國家體育場大跨度鋼結構溫度場分析與合攏溫度研究_范重

2023年12月27日發(作者：武漢大學研究生學費)

第28卷第2期2007年4月文章編號:1000-6869(2007)02-0032-09建 筑 結 構 學 報JournalofBuildingStructuresVol128,No12April2007國家體育場大跨度鋼結構溫度場分析與合攏溫度研究范 重,王 ,唐 杰(中國建筑設計研究院,北京100044)摘要:結合國家體育場工程,對溫度差異引起桁架結構的內力效應、太陽輻射吸收系數Q的影響因素以及降低太陽輻射溫升的措施進行了分析。通過分析統計得到結構各區域箱形構件的太陽輻射照度,合理地確定了溫度場計算采用的各種參數及室內外風速及相應的熱傳導計算邊界條件。采用有限元法計算了箱形構件各表面的輻射溫度與構件的平均輻射溫升,從而確定了/鳥巢0結構各區域內構件的輻射溫度。明確提出大跨度屋蓋結構的合攏與合攏溫度要求,并根據歷史氣象溫度記錄與變化趨勢、太陽輻射溫升、結構設計的合理性以及結構施工的實際進程,綜合確定在大跨度鋼結構設計時采用的合攏溫度與最大正、負溫差。關鍵詞:國家體育場;大跨度結構;溫度應力;太陽輻射吸收系數;熱傳導計算;合攏;溫差中圖分類號:TU39313 TU318 文獻標識碼:AAnalysisontemperaturefieldanddeterminationoftemperatureuponhealingoflarge-spansteelstructureoftheNationalStadiumFANZhong,WANGZhe,TANGJie(ChinaArchitectureDesignandRearchGroup,Beijing100044,China)Abstract:Thepaperanalyzesinternalforceeffectoftrussstructurecaudbytemperaturedifference,thefactorsaffectingabsorptioncoefficientQofsolarradiationheatandmeasuresforcontrollingtemperaturhanalysisandsurvey,thedataonsolation,allparametersudforcalculationoftemperaturefield,indoorandoutdoorwindspeedandcorrespondingboundaryconiontemperatureonthesurfaceofboxmemberandaveragetemperatureriofthemembersundertheeffectofsolarradiationarecalculatedwiththefiniteelementmethod,andthustheradiationtemperatureofthemembersinallregionsofthe/uirementsonhealingandhatureuponhealingandmaximumpositive,negativetemperaturedifferenceadoptedforthedesignoflarge-spansteelstructurearedeterminedbadoncomprehensiveconsiderationsandaccordingtohistoricrecordofmeteorologicaltemperatureandchangetrends,temperatureriundertheeffectofsolarradiation,rds:NationalStadium;large-spanstructure;temperaturestress;absorptioncoefficientofsolarradiation;thermaltransmissioncalculation;healing;temperaturedifference0 引言基金項目:國家科技攻關計劃課題(2004BA904B01)。作者簡介:范重(1959) ),男,北京市人,工學博士,教授級高級工程師。收稿日期:2006年11月國家體育場在大跨度屋蓋的上弦采用ETFE膜結構作為屋面圍護結構,膜材的透光率約為94%,屋蓋下弦的聲學吊頂采用白色的PTFE膜材,透光率約為32

30%。由于鋼結構直接暴露于室外,受到溫度變化的影響非常顯著[1]。北京地區的氣候類型屬典型的溫帶大陸性氣候,季節氣溫變化很大。鋼結構構件在夜間的溫度與氣溫比較接近,在白天除了隨氣溫不斷變化外,還受到日光照射的影響,太陽輻射引起構件溫度顯著升高。由于屋架上、下弦膜材之間的空氣流動性較差,屋架內部溫度明顯高于室外氣溫,容易形成/溫箱0效應。另外,結構在迎光面與背光面的溫差,以及屋面、立面鋼構件的溫差將形成梯度較大的溫度場分布。由于國家體育場大跨度鋼結構的平面尺度很大,溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形,對結構的安全性與用鋼量將產生顯著的影響,這在建筑結構中是很少見的。由于太陽輻射照度引起結構溫升的計算方法在結構設計規范中并沒有明確的規定,可以參考的經驗較少,溫度分布計算采用的各種參數、室外風速取值等很難確定。此外,漫反射、空氣流動性差等影響因素,在箱形構件熱傳導計算邊界條件中考慮比較困難,目前只能根據工程經驗確定。在國家體育場工程中,溫度場研究的主要內容如下:(1)對溫度差異引起桁架結構桿件的內力效應進行分析。(2)通過分析統計確定結構各區域箱形鋼構件的太陽輻射照度。(3)確定溫度應力計算采用的各種參數及室內外風速,并考慮漫反射、空氣流動性差等因素的影響,并合理確定熱傳導計算邊界條件。(4)計算箱形構件各表面的輻射溫升及構件整體的平均溫升,從而確定各區域結構構件的溫度分布。(5)確定用于大跨度鋼結構計算分析的合攏溫度與最大正、負溫差。[2]30e。在石油化工企業中,對于溫度變化敏感的壓力容器,如壓縮氣體儲罐、輸油管道和輸氣管道等,如果不控制過熱升壓,很容易引起火災與爆炸事故。而對于大跨度橋梁、電視發射塔等單向長度很大的結構來說,在設計時應考慮太陽照射引起的不利影響。太陽輻射溫度引起的直接結構效應主要表現為構件長度的變化。由于太陽輻射均有很強的方向性,可以產生長度伸長、彎曲變形以及截面不均勻變形等三種效應。當溫度變形受到約束時,將形成顯著溫度應力效應。假定主桁架的溫度分布情況如圖1所示。圖1 主桁架的溫度分布情況Fig11 Temperaturedistributionofprimarytruss111 桿件的軸向變形當構件的軸向變形受到約束時,溫度變化引起的軸向應力與軸力如式(1)、(2)所示RtN=EA[3](1)N=EAAt(2)式中,E、A分別為鋼材的彈性模量和面積;A為鋼材的線膨脹系數,A=12@10-6(/e);t為構件各表面的平均溫度變化,對于圖1所示的桁架上弦桿,t=(t1+t2)/2。從式(2)可以看出,加大構件的截面面積反而會使溫度變化引起的內力進一步加大。112 桿件的彎曲變形箱形構件在迎光面與背光面的之間溫差將引起構件的縱向彎曲應力,假定頂面的溫度變化為t1,底面的溫度變化為t2,溫度沿截面高度呈線性變化,當構件在節點處的轉動變形受到約束時,上、下表面的溫差引起的固端彎矩[3]1 溫度變化引起的結構效應太陽的能量以電磁輻射的方式傳遞,由于電磁波的作用,加速了物體中電子的運動,從而能夠使物體的溫度升高。太陽光分為可見光與不可見光,其中不可見光按其波長又可以分為紅外線與紫外線。研究表明,紅外線具有很強的穿透力,吸收紅外波長范圍內的射線是太陽輻射引起物體溫度升高的主要因素。在強烈陽光的照射下,金屬物體表面溫度升高可能超過可按下式確定EIA$tM=h(3)式中,I、h分別為桿件的截面慣性矩與截面高度;$t為構件上、下表面的溫差,$t=t1-t2。當主桁架的上弦桿截面保持不變時,節點左右兩端的固端彎矩相互抵消,縱向彎矩M只引起上弦桿各個節間內的應力變化,在腹桿中不產生彎矩。上弦桿33

其中,t為板件的壁厚;l為構件長度。對于箱形構件t1000@1000@40@40,截面高度h=1000mm,壁厚t=20mm,線膨脹系數A=12@10-6/e,彈性模量E=2106@10N/mm,溫度變化引起構件的軸向應力、軸向彎曲應力與橫向彎曲應力如表1所示。表1 溫度變化引起箱形構件的溫度應力(MPa)Table1 Temperaturestress(MPa)ofboxmemberduetotemperaturevariation52圖2 箱形構件的縱向溫度變形Fig12 Longitudinalthermaldeformationofboxmembers上、下表面溫差應起的溫度應力由式(4)確定MEIA$th1RM==#=Wh2I2EA$t(4)溫度變化平均值引起的溫度應力$t=t1+t2210e2417210ee4914420e24172017430e7411630e37108111140e9818840e491441148 從上式可以看出,當上、下表面溫差為30e時,縱向彎矩引起的最大應力可達37MPa。當主桁架在相鄰節間上弦桿的截面特性發生變化時,應采用彎矩分配法計算上下表面溫差造成的節點不平衡彎矩。113 桿件的面外變形箱形構件在迎光面與背光面的溫度梯度也將引起橫截面各表面不均勻伸長,形成面外彎曲效應。箱形構件之間溫差引起橫向彎曲應力,假定頂面的溫度變化為t1,底面的溫度變化為t2,溫度沿截面高度呈線性變化。RN=EA$t$t=t1-t2RM=Rv=EA$t2上、下表面溫度差引起的溫度應力3EA$t#t8h從表1可以看出,對于箱形截面構件,溫度變化平均值引起的軸向應力最大,上、下表面溫度差引起的軸向彎曲應力次之,而上、下表面溫度差引起的橫向彎曲應力最小。2 太陽輻射吸收系數Q太陽輻射吸收系數指材料吸收太陽輻射能量的性能,根據歐洲空中客車油漆太陽輻射吸收系數測量方法[4],通過測試材料對指定波長的反射量,計算得到太圖3 箱形構件板件的橫向溫度變形與彎矩Fig13 Transverthermaldeformationandbendingmomentofboxmemberplate陽輻射吸收系數。根據歐盟的規定,對于汽油儲罐,地面以上的側壁和頂面選用涂層的反射率應大于70%以上。太陽光穿過大氣層,經過約3mm厚的臭氧層、約20mm厚的凝結水層到達地面后,其輻射強度隨波長的變化情況如圖6所示。可見光的波長范圍為360~(5)(6)740nm,占太陽輻射能量的50%左右。紫外線的波長范圍小于350nm,雖然紫外線的穿透能力很強,但其輻射量很低。產生熱量的紅外線的波長范圍大于750nm,是太陽輻射能量的主要部分。紅外線的穿透能力較弱,玻璃等對其均有明顯的遮擋作用。根據AITM2-0018標準,太陽輻射波長的測試范圍300~2300nm,波長精度為?5nm,測量精度為?2%,光譜帶寬4nm,用分光光度儀測試全光譜的反射分量,散射量小于10%。在進行測試之前,應將試樣置于溫度23e?2e、相對濕度(RH)為50?5%的環境[4]由于構件上、下表面溫差引起構件橫向截面四個角部的轉角H和相應的彎矩M如式(5)、(6)所示H=6ih$#6ih+2ibhM=2ibH式中,ih為構件垂直方向壁板的線剛度;ib為構件水平方向壁板的線剛度;$為溫度變化引起構件上表面的伸長量,$=A#$t#b/2。3A#$t3A#$tEI,M=,橫向84h彎矩引起的彎曲應力Rv可由式(7)計算當b=h時,H=Rv=M=3EA$ttW8l34(7)

3 太陽輻射照度計算311 大氣透明度等級與大氣污染調整系數根據5全國民用建筑工程設計技術措施/暖通空調#動力6[6],北京市的大氣透明度等級為4級,大氣污染圖4 太陽輻射能量譜Fig14 Energyspectrumforsolarradiation調整系數為110(市區)。312 鋼結構太陽輻射照度分區根據國家體育場夏季太陽照射的情況,將體育場屋蓋結構劃分為屋面區(含主桁架上弦、次結構)、屋架區(含主桁架腹桿與下弦)和立面區(含組合柱及組合柱間次結構)。(1)屋面區屋面區表面為鞍形曲面,上弦構件布置方向各異,箱形構件腹板的方位多種多樣。為了簡單起見,箱形構件側面的太陽輻射照度取各朝向的平均值。屋面區圖5 面漆實測反射率-波長曲線Fig15 Measuredcurvesofreflectivityvswavelengthofsurfacecoating箱形構件各表面正午的太陽總輻射照度J如下。頂面:盡管體育場屋面為鞍形曲面,但是從總體上來說相當平緩,定義鞍形曲面2個方向的半徑分別為71919m和88217m,故此在分析太陽輻射照度的時候可以將頂面近似看成是一個平面。因此,可取上弦頂面的總輻射照度為949W/m。側面:由于屋蓋上弦構件布置方位具有很大的隨機性,故此總輻射照度取E、ES、S、SW、W、WN、N、NE等8個朝向的平均值,上弦桿側面的總輻射照度為248W/m。底面:上弦底部的情況比較復雜,既有從屋蓋頂部ETFE膜材入射陽光產生漫反射的影響,又有屋架區內部由于空氣流動差而產生的溫升。為了簡單起見,在后面的分析中綜合這兩部分的影響,在箱形構件底部考慮適當的溫升值。(2)屋架區屋架區由于受到屋面區上弦層結構、排水天溝、膜材等的遮擋作用,太陽輻射的影響有所減弱,照度折減系數為01573。由于屋架總高度達1312m,上、下弦膜材之間的空間由于膜材的隔離效應,將導致屋架內部的溫度明顯高于室外氣溫,如圖6所示。屋面區正午太陽總輻射照度J,頂面為544W/m2,側面為142W/m2,背面考慮適當的溫度升高值。(3)立面區國家體育場平面呈橢圓形,在正午時刻立面區太3522中15~72h。空氣質量相當于大氣透明度等級為1級。將試樣的反射率對整個太陽輻射能量光譜進行積分,可以得到太陽輻射吸收系數為2300Q=E300100-Rm1002300300@J(8)EJ式中,Q為太陽輻射吸收系數;Rm為涂料的反射率(%);J為太陽輻射照度(W/m2)。不同顏色的太陽輻射吸收系數如表2所示[5],從表2可以看出,面漆顏色越淺,太陽輻射吸收系數越小;鋼板如果沒有面漆涂層,其太陽輻射吸收系數很大。白色、鋁灰色與黑色聚硅氧烷面漆在太陽輻射下的反射率曲線如圖5所示。從圖5中可以看出,在波長為960nm位置的反射率,大體上可以代表在全波長范圍內的反射率。表2 不同材料與顏色的太陽輻射吸收系數Table2 Absorptioncoefficientofsolarradiationfordifferentmaterialsandcolors顏色和材料白色金屬淺銀灰色鋁灰色烏黑色太陽輻射吸收系數Q0196無涂層的鋼材0175~0189

圖6 國家體育場鋼結構膜結構布置示意圖Fig16 SketchforlayoutofcladdingstructureofsteelstructureoftheNationalStadium陽輻射照度變化很大。由于立面區箱形構件的布置方向是逐漸變化的,故各表面的太陽輻射照度也不相同。為了簡單起見,將國家體育場南半部外表面按其照度不同分為11個區域,如圖7所示。S1~S6區外表面照度按式(9)計算Jn=(448-162)@cosHn+162(9)其中,Hn為各分區中點與原點的連線和y軸的夾角。在箱形構件的側面、背面與體育場北半部的構件主要考慮日光漫反射的影響。S7區為背面區,直接按照漫反射取值,J=162W/m。2(2)圍護結構外表面換熱系數Aw根據5全國民用建筑工程設計技術措施/暖通空調2#動力6[6],A-w一般取1816W/(m#e)。根據表312172,室外平均風速為110~210m/s時,Aw=1410~1918W/(m#e)。北京夏季室外平均風速119m/s,在2計算偏于安全取110m/s,相應地Aw=14W/(m#e)。考慮到體育場內部與被膜結構圍合的區域空氣流動性2較小,該部位Aw=817W/(m#e)。2(3)瞬時輻射溫度參照5采暖通風與空氣調節設計規范6(GBJ19)87)附表415[7],箱形鋼構件各個表面的瞬時輻射溫度由式(10)計算tr=Q#JAw(10)412 穩態熱傳導的有限元分析箱體內表面的傳熱途徑主要是輻射傳熱,考慮輻射邊界條件計算時的復雜性,在分析時將其等效為對流和傳導邊界條件。箱形構件內部充滿幾乎靜止的空氣,緊靠內表面的空氣流動性很差,可以視為熱阻,其余內部的空氣可以形成對流,傳熱性能非常好,可以認為是熱阻很低的導體。空氣間層的熱阻值(水平,熱流向下)R=0115~0116,計算當量導熱系數取017。其圖7 立面區太陽輻射照度分區Fig17 Sub-regionsforsolarirradianceatfacade余以對流傳熱為主的部分,其導熱系數很高,可以假定為40。對于箱形構件t1200@1200@20@20,計算結果表明,傳熱對壁厚不敏感。鋼材的導熱系數為45101W/m#K,比熱為465J/kg#K,密度為7850kg/m3。采用ANSYS軟件中的Plane77單元,單元長度控制在0101m以內,單元網格劃分如圖8所示。箱形鋼構件在穩態熱傳導假定條件下,采用有限元法計算可以得到各區構件的平均溫度tr。各分區內箱形構件各表面與各構件的平均溫度升高值如表34 太陽輻射引起的溫度升高411 主要計算參數(1)太陽輻射吸收系數Q由表2可知,結構外表面的太陽輻射吸收系數隨面層材料的不同變化很大,在計算時按Q=0155考慮。36

所示。511 主要控制氣溫與照度分區最高平均溫度根據北京氣象局近30年統計數據,北京地區年平均最低氣溫為-914e,年極端最低氣溫為-2714e;年平均最高氣溫為3018e,年極端最高氣溫為4016e。年平均相對濕度58%;年平均降水量640mm,主要降水集中于7、8月份,且多雷雨到大暴雨[8]。國家體育場大跨度鋼結構按太陽輻射照度分區計算得到的最高平均溫度如表4所示。圖8 有限元分析模型單元網格劃分Fig18 Elementmeshforfiniteelementanalysis表4 鋼結構太陽輻射照度分區最高平均溫度Table4 Maximumaveragetemperatureatsub-regionsofsteelstructureforsolarirradiance位置屋面區屋架區朝向平均平均S1tre立面區17113S2S3S4S5S6S716113tmax/e4tmax+tr/e5749117142表3 國家體育場箱形構件表面的太陽輻射照度與平均溫度升高值Table3 SolarirradianceandaveragetemperatureriatsurfaceofboxmembersoftheNationalStadium位置朝向頂面側面底面頂面屋架區側面底面正面S1側面背面正面S2側面背面正面S3側面背面立面區S4正面側面背面正面S5側面背面正面S6側面背面正面S7側面背面JW/m948248)544142)446162)429162-396162-346162-279162-202162-162162-2QAwW/(m2#e0817)tre37111100屋面區512 鋼結構設計控制溫差9159對于大跨度結構,當結構安裝完成后,環境溫度變化將在結構中引起內力變化,通常將主體結構合攏時的溫度作為結構的初始溫度(也稱為安裝校準溫度)。在確定結構的合攏溫度時,首先需要考慮當地的溫度氣象條件,合攏始溫度應比較接近年平均氣溫,有利于91429106合攏施工;二要考慮施工進度計劃與可能出現的變化情況,預留一定的允許溫度偏差范圍;三是合攏溫度應盡量接近結構可能達到的最高溫度與最低溫度的中間點,使結構受力比較合理,用鋼量較小。根據北京市歷史氣象資料[10]81507177,北京地區1月份平均氣溫最低,7月份平均氣溫最高,月平均氣溫變化情6193況如圖9所示。國家體育場大跨度鋼結構設計時采用的合攏溫度與最大正、負溫差如下。(1)合攏溫度t0?$t0:1410e?4e。(2)最大正溫差tmax-up由式(11)確定tmax-up=tmax+??tr-(t0-$t0)(11)61825 結構設計控制溫度 屋蓋各區域的最大正溫差如表5所示。為了計算簡單起見,可以對屋蓋各區域的最大正溫差進行適當歸并。在國家體育場鋼結構設計中采用的最大正溫37

611 大跨度屋蓋結構的合攏迄今為止,合攏的概念主要用在橋梁等單向長度很大的結構形式。由于國家體育場大跨度鋼結構的平面尺度很大,主要采用外露的焊接薄壁箱形構件,溫度效應比較顯著。由于鋼結構施工工期超過一年,季節溫度變化很大。考慮到本工程的特殊性,首次在大跨度屋蓋結構設計中提出合攏的要求,同時提出明確的圖9 北京市月平均氣溫變化情況Fig19 ChangeinaveragemonthlytemperatureinBeijing合攏溫度。結構合攏的概念是將若干個獨立的結構板塊在滿足合攏溫度條件的情況下連接為一個整體,合攏溫度指鋼結構構件的平均溫度。嚴格控制合攏溫度對于保證結構具有合理的初始溫度與使用期間的安全性具有非常重大的意義。考慮到/鳥巢0結構的復雜性,構件數量很多,難以在合適的溫度條件下一次完成合攏工作。在國家體育場鋼結構施工過程中,與總包單位)))北京城建集團與中信國華積極配合,經過多次協商,在許多方面進行了調整。(1)合理控制合攏線數量與位置由于國家體育場鋼結構的最大周長近千米,溫度效應很大,如果合攏前的板塊過大,在板塊內將會產生很大的溫度應力,應將板塊尺度盡量減小。但如果合攏線過多,需要合攏構件接口的數量將大大增加。故此,僅沿屋蓋環向設置了4條合攏線,其中2條合攏線結合了A區與B區交界線的位置(如圖10所示)。(2)允許在相近條件下分次合攏為了減少同時合攏構件的數量,降低施工難度,主結構的4條合攏線可以在同等條件下,沿對角線方向分2次進行合攏,并允許次結構與主結構分次進行合攏。(3)合攏溫度的允許偏差由于國家體育場鋼結構體量很大,構件數量很多,難以做到溫度非常均勻,故此明確設計合攏溫度為鋼結構構件的平均溫度,允許存在少量的溫度偏差。合攏工作一般應在夜間進行,這是由于夜間的氣溫變化比較平緩,而且可以避免太陽輻射照度不同引起的不均勻溫升。612 合攏溫度的確定(1)氣象溫度的地域性與波動性根據國家體育場設計任務書[9]給出的氣候及氣象條件,北京地區年極端最低氣溫為-2714e,年極端最高氣溫為4016e。因此,在進行國家體育場鋼結構設差,對于主桁架與頂面次結構為+5016e,對于桁架柱與立面次結構為+4016e。表5 屋蓋各區域的最大平均正溫差Table5 Maximumaveragepositivetemperaturedifferencesinallctionsoftheroofsystem位置屋面區屋架區朝向平均平均S1S2S3立面區S4S5S6S7最大正溫差/e4739117142(3)最大負溫差tmax-downtmax-down=

tmin-(t0+$t0)=-2714-(14+4)=-4514e (4)降低太陽輻射溫度的措施研究降低太陽輻射引起溫度升高的措施,對于有效減小結構的溫度效應、節約用鋼量具有重大意義。由于國家體育場鋼結構暴露于室外,主要部分均無防火涂料,防腐涂層的總厚度僅為250Lm左右,其保溫隔熱作用很小。在太陽輻射引起溫升的影響因素中,結構表面涂層的太陽輻射吸收系數Q影響很大。在鋼結構表面應選擇太陽輻射吸收系數小、紅外線反射能力強的淺顏色面漆,有效控制面漆紅外線反射率,盡量降低太陽輻射吸收系數。6 大跨度鋼結構合攏與合攏溫度控制38

世紀后半葉,全球溫度上升的趨勢非常明顯。我國學者利用北京和全國的國家基準氣候站和基本氣象站的統計資料,研究了自建國以來北京各個月歷年逐日最高和最低氣溫以及年平均氣溫資料,研究其總變化趨勢和年際變化,得出如下結論:1)40年來年平均氣溫呈上升趨勢,每10年上升012e,季平均氣溫與年平均氣溫有明顯的一致性。70年代以后冬季極端最低氣溫與季平均氣溫出現的持續變暖趨勢一致[11]。2)北京地區氣溫的年際變化具有大尺度的特點,能代表華北地區,乃至全國氣溫的變化。1981年是顯著的躍變點,躍變后比躍變前北京地區氣溫增加了圖10 國家體育場鋼結構合攏線的位置Fig110 HealinglinelayoutofsteelstructurefortheNationalStadium01155e[12]。3)由于熱島效應,1979年以后,增溫速率為0135e/10年[13]。隨著溫室效應導致的全球溫度升高,北京的氣溫也是逐步升高。在1980年以前,北京的氣溫的增溫速率為012e左右/10年。近一、二十年,由于城市的熱島效應,北京氣溫的增溫速率為0135e/10年。由于導致北京乃至全球溫度上升的原因依然存在,在其他條件相同的情況下,未來北京氣溫的增溫速率將和近幾年的接近。由此可見,由于建筑結構的設計使用年限很長,在確定結構的設計溫度時,還應適當考慮溫室效應的影響。(3)合攏溫度的最終確定根據施工進展和進度計劃安排,國家體育場主體鋼結構計劃于2006年7~8月份期間進行合攏。為了配合合攏與卸載工作,依據北京市朝陽氣象站的氣象觀測資料,并考慮到未來溫室效應的影響,將國家體育場主體鋼結構合攏溫度調整至1910e?4e。在合攏計過程中,將極端最低氣溫-2714e與極端最高氣溫4016e作為設計條件。氣溫變化具有很強的地域性與波動性。根據北京市專業氣象臺提供的情況,北京市各個氣象觀測臺站的氣溫存在一定的差異,這種差異主要與氣象站所處的地理位置有關,因此要求氣象站的位置應盡量接近建設場地,并具有長期連續觀測的記錄。朝陽區氣象站位于北京朝陽區酒仙橋附近,1959年建站,在北京城區近郊附近建站較早,資料完備。根據朝陽氣象站連續47年的極端氣溫記錄,年最高氣溫為4116e,發生于1961年6月10日,年最低氣溫為-2112e,發生在1966年2月22日[10]。朝陽氣象站1959~2005年的年極端最低氣溫與年極端最高氣溫變化曲線如圖11所示。從圖中可以看出,年極端最低氣溫與年極端最高氣溫具有很大的波動性。由此可見,北京朝陽氣象站的極端氣溫記錄與國家體育場設計任務書根據位于大興區的北京市觀象臺給出的年極端最低氣溫與年極端最高氣溫存在一定差別。(2)全球變暖的影響全球變暖指的是在較大的時間跨度中地球的大氣和海洋溫度上升的趨勢,主要是指人為因素造成的溫度上升,主要原因是由于過多排放二氧化碳等工業廢氣造成的,雖然植物的光合作用吸收了大部分二氧化碳,海洋也溶解部分二氧化碳并形成碳酸鈣,但空氣中二氧化碳的含量逐年增加,在進入20圖11 朝陽站1959~2005年極端氣溫記錄Fig111 Recordof1959-2005extremetemperaturesofChaoyangMeteorologicalStation39

時鋼結構應盡量做到溫度均勻,允許溫度偏差為?2e。國家體育場主體鋼結構于2006年8月25日夜間、8月28日夜間分兩次合攏,立面次結構于8月30日夜間合攏,合攏時的鋼結構實測平均溫度均在23e以下,溫度波動范圍均小于?2e。漆太陽輻射吸收系數測試報告6,在此謹表示衷心地感謝。參 考 文 獻[1] 范重,劉先明,范學偉等1國家體育場大跨度鋼結構設計與研究[J].建筑結構學報,2007,28(2):1-16.[2] GB50017)2003 鋼結構設計規范[S].[3] 龍馭求,包世華.結構力學(上冊)[M].第二版.北京:高等教育出版社,1994.[4] industrietestmethodsolarabsorptionofpaints[R].AirbusIndustrie,1998.[5] 羅森諾WM主編.傳熱學基礎手冊(上)[M].齊欣,謝力,譯.北京:科學出版社,1992.[6] 建設部工程質量安全監督與行業發展司,中國建筑標準設計研究所.全國民用建筑工程設計技術措施/暖通空調#動力[S].北京:中國計劃出版社,2003.[7] GBJ19)87 采暖通風與空氣調節設計規范[S].[8] 張晴原,HuangJ.中國建筑用標準氣象數據庫[M].北京:機械工業出版社,2004.[9] 北京市規劃委員會.國家體育場(2008年奧運會主體育場)建筑概念設計方案競賽文件[R].2002.[10]北京市專業氣象臺.北京市朝陽區氣象站氣象資料[R].2006.[11]謝莊,王貴田.北京氣溫和降水百年變化規律的探討[J].大氣科學,1994,18(11):683-690.[12]林學椿,于淑秋.北京地區氣溫的年代際變化和熱島效應[J].地球物理學報,2005,48(1):39-46.[13]任國玉,徐銘志,初子瑩.近54年中國地面氣溫變化[J].氣候與環境研究,2005,10(12):717-720.7 結語溫度變化在大跨度結構中引起的內力與變形對結構安全有很大影響,太陽輻射照度引起結構溫升的計算方法在相關的結構設計規范中沒有明確規定,可以參考的經驗很少。本文結合國家體育場大跨度鋼結構設計,對太陽輻射引起結構溫度升高的影響因素、桁架的溫度效應進行了全面地分析,通過分析統計得到國家體育場鋼結構各區域構件的太陽輻射照度,對太陽輻射照度計算方法、溫度場計算參數及影響因素進行了探討,采用有限元法計算構件的表面溫度和平均溫度,在此基礎上提出了大跨度結構太陽輻射溫度場的計算方法以及在大跨度鋼結構設計時確定合攏控制溫度與最大正、負溫差的原則。致謝:在國家體育場大跨度鋼結構溫度場研究工作中,得到了中國建筑科學研究院建筑物理研究所所長林海燕研究員的熱情指導與幫助,阿克蘇、諾貝爾工業油漆(蘇州)有限公司為本研究提供了5聚硅氧烷面(上接第31頁)參 考 文 獻[1] 顧明,黃鵬,周毅等.北京首都機場3號航站樓風荷載和響應研究[J].土木工程學報,2005,38(1):40-44.[2] 王國硯,黃本才,林穎儒等.基于CQC方法的大跨屋蓋結構隨機風振響應計算[J].空間結構,2003,9(4):22-26.[3] 武岳,陳波,沈世釗.大跨度屋蓋結構等效靜力風荷載理論體系中的若干問題探討[C]M第十二屆全國結構風工程學術會議論文集.北京:中國土木工程學會橋梁與結構工程分會風工程委員會,2005:284-288.[4] 黃明開,倪振華,謝壯寧.大跨圓拱屋蓋結構的風致響應分析[J].振動工程學報,2004,17(3):275-279.[5] GuJM,MaZD,HulbertGM1Anewload-dependentRitzvectormethodforstructuraldynamicsanalys:quas-istaticRitzvectors[J].FiniteElementsinAnalysisandDesign,2000,36(3):261-278.[6] adingofstructures[M].London:SpaonPress,2001.[7] 方同.工程隨機振動[M].北京:國防工業出版社,1995.[8] 楊慶山,沈世釗,何成杰.懸掛結構風振系數計算[J].哈爾濱建筑大學學報,1995,28(6):33-39.40