国家体育场钢结构雪荷载效应实测及分析.pdf

梅宇佳等 国家体育场钢结构雪荷载效应实测及分析 4 7 国家体 育场钢 结构 雪荷载效应实测及分 析 梅宇佳， 罗尧治， 沈雁彬 浙江大学空间结构 研究中心 。 杭州3 1 0 0 5 8 【 摘要】 应用 自主开发的无线传感技术， 获得 了国家体育场钢结构在降雪过程 中的温度与应力变化。基 于实测数据， 分析积雪对结构温度的影响， 将温度应力剔除后得到雪荷载在结构中引起的应力， 探讨应力随时间 发展的规律及其在结构上的分布规律。结果表明积雪对结构温度有一定影响， 雪荷载作用下各部位呈现出不同 的受力特征。 【 关键词】 国家体育场； 雪荷载； 温度场； 无线传感 【 中图分类号】 T U 3 9 3 ． 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 8 0 o 4 7 0 3 FI ELD oF S TRES S AND T EM口 E ERATURE oN THE S T EEL S T RUCTURE oF NATI oNAL S TADHJ M UNDER S NoW LoAD ME I Y u - j i a ， L U O Y a o z h i ， S H E N Y a n b i n S p a c e S t r u c t u r e s R e s e a r c h C e n t e r ， Z h e j i a n g U n i v ． ， H a n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ，C h i n a Abs t r a c t By u t i l i z i ng s e l fd e v e l o pe d wi r e l e s s s e n s o r s，t h e v a r i a t i o n o f t e mp e r a t ur e a nd s t r e s s o n t h e s t e e l s t r u c t u r e o f t h e Na t i o n a l S t a d i u m d u r i n g a s n o w f a l l wa s c a p t u r e d ．T h i s p a p e r a n a l y z e d t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e s t r u c t u r e w h i l e t h e s n o w c o v e r e d t h e r o o f ， a n d c a l c u l a t e d t h e s t r e s s c a u s e d b y s n o w l o a d b y e x c l ud i n g t h e t e mp e r a t ur e s tre s s ．Th e n t hi s p a p e r di s c u s s e d h o w s t r e s s c h a n g e d o v e r t i me， a n d t h e i n fl u e n c e o f t h e s n o w l o a d t o d i f f e r e n t p a r t s o f the s t ruc t u r e ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s n o w c o u l d a f f e c t t h e s t ruc t u r e ’ S t e mp e r a t u r e，a n d d i f f e r e n t p a rt s r e s p o n s e d d i f f e r e n t l y t o t h e s n o w l o a d ． Ke y wo r d s t h e Na t i o n a l S t a d i um ；s n o w l o a d；t e mp e r a t u r e fi e l d；wi r e l e s s s e ns o r 雪荷载对结构受力有一定影响， 我国现行规范中对于 雪荷载的计算有相应的标准 j 。不同的屋面形式会使雪荷 载的分布情况各不相同， 尽管规范给出了几类屋面形式的 积雪分布系数， 但也难 以适用于一些大跨度空间结构的不 规则屋面形式。 同时风荷载也会导致积雪迁移， 影 响雪荷载的分布。 李雪峰等对风致积雪迁移后北京南站屋面的雪荷载分布进 行了数值模拟 j ， 何连华等对昌吉体育馆屋面在暴风雪作 用后的雪荷载分布进行了数值模拟 j ， 其结果均表明风荷 载对积雪分布有显著影响， 按规范方法尚难以考虑此因素。 此外， 结构温度往往随时间而变化， 导致雪荷载作用过 程中伴随着温度作用。而钢材对于低温较为敏感， 因此覆 盖的积雪对钢结构的温度分布也会有一定影响， 对积雪覆 盖时结构的温度场进行分析是研究雪荷载与温度协同作用 的前提。 可见雪荷载作用于结构 时伴随着一些不确定因素， 在 理论分析中可能难以考虑全面。因此文中采用实测手段， 以国家体育场钢结构为对象， 获取其在雪荷载作用下的真 实温度与应力数据 ， 并 以此为基础分析雪荷载对结构温度 [ 基金项 目] 十二五 国家科技 支撑计 划项 目 2 0 1 2 B A J 0 7 B 0 3 分布及受力状态的影响 。 1 结构温度与应力实测手段 国家体育场 鸟巢 是2 0 0 8年北京奥运会主体育场 ， 其 结构如图 1 a 所示。结构长轴方 向最大尺寸为 3 3 2 ． 3 m， 短 轴方向最大尺寸为 2 9 6 ． 4 m， 主结构为结构周边等间距布置 的 2 4根桁架柱及延屋盖洞 口放射形布置的2 4榀主桁架， 顶 面、 立面次结构与主结构交叉布置， 形成结构的抗侧力体 系， 主要采用由钢板焊接而成的箱形构件H J 。结构上弦层 为箱型钢构件与 E T F E膜材的组合， 膜材布置于各构件围成 的版块内， 固定于构件侧面的下缘 ， 使得屋面凹凸不平， 如 图 1 b 所示 ， 同时屋面整体呈鞍形 ， 各处倾斜度不一， 对积 雪分布也有一定影响。 文中采用自主开发的无线传感技术 ， 实现了大跨度空 间结构的长期实测及远程监控 I 6 j 。根据实测需求 ， 结构各 部位总共布置有 2 6 8 个测点以监测构件应力与温度， 主要布 置位置包括桁架内柱及主桁架下弦杆 、 腹杆、 上弦杆。各测 点延箱型构件轴线方向布置 ， 同一截面一般有 4个测点 ， 编 号时以一级编号表示其所在截面， 以二级编号进一步标示 其位置 1 、 2指代构件上表面或下表面 ， 3 、 4指代构件侧面， 梅字佳等 国家体育 场钢结 构雪荷 载效应实测及分析 4 9 气温， 以上结果表明积雪对钢结构的温度有额外的影响。 3雪荷载 作用 下的结构应力变化 3 ． 1 温度应力的剔除 降雪过程中各测点的应力变化有一部分是由温度作用 引起的， 为计算雪荷载作用所引起的应力 ， 需要将温度应力 予以剔除。实测结果表明降雪时结构温度分布接近均匀， 因此文中从长期实测所得的每 日凌晨时段的数据 出发 ， 建 立起各测点应力与温度关系 凌晨时段无 日照影响， 结构温 度分布均匀， 与降雪时相仿 。 ‘R 日 a_ 讨 至 理 图4 应力与温度数据的线性拟合 j 霎 蠢 霹 l }j目 ‘ i 警．． ⋯ ． 。 ； ． ～．． ． ⋯ ． 一 I ● ● I I ‘ } l - l ● ● I - ● ， I I ● ● I ● ● l I ⋯一J ⋯上⋯L ⋯J⋯上⋯L ⋯J ⋯一L⋯一 I I ● I ● ● I I l I ● I ● I I } l I I l ● ● l t ● l t I ● I ● I a 测点3 3 下弦测点 ．． ‘鎏 霪 鏖 ． i i 竺要 掣柙 穗未⋯ 一 I I一 ● I 。 ●一 I i ● i i ● I ● i I ● I l ● I ● i l ● ⋯J⋯． ■⋯．L ⋯J ⋯一▲ ⋯．L ⋯J⋯． L⋯． i I I ● ● I I I I i I i l I I ● i i ’ I ● ● I t L J j I I ‘ I ㈦I测点5 1 2 下 弦测点 3 ． 3 雪荷载作用下结构内力分布规律 富 倒 各测点数据分析表明， 近似均匀的温度场作用下， 测点 应力与温度之间接近线性相关 ， 如图4所示为测点 2 8 3在 2 0 1 1 ／ 0 5 ／ 0 1 2 0 1 2 ／ 0 4 ／ 3 0之间每 日凌晨 0～ 4时的应力与温 度数据的线性拟合。因此得到各测点的线性系数后可根据 测点温度变化计算其温度应力， 再从实际应力中减去温度 应力得到雪荷载引起的应力。 3 ． 2 雪荷载作用下的应力发展规律 以4时的小时平均值为参考值 ， 根据各测点应力与温度 的关系计算降雪过程 中的温度应力， 并从实测所得应力变 化中扣除温度应力， 得到雪荷载引起的应力。部分应力变 化相对较大的测点的应力时程曲线如图 5 所示。 由于降雪过程中各测点温度变化均较小 ， 因此实测所 得应力变化中温度应力所 占比例较小， 以雪荷载引起的应 力为主。降雪开始于6时 ， 但雪荷载引起的应力在8时之后 才开始明显增长， 原因是降雪之初还未形成积雪 ， 直到 8时 之后才开始堆积； 雪荷载引起的应力的绝对值基本都在 1 2 、 1 4 时达到峰值， 1 4 时之后开始下降， 此时降雪停止， 积雪开 始缓慢融化 。 日 △一 日 塞 ’l●’ 廛廛密⋯ 二 ⋯ ． ． ⋯{ ． ⋯ 一 釜 一 L 一 ． i二 一 一 ● I I I l I ● I ● ● l I ‘ I ● I ● I I I ● I l ● ⋯- J．⋯▲⋯． L⋯J ⋯-上 -_--L ⋯J ⋯上⋯ I I I I ● l ● ● ● I I I ● l I ● ● ● l I _ I I ● I I l I ● ● I - b 测点1 4 1 下弦测点 苗 i i i j i 霸 奄 窖 ； C _ } ⋯ 謇 测 所 得 粤 1 ‘t≮ ⋯ 一 ⋯ ’ 一 I ／I I I ．I ■ h - _ ● ● 一 l I l l I l 一 ● ⋯I。 I I I ● I ● ● I ● I I I ● ● ● I ⋯一J ⋯． ⋯．L⋯J ⋯．⋯．L ⋯J ⋯．L ⋯． - I ● l ● l ● J ● I I I ● I ● 1 ● l I l l I ● t t ‘ J I J J I ● d 测点8 2 上弦测点 图5 部分测点在降雪过程中的应力变化 图6 雪荷载作用 下各测点应力变化 幅度 由图 6看出各测点应力变化幅度最大的为 I- 弦测点 2 7 2 ， 变化 3 ． 3 1 MP a 。桁架内柱、 下弦杆、 腹杆、 上弦杆测点的 应力平均变化幅度分别为 0 ． 4 2 MP a 、 0 ． 9 7 MP a 、 0 ． 2 4 MP a和 1 ． 7 5 MP a ， 因此从平均水平看， 雪荷载对上弦测点的影响最 大 ， 对腹 杆测点的影响最小 。 由于雪量较小， 各部位的应力变化均不明显 ， 其中部分 测点的应力变化值可能还会因为风荷载和温度作用的干扰 而偏大。在结构实际服役过程中， 所遇到的降雪级别可能 远大于此 ， 文中计算结果仅体现了中小雪量影响下的结构 应力变化 情况。 4结语 通过对一次降雪过程中结构温度与应力数据的分析， 文中主要得到以下结论 1 降雪过程中结构温度分布接近均匀， 积雪使钢结 构温度低于气温。 2 雪荷载引起的应力绝对值随着积雪的过程增大， 在降雪停止后又逐渐减小。 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 8 期 总第 1 8 2 期 火电厂主厂房结构抗震性能评估 徐大燕 ， 张风玲 ， 赵昆 1 ． 西安建筑科技大学． r l l lR． 西安7 1 0 0 5 5 ； 2 ． 江苏省J I B 电规划设计院有限责任公司， 南京2 1 0 0 0 6 【 摘要】 主厂房结构是火电厂的核心工程， 其抗震性能的好坏直接关系到电厂灾后能否正常运行。本文 对某主厂房少墙型钢混凝土框架结构采用 P u s h o v e r 分析方法了解结构的薄弱部位， 并运用能力谱法对结构进行 抗震性能评估。研究表明 该结构能够满足“ 小震不坏、 大震不倒”的设计要求， 且在地震中剪力墙起到第一道抗 震防线的作用。结构的运转层及以下部位是结构的薄弱部位， 在设计时应引起重视。 【 关键词】 火电厂主厂房； P u s h o v e r 分析方法； 能力谱方法 【 中图分类号】 1 1 2 3 5 2 ． 1 1 I 文献标识码】 B I 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 8 0 0 5 0 0 3 S EI s M I C P】哪OR CE UAT1 0N OF L AI N F ACToRY BUⅡ I NG X U Da y a n ，Z HANG F e n g - l i n g ，Z HAO Ku n 1 ．S c h o o l o f C i v i l E n g ． ，X i ’ a n U n i v ．o f A r c h ．T e c h ． ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 5 ，C h i n a ； 2 ．J i a n g s u P o s t sT e l e c o mm u n i c a t i o n s P l a n n i n g a n d D e s i g n i n g I n s ti t u t e C o ． ， L t d ． ， N anj i n g 2 1 0 0 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h e m a i n p l a n t s t r u c t u r e i s t h e c o r e p r o j e c t o f t h e r m a l p o w e r p l ant s ， s e i s mi c p e r f o r m a n c e o f wh i c h i s d i r e c t l y r e l a t e d t o the p o w e r p l a n t wh e the r c a n r u n p r o p e r l y o r n o t ．I n thi s p a p e r ，P u s h o v e r a n aly s i s o f a ma i n p l a n t w i t h f e w w a l l S RC f r a me s t r u c t u r e we r e a c c o mp l i s h e d t o u n d e r s t a n d t h e we a k p a r t s，a n d t h e s e i s mi c p e rf o rm a n c e o f w h i c h wa s e v alu a t e d b y the c a p a c i t y s p e c t r u m me tho d ．T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e ma i n p l a n t w i th few wa l l S RC f r a me s t r u c t u r e C an me e t t h e d e s i gn r e q u i r e me n t s ，a n d s h e a r w all s p l a y the fi r s t s e i s mi c f o r t i fi c a t i o n l i n e s d u r i n g the e a r t h q u a k e ．Op e r a t i o n l a y e r an d the f o l l o w i n g p a r t s i s the w e a k p a r t s o f the s t r u c t u r e ，a t t e n ti o n s h o u l d b e p a i d t o wh e n d e s i g n i n g ． Ke y wo r d s ma i n f a c t o r y b u i l d i n g；P u s h o v e r analy s i s me tho d；c a p a c i t y s p e c t r u m me tho d 电力系统作为生命线系统的重要组成部分， 其安全性 问题会对国家的生产建设产生重大影响。历次大震证明， 地震造成重大损失的一个重要原因是承担抗震救灾工作的 [ 基金项 目】 国家 自然科 学基金 面上项 目 5 1 1 7 8 3 8 3 生命线工程破坏严重， 影响了抗震救灾工作的顺利进行 “。 为此 ， 有必要对这类建筑进行弹塑性分析 以找 出结构的薄 弱环节 ， 并在结构设计时予以加强。P u s h o v e r 分析方法概念 3 由于雪量较小， 各部位在雪荷载作用下的应力变 化不明显 ， 普遍在 2 MP a以下 ； 雪荷载对本工程结构的桁架 内柱和腹杆的影响小于其对上弦杆及下弦杆的影响。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 0 0 9 2 0 1 2 ， 建筑结构荷载规范[ s ] ． [ 2 ] 李雪峰， 周暄毅 ， 顾明．北京南站屋面雪荷载分布研究[ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 8， 3 8 5 1 0 91 1 2 ． [ 3 ] 何连华， 陈凯， 符龙彪．基于 V O F 方法的雪荷载数值模拟及 工程应用[ J ] ．建筑结构， 2 0 1 1 ， 4 1 1 1 1 4 1 1 4 4 ． [ 4 ] 范重， 刘先明， 范学伟， 等．国家体育场大跨度钢结构设计与 研究[ J ] ．建筑结构学报 ， 2 0 0 7， 2 8 2 l一1 6 ． [ 5 ] 罗尧治， 沈雁彬 ， 王洽亲， 等．国家体育场建筑健康监测技术 应用[ c ] ∥第十三届空间结构学术会议。 深圳 2 0 1 0 8 2 8 8 3 3 ． [ 6 ] 罗尧治， 杨鹏程， 俞锋， 等． 空间结构无线监测系统 H M S T的 研发与应用[ c ] ∥第十四届空间结构学术会议， 福州 2 0 1 2 9 3 8 9 4 2 ． [ 7 ] 中国天气网．北京大部飘落小雪 明天夜间或有 中雪 [ E B ／ O L ] ．h t t p ／ ／ w w w ． w e a t h e r ． e ,o m ． c n ／ n e w s ／ 1 7 5 9 0 2 7 ． s h t m 1 ． [ 8 ] W e a t h e r U n d e r g r o u n d ．I B E IJ I N G 1 3 [ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w ． W a n d e r g r o u n d ． c o r n ／ J I NG1 3． 1 y Hi s t o r y ． a s p I D I BEI 一 【 收稿 日期】 2 0 1 3 0 4 0 7 [ 作者简介】 梅宇佳 1 9 8 7一 ， 男， 杭州人， 硕士研究生， 从事 大跨度空间结构研究。