于纵向支承约束边界切向释放约束，而端部支座法向约束未释放，使得端部边支座附近部分杆件由温度作用产生的内力增大，不利于温度应力的释放。由此将端部支座法向约束释放，并释放支座切向约束，采用弹性刚度为1000N/mm的弹性支座来释放温度应力，并使端网架与柱面网壳满足位移协调条件。分析结果见表3。

由表3看出，端部支座释放切向及法向约束后，该处端部网桥的温度应力得到明显改善；且双层柱面网壳的空间壳体性能良好，采用端部弹性支座不会降低结构的整体刚度。

2.4.4 纵向支座沿法向设置弹性支座

从表3还可以看出，由于端部支承约束边界切向释放约束，而网壳纵向支座法向约束未释放，使得纵向边部支座附近部分杆件由温度作用产生的内力增大，不利于温度应力的释放，考虑将网壳纵向支座法向约束释放。但对于网壳结构，如果放松纵向边界的法向约束，则将大大降低网壳结构的空间壳体性能、严重削弱网壳的承载能力、降低结构的刚度，严重的还会危及结构的安全[3~4]。因此，不易沿纵向全长释放支座法向约束。本工程有端部山墙网架，可考虑适当释放个别纵向边部支座法向约束，来释放角支座及纵向边部支座附近的温度应力。采用弹性刚度为1 000 N/mm的弹性支座，分析结果见表4。

表3 温度作用下端支座释放法向及切向约束对结构的影响分析

表4 温度作用下纵向边部个别支座释放法向约束对结构的影响分析

由表4可以看出，将靠近角支座的4个纵向支座沿法向设置刚度为1 000 N/mm的弹性支座能够有效降低该处严重的温度应力，该工程允许的最大空间位移为237.5 mm[5]，在设置4个法向弹性支座的情况下也能够保证结构的空间壳体性能，结构的整体刚度不会超出规范允许范围。

3 结束语

通过比较不同支座约束条件下网壳结构的变形和受力性能，可以得到释放纵向支座的切向约束、端支座的切向及法向约束、角支座的切向及法向约束能较大地减小杆件的温度应力，在条件允许的情况下（如端部设有山墙网架）释放纵向边部支座的法向约束。本工程弹性刚度选用1 000 N/mm是经过分析决定的，支座弹性刚度的选用在考虑释放温度应力的同时要保证结构抵抗水平荷载的需要，不易选用不利于网壳空间壳体性能，降低结构整体刚度的布置方案。考虑温度应力的另一种方法是将其简化为一种荷载，然后通过有限元法来分析，对温度的变化加以抽象和归纳。