考虑温度应力的钢拱结构抗震性能分析

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1、考虑温度应力的钢拱结构抗震性能分析1绪论1.1研究背景几十年以来，钢结构因其自身诸多优点，在国内外建筑中的应用越来越普遍，例如在机场、会展中心、体育馆、厂房等工程中广泛采用。目前国内外学者对钢结构的研究大部分主要集中在截面承载力、结构构件的稳定性、长细比、屈曲、疲劳度等钢结构内力分析上，对钢结构受温度作用影响上的研究非常的少，而实际上温度对钢结构的影响是不可忽视的。对于钢结构，温度应力对结构设计与施工均具有重要影响，找到合理解决钢结构温度应力问题的途径具有实际意义。我国是遭受地震灾害最严重的国家之一，经济还处于不发达阶段，天然地质条件不好，抗

2、震防灾减灾体系不完善、工程抗震措施以及结构体系的抗震技术研究落后等是产生严重震灾的主要原因。2008年汶川大地震中，钢结构建筑发生大量破坏，造成了重大的生命财产安全损失，因此根据结构自身特征准确评估其抗震性能，采取合理的结构设计方案是对建筑物进行工程结构的抗震减灾的重要措施和手段。针对上述问题，本文利用SAP2000有限元计算软件，以某大学体育馆钢拱结构为研究对象，对其进行了合理的建模，采用反应谱法和时程分析法对结构进行不考虑温度效应和考虑温度效应和地震共同作用下结构的地震响应分析，并将结果进行对比，定量的分析了温度作用对钢拱结构在地震作用下

3、产生的位移和内力响应的影响，为工程设计和安全分析提供参考。..........1.2国内外研究现状邵红艳[1]等从热传导的基本方程出发，求得了瞬态和稳态温度场的有限元格式，并将不均匀温度场的影响转换成相应的等效节点荷载，然后通过有限元法求得结构在该荷载下的应力场和变形，同时利用算例验证了此方法在工程中应用的可行性。孙伟宾[2]利用ANSYS有限元分析程序，详细分析了拱结构在改变支座形式，采取不同的跨度，不同的矢跨比情况下其受力性能的差异；对比分析了温度荷载和普通荷载作用下结构的受力特点，结果表明，结构的约束形式和自身的刚度是影响温度效应的两个

4、主要因素。曾晓文[3]等依据热传导规律建立了二维热传导方程，将非稳态问题转化成稳态问题进行数值求解，得到结构温度场的分布情况，并为此后的温度应力分析提供依据。魏德敏[4]等分析了几何及材料的非线性、温度随构件截面高度产生的不均匀分布等这些因素的影响，推导出在高温作用下平面钢框架的增量变刚度法的有关公式，并编制了相应的有限元程序对算例进行具体的分析。徐丽[5]等针对大跨度空间结构的日照温差分布复杂且难以全面考虑的情况，对广州体育馆的钢屋盖进行了现场连续测试，进而分析了在日照温差作用下不同构件产生温度应力数值的改变规律。范重[6]等以国家体育场为

5、工程背景，对温差所引起的桁架的内力效应及影响太阳辐射吸收系数的因素进行分析，确定了温度场计算所采用的参数以及与室内外风速相应的热传导条件；同时，根据各构件位置的不同划分为不同的太阳照度分区，利用有限元计算方法计算各构件的外表温度及平均温度，并依此提出了整体结构太阳辐射温度场的计算方法及合拢温度和最大正负温差的确定原则。.........2结构温度应力基本理论与地震反应分析方法2.1温度应力和地震反应分析概况现阶段规范对一般钢结构建筑关于释放温度应力的措施有以下四类：⑴结构的长与宽均在规范规定的范围内时不考虑温度效应；⑵结构的长或宽较大时，采用

6、设置伸缩缝来防止温度应力产生的破坏；⑶结构进行设计时，通过乘以一个安全系数减小温度应力占计算荷载的比例；⑷规范建议采用长圆孔结构进行温度应力释放。温度应力的释放在工程设计中常利用伸缩缝来解决，但设置伸缩缝给建筑的防水、保温带来不利影响，而乘以安全系数的方法则因为其数值大小不好确定，系数太大就会增加主要构件的截面尺寸，增加工程成本，而系数太小起不到良好的效果。目前国内外关于温度作用的取值的规定各不相同，且有的国家还没有明确规定，针对不同类型的建筑结构，我国的规范也只是对伸缩缝间距的大小给出了规定值。对于那些比较特殊的结构形式，温度作用的取值仍然

7、处于探索阶段。.........2.2温度应力基本理论建筑物随温度的升高而膨胀，随温度的降低而收缩，热胀冷缩是普遍存在的一种自然现象。温度效应对结构产生的响应主要是温度作用引起的应力和变形，其实质为变形和变形协调约束产生的内力。虽然结构的温度不高，但是温度差足以影响结构的使用功能和内力重分布，例如建筑向阳面因日照和夏冬温度差均匀变化而引起的内力变化和结构变形。近几十年以来，国内外出现众多因温度应力产生的结构损坏，温度效应越来越突出，使得温度应力问题受到工程界广泛关注和重视，本文将对长时期均匀温差作用下钢拱结构的温度应力作详细的分析。日照温差，

8、结构构件由于太阳照射不均匀而引起向阳面与背阴面的温度差值，由于太阳辐射的局部性及材料热传导的不均匀性，结构外部构件受到日照温差有较大的影响，产生不均匀的温度分布状况