沈阳铝镁设计研究院有限公司 辽宁沈阳 110001
摘要：近些年来，随着铝行业的高速发展，我国在西部及西北部大量兴建电解铝或是氧化铝的工业基地。其中厂区的输料系统大多采用钢结构皮带廊进行送料，其优势为施工速度快，并同时满足外观和厂区功能性要求。而随着皮带廊跨度越来越大，温度作用成为了皮带廊结构设计过程中不可忽视的因素。皮带廊结构的设置，往往是需要跨越厂房及道路，一旦结构发生破坏会造成不可估量的损失。因此有必要对皮带廊结构进行温度效应分析，以便于了解结构在温度作用下的内力和变形情况，从而对可能由温度作用引起的结构安全隐患提出相应的防范措施，为大跨度结构的设计和优化提供理论支持。
关键词：钢结构；皮带廊；温度效应；变形；有限元分析
前言
目前，在铝冶炼工厂等工业类建筑中，考虑到各种工艺设施的物料需求，经常采用钢绗架皮带廊结构进行厂区物料的输送。该桁架结构的特点为：结构是超静定结构，大都处于露天环境，且材料热性能良好。由于气候温差变化及太阳辐射，再结合钢结构自身特点等，结构所产生的温度应力及温度变形不容忽视。随着钢桁架结构长度的不断增大，温度应力的影响越为显著，可能超越结构其他荷载成为控制荷载，严重时将影响到结构的可靠性，因此设计时需加以考虑。本文以铝冶皮带廊为模型，采用有限元程序，建立符合现场的实际有限元模型，对结构进行温度应力变形分析，同时也提出钢结构皮带廊体系设计方面需要注意的一些问题，对提高钢结构皮带廊体系的抵抗温度作用能力有一定意义。
1.温度作用
温度作用指结构或结构构件由于温度变化所引起的作用，应考虑气温变化、太阳辐射及使用热源等因素，作用在结构构件上的温度作用采用其温度的变化来表示。对于大跨度空间钢结构而言，在施工过程中温作用对结构的影响较为显著，节点位移的变化量也不能忽略。
对于结构的温度应力计算，国内的规范及学者已进行大量工作。文献[1]中描述，计算温差采用皮带廊安装合拢时室外环境温度，与该地区最高（或最低）五日极端温度平均值之差。此计算温差主要参考了文献[2]，相关计算公式系按该文内容归纳而成，而该文中所讨论的问题是主要针对于钢筋混凝土皮带廊。文献[3]对热传导速率较慢且体积较大的砼及砌体结构做如下定义，结构温度接近当地月平均气温，可直接采用月平均最高气温和月平均最低气温作为基本气温。对金属结构等对气温变化较敏感的结构，宜考虑极端气温的影响，基本气温Tmax和Tmin可根据当地气候条件适当增加或降低。
本文研究的对象是铝厂皮带廊支架及桁架结构体系。该体系为大跨度钢结构体系，一般为开敞式结构。由于开敞式皮带廊所有钢构件均直接暴露于外界环境中，可认为钢构件的温度和室外气温相同，所以本章对皮带廊的温度计算仅考虑气温变化，计算温差采用安装合拢时的室外温度与场地极端气温之差。
2.有限元分析
2.1 有限元模型建立
假定某物料输送皮带通廊位于内蒙古东北部某地区，结构形式为钢结构，采用双格构柱柔性支架与四柱刚性支架像结构的形式，支架高度30米，桁架跨度50m，横断面宽度取3.6米，四连跨桁架，总长211米，根据刚性支架设立位置的不同，采用SAP2000建立模型1~3，如图1 a~c所示。
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c 模型3刚性支架位于中部
图1 基本模型立面图
2.2 温度荷载
在结构计算时，为了便于统计结果及总结规律，本文的荷载工况仅考虑结构自重及温度作用的耦合作用。以内蒙古东北部某地为例，气象观测资料显示：当地多年最高日气温为37.4℃，最低日气温为-38.6℃。假设皮带廊合拢施工时温度为21.4℃，计算温差为：Δt =（-38.6℃）-21.4℃ = -60℃。温度荷载取计算温差-60℃。
2.3 不同支架布置对皮带廊温度作用的影响
为了模拟皮带廊在温度作用下的受力变形特点，对模型1~3施加了上述计算温差荷载，并与结构自重进行耦合分析，分析模型显示如图2 a~f。
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e.模型3变形图 f.模型3轴力图
图2 模型1~3 在温度荷载作用下的变形图及轴力图
从图2 a~f中可以看出，在相同温度荷载作用下，同等长度的皮带廊，刚性支架的设置位置不同，皮带廊的变形约束中心点位置随之变化，结构受力也随之变化。下面对三种模型的支架控制点纵向位移及支座水平力统计结果见图3 及图4。
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图3 模型1~3支座纵向位移图
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图4 模型1~3支座水平力图
从图3和图4的可以看出：（1）皮带廊变形约束中心点随刚性支架的位置变化而变化，中心点位置较为接近刚性支架位置。其中模型1刚性支架位于端部，其端部控制点的最大水平位移为96.5mm，而模型3刚性支架位于皮带廊中部，其端部控制点最大水平位移已减小至71mm。（2）越靠近变形约束中心点，桁架的支座水平力越大。如模型1刚性支架设在端部，桁架支座水平力最大位置也在端部，模型3刚性支架设在皮带廊中部，桁架支座水平力最大位置也在中部。
因此，当皮带廊温度区段长度相同时，刚性支架越趋近于温度区段中间位置，皮带廊桁架及支架的受力就越合理。本文建议，当皮带廊温度区段较长时，尽量将刚性支架设置在温度区段的中部，两侧用柔性支架支承皮带廊桁架，利用桁架和柔性支架协调变形，来释放由温度作用产生的构件温度应力。
3.结束语
通过对钢结构皮带廊进行的温度作用分析，可得出如下的结论：
1）皮带廊桁架及支架结构在外部温度变化下，会产生结构变形及杆件温度应力。当皮带廊温度区段较长时，应尽量将固定支架设置于温度区段中心，来均匀分配皮带廊的温度应力和变形。
2）规范有提出敞开式廊身的皮带廊的温度区段长度和伸缩缝最小宽度，但是没有给出适用该规定的具体温度及结构形式。所以当皮带廊温度区段较长时，均应对皮带廊桁架及支架进行整体建模计算，并考虑温度作用对皮带廊的影响。
3）当温度区段较长时，对于支座的设计，应考虑温度作用的影响，应采用合理的形式来进行连接，并通过温度计算来校核皮带廊在温度作用下的受力和变形。
4）当项目建设地区的四季温差变化较大时，应考虑温度作用对皮带廊的影响，并注明该项目皮带廊系统的设计合拢温度范围。
参考文献：
[1]中华人民共和国工业和信息化部. 钢铁企业胶带机钢结构皮带廊设计规范：YB 4358 2013 [S] .北京：冶金工业出版社，2014.
[2]归衡石.胶带机皮带廊支架设计中的几个纵向力的问题[J]，特种结构 2004，21（2）：14-16.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑结构荷载规范：GB 50009 2012 [S] .北京：中国建筑工业出版社，2012.
[4]吉立洁.某钢结构通廊温度效应和抗震性能分析[D]，西安：西安建筑科技大学，2015.
[5]董立婷.某大跨度运输通廊考虑温度应力影响及动力特性分析[J]，工业建筑 2013，43（9）：124-128.
论文作者:马华
论文发表刊物:《防护工程》2019年19期
论文发表时间:2020/2/27
标签：皮带论文; 温度论文; 结构论文; 支架论文; 桁架论文; 模型论文; 刚性论文; 《防护工程》2019年19期论文;