环境温度对超大跨拱结构合拢施工技术的影响分析

环境温度对超大跨拱结构合拢施工技术的影响分析

王学飞，郭剑，吴春楠

中冶（上海）钢结构科技有限公司

摘  要：本篇文章主要运用MIDAS/GEN对公司内合拢阶段的项目实施施工仿真研究，专注分析温度效应对大跨度拱型结构可能产生的消极影响。并且详细阐述了合拢施工的操作方案，并对合拢施工步骤进行简易的验算，最后还提供了切实可行的施工建议。

关键词：温度应力  有限元分析  合拢  大跨度空间结构  温度作用 拱结构  温度荷载

1 引言

近年来，人们对建筑物外部形态的需求在稳步增长，特别是自然流畅的拱线结构，它能够塑造出优雅的形状和外貌。通常，大跨度的钢制结构建筑倾向于采用拱型的结构作为主要承载顶盖的组成部分，该结构可以单独使用或协同其他结构共同承受荷载。在现代的建筑设计中，设计师越来越注重展现其真实性与美学价值，通过对拱形结构的创新性应用来实现这一目标。拱不仅是一个简单的结构元素，更会与桁架、壳体、框架等其他构架形式相结合，展示钢质及预应力系统中索、膜材料的力学和美学特点，从而转变为实体空间的分界面。当下拱形结构的应用目标，主要是为了更好地塑造空间并通过巧妙地运用构造创造出美观的建筑艺术，这主要体现于整合空间构造、营造氛围以及创新空间场所等多个层面。

图1.1-1  青岛游轮项目

影响拱结构自然弧线轮廓、外形精度的因素之一是环境温度。拱构件加工厂加工完毕运至现场后，由拱脚向拱顶对称吊装，待吊装至拱顶最后一段时需进行合拢，控制焊接及环境温度应力对整个结构受力及变形的影响。同时，查询相关资料得青岛市近百年来极端最高气温38.9℃，极端最低气温-16.9℃。环境温度在一些特殊施工作业环境下变化显著，因此需要特别关注。

综上所述，本文以拱结构跨外吊装施工工艺为基础，结合实际工程项目，分析环境温度对该施工技术的影响，并根据分析结果，给出相对合理的施工建议。

2 工程概况

青岛邮轮港项目整体平面投影为柳叶形，长轴方向长度约130m，短轴方向约75m（不包含入口雨棚），屋面结构采用拱支单层网格结构形式，通过前后立面两道组合拱以及屋面的三道主拱进行支撑，在各拱之间沿短向布置横向网格次梁，并沿着纵向布置拉杆，保证横向网格次梁的面外稳定。

结构整体跨度较大，且拱结构与框架结构仅通过四根摇摆柱相连接，拱脚由铸钢件连接。温度对结构的影响很重要，因此在这个工程中，关键是要找出如何减少温度对结构合理施工的影响。

图2.1-1  屋面及立面结构示意图

3 温度对结构的影响

3.1 温度影响

目前为止合拢主要存在桥梁、场馆等大跨度钢结构中。由于青岛邮轮项目屋面拱结构平面尺寸较大，主要采用箱型外露的薄壁弯扭构件，温度效应比较显著。屋面结构施工工期为2023年12月~2024年2月，此季节青岛地区温度变化较大。

考虑到本工程结构的复杂性，构件延米重量较大，难以在合适的温度条件下一次完成合拢工作。在青岛邮轮项目策划过程中，陕西建工与中冶（上海）钢结构科技有限公司的积极配合下，经多次协商，在多方面进行调整。

3.2 合理的控制合拢段数量与位置

由于青岛游轮项目屋面钢结构尺寸较大，温度效应很大，如果合拢前的分段过大，在分段内将会产生很大的温度应力，应将分段尺寸尽量减小。但是如果合拢段过多，现场高空焊接接口数量将会大大增加，不利于整体结构质量控制。因此，屋盖每条拱设一条合拢段，如下所示。

图3.2-1  合拢段数量与位置

3.3 合拢温度的允许偏差

青岛游轮项目涉及的钢制结构幅度宏大，构件数量众多。在施工阶段，实现全面均匀的温度操作成为一项挑战，因此设计规划要求钢制结构部件在闭合时需到达平均温度，并允许存在微小的温度偏差。由于本工程施工时间为冬季，因此合拢工作暂定早晨6:00~8:00，此时间段气温变化比较平缓，且太阳辐射照度不同引起的不均匀温升变化也较为平缓。

4 有限元分析

环境温度对拱结构施工的影响主要分为两个阶段，其一是拱结构安装阶段，其二是拱结构合拢阶段。我们通过使用通用的有限元分析软件Midas，对结构的应力和变形进行了分析。

4.1 Midas有限元模型

（1）边界条件的设定为合拢阶段

依据拱结构受力特点及结构受力特点，两侧多拱汇交节点采用铰接做法，减少对地下室的弯矩。

为减少拱跨距，纵向网格梁内加设四根摇摆柱，也为铰接连接。

图4.1-1  Midas计算模型

（2）单元与材料模型

环境温度影响的有限元模型所采用材料和单元模型与施工分析模型一致，但需在材性中应增设线膨胀系数，根据规范建议钢材的线膨胀系数取为1.2×10-5/℃-1。

4.2 结构荷载定义

温度效应主要课分为三个类别：由太阳光线照射导致的温度变化、骤然降低的温度作用及由年度变迁引发的温度影响。温度对结构主要在应力和应变两个层面产生影响。通常，日照可能会在钢质结构表面产生非均匀的温度变更，而大跨度空间结构往往会受到整体的温度波动作用（即年温差的效应）。当环境温度升高或降低，结构各部位将随温度变化而展现膨胀或收缩。但是，在受到结构限制情况下，这类变化会被抑制，由此形成了温度应力。对于大规模复杂的空间钢结构而言，温度应力的影响十分显著。因为温度应力可能导致连接杆件过度变形，使得结构无法完成正常闭合。要是强行进行闭合，那么将会发生较大的次应力，进一步影响结构的稳定性。所以，严密地控制闭合温度并模拟闭合操作中结构应力变换情况对保障施工安全有着至关重要的作用。

4.3 结构施工阶段仿真分析

为减小合拢后温度应力对结构的影响，安装时整体由两侧向中间合拢缝安装，合拢时先安装屋面三道主拱，再安装立面组合拱。合拢温度分为五种工况进行分析，分别为：5℃、10℃、15℃、20℃、25℃。荷载组合采用下表进行计算分析。

表4.3-1  荷载工况

不同工况下的应力变化图如下：

图4.3-1  工况1下应力图

图4.3-2  工况2下应力图

图4.3-3  工况3（5℃）下应力图

4.4 合拢段应力分析

合拢段在各种工况下的变化值

表4.4-1  屋面主拱变化值

表4.4-2  纵向网格梁1变化值

表4.4-3  纵向网格梁2变化值

4.5 小结

从应力分布图我们可以明显地看出，在考虑上述三种工况时，选择适当的闭合温度对最终结构受力状况具有关键性影响。

表4.4-1数据阐明，假设环境温度为5℃时，所形成的应力值为-49.8MPa；当温度升高5℃时，合拢杆件的应力从-49.8MPa增加到-50.2MPa。当温度升高10℃时，合拢杆件的应力从-49.8MPa增加到-50.5MPa。当温度升高15℃时，合拢杆件的应力从-49.8MPa增加到-50.8MPa。当温度升高20℃时，合拢杆件的应力从-49.8MPa增加到-51.2MPa。

表4.4-2数据阐明，假设环境温度为5℃时，所形成的应力值为-8.1 MPa；当温度升高5℃时，合拢杆件的应力从-8.1MPa增加到-17.8MPa。当温度升高10℃时，合拢杆件的应力从-8.1MPa增加到-17.8MPa。当温度升高15℃时，合拢杆件的应力从-8.1MPa增加到-17.8MPa。当温度升高20℃时，合拢杆件的应力从-8.1MPa增加到-17.8MPa。

表4.4-3数据阐明，假设环境温度为5℃时，所形成的应力值为-18.6MPa；当温度升高5℃时，合拢杆件的应力从-18.6MPa增加到-19.5MPa。当温度升高10℃时，合拢杆件的应力从-18.6MPa增加到-23.2MPa。当温度升高15℃时，合拢杆件的应力从-18.6MPa增加到-31.5MPa。当温度升高20℃时，合拢杆件的应力从-18.6MPa增加至-39.9MPa。

5 结论

此篇论文将焦点聚焦在青岛游轮项目上，具体深度探讨了超大跨拱结构合拢施工技术的仿真分析问题。文章详尽地审视了温度效应的数值设定以及温度应力的计算方法，并对温度荷载在合拢施工中的角色提出了深刻见解。最终得出以下结论：

施工阶段的温度对合拢过程有重要影响，不容忽视。

通过有限元分析可以更直观有效地指导大跨度结构的施工。

我们可以使用Midas有限元计算来确定在不同温度下安装应力，并确定适当的时间段，用于大跨度拱结构的合拢。我们根据这个基础提出了一些关于拱结构合拢的施工建议和意见。

有限元计算只能在施工阶段提供有效的指导，而合理的施工方案更重要。

参考文献

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