超大型钢结构温度影响及抗震分析

超大型钢结构温度影响及抗震分析摘要：文章针对我国超大型钢结构在设计时应计算温度应力和控制变形，同时须考虑在抗震方面的影响，采用唐山市唐山南湖访客中心工程为例，分析温度应力和变形的变化及抗震方面的影响，同时采用相对的措施控制温度变化产生的不利影响。结果表明在温度变化下对超大型钢结构产生的温度应力和变形可以控制，对温度变化产生的位移角和周期的变化对抗震方面的影响很小，能满足实际规范要求。

关键词：温度应力；温度位移；周期比；层间位移角

温度对钢结构的抗震影响因素往往被忽视。当代许多国家在钢结构设计规范里在温度变化对钢结构应力变形和抗震的影响无明

确规定，只对一些重要类超大型建筑采取一定的措施。

为了研究温度对钢结构的抗震影响，采用pkpm结构设计软件建立模型，三维空间分析程序satwe2008年10月版本对楼层进行升降温，对结构的温度变化产生的应力﹑位移﹑周期比﹑层间位移角进行分析，总结温度效应及抗震影响。

一、工程概况

本工程为唐山南湖访客中心工程，钢框架结构。本工程地上五层，局部二层。工程位于唐山市南湖公园，建筑面积2.8万平方米。本工程由五条鱼形单体拼装而成，外形极不规则，属于极不规则类建筑，对结构应力变形及抗震影响很大。钢结构柱截面为

+300x600x20x25mm，钢梁截面h888x300x12x20，h700x400x16x25，

hm588x300x12x20；局部混凝土柱截面为直径1000mm的圆柱，楼面采用混凝土压型钢板组合楼盖，压型钢板型号为yx-75-230-690（i）-1.2，部分楼面是混凝土楼板。

二、超大型钢结构温度变化影响

（一）温度应力

表 1各层某梁弯矩、应力比

通过表1可以看出，由梁变形引起的附加弯矩很小，几乎无影响；梁端受柱约束，没有伸张的余地，在温度变化下，温度应力增加幅度比较大且不能释放，超过钢梁的强度设计值，导致钢梁的鼓胀、屈曲。

我国钢结构设计规范对钢结构温度区段有严格的规定，要求对超过设计规范长度的钢结构要计算温度应力，并采取有效的措施释放温度应力。如果温度应力不大，在满足承载力要求之下，适当减少柱的截面、削弱柱的刚度，释放温度应力；在温度应力比较大的情况下，在梁、柱之间螺栓钢性连接处设长圆孔，能有效的释放温度应力。

（二）位移

钢框架结构在温度变化下结构产生或局部变形或整体变形，为了不影响钢结构建筑物的正常使用和外观，在结构设计时须考虑结构的侧移变形和挠度，有特别要求可根据实际情况放宽要求。

由于室内外温度温差，钢结构随着高度的增加，产生越来越大

的侧向位移，侧向位移越大，会导致填充墙或玻璃幕墙、窗体的裂缝甚至损坏，影响整个建筑物的美观，所以在温度变化较大的情况下，要保持钢结构有足够的抗侧力刚度，减少温度变化对结构侧向位移的影响。

温度变化引起的对钢结构变形有多种类型，其中有剪切变型，剪切变型各层的位移是均匀的；其它的弯矩变型在温度变化作用下产生水平方向的推力，而且绕水平轴发生转动，这种结构上部位移大，下部位移小，由此整体结构下部产生较大的内力，上部能量被释放，内力小，其层间位移一部分是水平方向引起的，另一部分是由结构转角引起的。

表 2各层x，y 方向的最大位移（m）

在温度升高30℃的情况下，在x轴方向位移6层最大，达到0.031m，1层位移最小，达0.018m，在y方向上位移更大，最大达到0.049m，本工程最大位移允许范围在0.069m，在x方向上位移最大达到0.031m，y方向上位移最大达到0.049m，超出规范要求。从表2中可以看出，在温度变化作用下，顶层的位移明显比底层大，钢结构的侧向刚度随着层高的增加逐渐减少。

三、温度变化抗震分析

（一）周期比

结构周期比是影响结构抗扭的重要因素之一，如果结构从第一周期开始扭转，对抗震很不利，一是结构抗侧刚度达不到要求，二

是质量重心和结构刚度中心不一致，引起结构的扭转，特别是地震设防烈度高的地区，在强大地震力作用下，引起毁灭性的灾难。

结构在不考虑温度变化下，第一周期为平动，周期为1.0859，结构从第三周期开始扭转，周期为0.7833，第一扭转周期除以第一平动周期为0.7213，小于0.9，满足规范要求。

在温度荷载升高30℃时，结构周期、转角、平动系数、扭转系数均未发生变化，说明温度变化对超大型钢结构周期无影响或影响很小。本工程在温度下未发现结构自振周期的变化，但有些超大型极不规则钢结构在温度变化下结构本身刚度会削弱，导致结构自振周期减小，地震影响系数增大，地震力增大，对超大型钢结构抗震很不利。

（二）位移角

地震作用下最大位移角，在考虑地震力和温度共同作用下，位移角发生了变化，位移角受结构平动和扭转的影响，由表3可以看出，在同时考虑温度和地震力作用下，位移角并没有增大，相反减少。在温度作用下钢结构抗侧刚度衰弱，增大了位移，但同时温度变化有可能有效改善了地震力的扭转效应，使结构位移角减少。结构位移角在考虑温度变化下比较复杂，在一定程度上很难把握，但整个结构位移角均小于1/300，满足规范要求。

表 3各层x，y 方向的位移角

四、结语

综合唐山南湖访客中心工程结构温度影响和抗震分析：

1．温度变化会产生温度应力，超大型钢结构在设计时要同时考虑计算温度应力，在不能满足强度要求的情况下，需做加强措施。

2．钢结构在温度变化下引起整体位移和局部位移，结构的抗侧刚度减少，引起墙体开裂，在设计超大型钢结构要考虑温度方面的影响，在考虑造价的同时要适当的提高柱的抗侧力刚度。

3．钢结构位移角受结构扭转和平移的影响，超大型钢结构在温度变化下位移角变化比较复杂，在一定程度上提高抗侧力刚度并不能起到很好的作用。

4．本工程是使用结构设计软件模拟温度变化下对超大型钢结构温度影响和抗震分析，需在工程实践应用中进一步论证。

参考文献

[1]刘晓光．超宽超大特大型轻钢厂房的结构设计[j]．建筑结构学报，2003．

[2]姚卫国．超长框架结构温度应力分析与手算[j]．福州大学学报，2005，（33）．

[3]曾晓文，张咏梅．结构日照温度场计算研究[j]．科技情报开发与经济，2005，15（21）．

[4]徐丽，陈建秋，吴大鹏，等．大跨度钢屋盖结构的日照温度应力观测[j]．低温建筑技术，2006，（3）．

[5]范重，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）．