温度对大跨度管桁架的影响

温度变化对大跨度管桁架结构的影响是显著且多方面的，必须在设计、施工和使用过程中予以充分考虑。

总的来说，温度效应可以概括为：温度变化引起管桁架杆件的热胀冷缩，由于结构超静定和大跨度的特点，这种变形受到约束，从而在结构中产生巨大的附加内力（温度应力），并改变结构的形态和受力状态。

以下是详细的分析：

一、 温度影响的主要表现形式

1. 温度应力（热应力）

这是最核心、最危险的影响。

• 原理：当温度变化时，杆件会试图自由地膨胀（升温）或收缩（降温）。但对于大跨度管桁架这种超静定结构，其支座（通常是固定铰支座或弹性支座）会约束这种自由变形。

• 结果：杆件不能自由伸缩，内部就会产生压应力（升温时）或拉应力（降温时）。这种应力与结构承受的荷载应力叠加，可能使杆件应力超标，导致失稳或强度破坏。

• 关键点：温差越大，结构刚度越大，产生的温度应力就越大。

2. 结构变形与位移

温度变化会引起整个结构的整体变形。

• 纵向位移：对于两端有支座的桁架，升温时长度方向会伸长，推动支座向两侧移动；降温时则收缩，拉动支座向中间移动。如果支座设计不当（如水平约束过强），就会转化为巨大的温度应力。

• 竖向位移：对于拱形或下弦起拱的管桁架，温度变化会改变其矢高。升温时，拱轴线伸长，导致拱顶上升（起拱）；降温时，拱轴线缩短，导致拱顶下降（落拱）。这会严重影响屋面排水和外观。

• 节点位移：所有节点的位置都会发生三维变化，可能影响与桁架连接的次结构（如檩条、支撑系统）和围护系统（屋面板、幕墙），导致连接点损坏或密封失效。

3. 对支座和下部结构的影响

温度效应产生的巨大推力或拉力会直接传递给下部支承结构（如柱子或混凝土墩）。

• 水平力：如果桁架在支座处有水平约束，温度变化会产生巨大的水平反力。设计时必须确保下部结构（柱、基础）能够承受这个力。

• 解决方案：为了释放温度应力，通常一个支座设计为固定铰支座，另一个设计为滑动铰支座（或弹性支座），允许结构在温度变化时沿长度方向自由滑动，从而大幅降低温度应力。

4. 不均匀温度场的影响（梯度温度）

这是比均匀温度变化更复杂、更不利的情况。当太阳辐射等因素导致管桁架上、下弦杆存在温差时：

• 原理：例如，夏季白天，屋面上方的阳光直射使上弦杆温度远高于下弦杆。上弦膨胀量大于下弦，导致整个桁架像双金属片一样向下弯曲（类似混凝土的挠度）。

• 结果：

• 附加弯矩：在桁架杆件中产生附加弯矩，这是普通桁架计算中通常不考虑的。

• 不利变形：这种变形可能与荷载（如雪载）产生的变形叠加，增大结构挠度。

• 局部应力：在节点处产生复杂的次应力。

• 日照温差的影响有时甚至比季节均匀温差的影响更大，需要根据当地气候条件进行精细计算。

二、 设计中考虑温度效应的关键措施

1. 合理确定温度区间：

• 根据结构所在地的气候条件，确定合拢温度（安装时的预期温度）和当地可能出现的最高、最低极端温度，计算出最大正温升和最大负温升。

2. 设置合理的支座形式：

• 这是最有效、最经济的释放温度应力的方法。对于直线型桁架，通常采用“一固定铰支座、一滑动铰支座”的方案。滑动支座可采用聚四氟乙烯滑板、滚轴等构造。

• 对于多跨连续结构，需设置温度缝将结构分成若干温度区段，每个区段独立处理温度变形。

3. 结构形式选择：

• 对于特别大跨度（如超过150米）的结构，可考虑采用悬挑或张拉弦等预张力体系，其温度敏感性可能有所不同，需要进行专门分析。

4. 精确的结构分析：

• 在现代结构设计软件（如Midas      Gen, SAP2000, 3D3S等）中，必须将温度荷载作为一项重要的荷载工况参与荷载组合。

• 分析时不仅要考虑均匀温度作用，还要考虑梯度温度作用，尤其是上、下弦的日照温差。

5. 节点设计：

• 考虑杆件在温度作用下的变形，确保节点（特别是相贯节点）有足够的刚度和强度来传递可能产生的附加弯矩和剪力。

6. 对围护系统的影响：

• 屋面板、檩条等围护系统的连接应能适应主体结构的温度变形，避免产生次应力或破坏。

总结

    温度效应是大跨度管桁架结构设计中不可忽视的控制性因素。 它不仅是简单的伸长缩短，更会引发巨大的内力、变形，并对支承结构和围护系统产生深远影响。成功的管桁架设计，必须通过合理的结构选型、支座设计以及精确的计算分析，对温度作用进行有效管理和控制，确保结构在全寿命周期内的安全与适用。