空间钢结构日照非均匀温度场作用机理及其设计方法研究

As the span of spatial structures increases and the daylighting roofing materials are used widespreadly in today’s society, the non-uniform solar temperature field on spatial steel structures has become more and more predominant, even the key load during construction period and one of the design control loads in service stage. However, the research of this field is now still in an initial stage, so that there is no explicit related standard in current codes. Based on the previous research, this project explores the key problems of the non-uniform temperature field under solar radiation from the perspective of its function mechanism and design method. (1) Starting with the basic components, to improve the precision of numerical simulation method, the characteristics of non-uniform temperature field and the values of key parameters are studied; (2) The experimental study on non-uniform solar temperature effect is carried out. Combining the theoretical analysis and numerical simulation, the mechanism and key influencing factors are discussed. (3) From the point of engineering application, the design methods considering non-uniform temperature effect for spatial steel structures and its components are proposed. This project will achieve complete theory and technology systems of non-uniform solar temperature field effect, which could directly provide technical support for the design, construction and related fields of spatial steel structures.

随着结构跨度的增加和轻型采光屋面材料的广泛应用，日照非均匀温度场作用对空间钢结构的影响愈发显著，甚至成为结构施工期的主要荷载和服役阶段部分构件的设计控制荷载。但目前该领域的研究尚处于起步阶段，现行规范亦未能给出非均匀温度场作用的设计标准。本项目以前期研究为基础，从作用机理和设计方法的角度探究日照非均匀温度场作用的关键问题：（1）从空间结构的基本构件入手，研究日照非均匀温度场特性和关键参数取值方法，优化并提高数值模拟方法的精度；（2）对日照非均匀温度效应进行试验研究，结合理论分析及数值模拟探讨其形成机理和关键影响因素；（3）从工程应用的角度研究空间钢结构考虑日照非均匀温度场作用的设计方法，提出非均匀温度荷载建议取值方法及构件设计方法。通过本项目的研究，形成关于日照非均匀温度场作用相关问题的理论体系，并取得技术突破，研究成果将直接为空间钢结构的设计、施工等相关领域提供理论支持及技术保障。

大跨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，对温度作用较为敏感。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，在强烈太阳辐射下将产生显著的非均匀温度效应，常常成为设计、施工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；受残余温度应力的影响，结构在使用阶段的实际应力状态将不同于原设计，其安全性可能存在隐患。本项目以前期研究为基础，从作用机理和设计方法的角度探究空间钢结构日照非均匀温度场作用的关键问题：（1）设计并完成常用钢构件日照温度场试验，提出了考虑动态阴影变化的多场耦合条件下空间钢结构日照非均匀温度场数值模拟方法，结合参数分析掌握了日照温度场的空间分布特性及时变特征；（2）对非均匀温度效应进行试验和模拟研究，明确了空间钢结构非均匀温度效应形成机理及其关键影响因素，并提出了钢构件非均匀温度效应评价方法；（3）提出了空间钢结构日照非均匀温度场作用的简化设计方法，包括空间钢结构非均匀温度作用建议取值方法及考虑非均匀温度效应的构件设计方法，为实际工程应用提供了参考；（4）开展空间结构工程施工期非均匀温度作用及合拢施工控制措施研究，掌握了预拼装单元接头对中偏差及结构残余温度应力的时变规律，给出了降低非均匀温度作用不利影响的合拢施工控制建议。本项目研究成果可为复杂空间钢结构工程的设计和施工提供理论支撑和技术参考。