空间钢结构日照非均匀温度场及其效应研究

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1、博士学位论文空间钢结构日照非均匀温度场及其效应研究EXPERIMENTALANDNUMERICALINVESTIGATIONOFTHENON-UNIFORMTEMPERATUREFIELDANDTHEEFFECTONSPATIALSTEELSTRUCTURESUNDERSOLARRADIATION陈德珅2017年12月国内图书分类号：TU391学校代码：10213国际图书分类号：624.01密级：公开工学博士学位论文空间钢结构日照非均匀温度场及其效应研究博士研究生：陈德珅导师：沈世钊教授副导师：钱宏亮教授申请学位：工学博士学科：结构工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2

2、017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU391U.D.C:624.01DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringEXPERIMENTALANDNUMERICALINVESTIGATIONOFTHENON-UNIFORMTEMPERATUREFIELDANDTHEEFFECTONSPATIALSTEELSTRUCTURESUNDERSOLARRADIATIONCandidate：ChenDeshenSupervisor：Prof.ShenShizhaoAssociateSuperviso

3、r：Prof.QianHongliangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：StructuralEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要空间钢结构具有几何尺寸大、杆件众多、结构形式复杂等特点，尤其是直接暴露于室外、屋面材料透光性强或处于施工期的空间钢结构，在强烈太阳辐射作

4、用下结构将产生显著的非均匀温度效应，常常成为设计中未能考虑到的潜在问题，直接影响构件的装配效率和结构的合拢精度。此外由于结构内部未充分释放的残余温度应力的存在，结构使用阶段的实际应力状态将不同于设计状态，结构安全性可能存在隐患。但是由于日照温度作用具有较强的复杂性，受太阳辐射条件、环境温度、风速条件、地面反射情况、阴影遮挡等诸多因素的影响，具有短时急变、分布不均匀等特点，目前对钢结构日照温度作用的研究较少，在现行规范中仅提出原则性要求，缺乏明确的设计规定和计算方法。因此空间钢结构日照温度作用的研究具有明确的理论创新意义和广泛的工程应用前景。本文进行了如下几方面的工作：1

5、、型钢构件日照非均匀温度场及其效应试验研究以矩形管、工字钢、圆管三种常用型钢构件为研究对象，从试验平台设计、监测手段及测点布置、试验工况规划等方面对构件日照温度场及效应试验进行详细设计，通过长期连续日照温度作用及复杂热边界条件的监测，掌握型钢构件日照非均匀温度场、温度应力及变形的分布规律及时变特性。提出由非均匀温度场引起的日照弯曲应力概念，总结构件平均温升、轴向应力、整体变形之间的关系，为类似构件的日照温度作用研究提供可靠的试验参考。2、型钢构件日照温度场数值模拟方法及参数分析考虑复杂热交换过程及阴影遮挡对试验构件温度场分布进行数值模拟，结合试验结果验证数值模拟方法的准

6、确性。对构件属性及环境因素等进行扩大参数分析，探讨各因素对构件日照温度场的影响程度，揭示各因素对构件日照温度场的作用机理。基于太阳辐射理论和稳态热分析原理，提出常用型钢构件的温度场简化计算方法，并结合之前试验数据进行对比验证，为实际工程中型钢构件日照温度场的简化计算提供理论支撑。3、型钢构件日照温度效应机理及影响因素分析考虑不同约束条件与实际温度场分布，对型钢构件日照温度效应试验进行数值模拟，并结合试验数据验证数值模拟结果的可靠性。分析约束刚度、构件属性及环境因素对温度效应的影响，揭示日照非均匀温度效应的作用机理。提-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文出弯曲应力影响系数

7、的概念，分析各因素对弯曲影响系数的影响，计算工程常用型钢构件的日照弯曲影响系数，为工程简化考虑非均匀温度效应影响提供方便。4、空间结构日照温度作用试验研究与数值模拟设计典型空间结构体系日照温度场及其效应试验，准确捕获结构各区域构件的温度分布模式，对热边界条件进行实际测量，基于实测数据验证有限元分析方法。监测由日照温度作用引起的主要受力构件的温度变形和应力，评估日照温度作用对主要受力构件内力和变形的影响程度。将温度效应测试结果与温度场测试结果进行对比，研究主要受力构件温度变化幅度和应力变化幅度间的关系，全面掌握结构日照温度作用对其受力状态的