空间网格结构日照非均匀温度场及其效应研究

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作为高次超静定结构,空间网格结构对温度效应十分敏感。处于施工过程或高透光屋面下的空间网格结构,受太阳短波辐射、环境长波辐射、空气对流换热和日照阴影分布等多种因素的动态耦合作用,结构将产生显著的日照非均匀温度效应,这不仅会直接影响结构的施工质量,还会对结构的服役性能造成影响,甚至导致潜在的安全隐患。然而,传统的设计观念将空间网格结构的温度作用视为由季节因素而导致的缓慢且整体均匀的变化过程,这与实际情况存在显著的差异。现行规范虽已开始重视非均匀温度作用,但宽泛的解释与经验的取值无法解决根本问题。由此可见,空间网格结构日照非均匀温度作用的研究具有明确的理论创新意义与广泛的工程应用前景。本文开展了如下几个方面的工作:1、空间桁架结构日照温度场试验研究以西安丝绸之路国际会展中心标准展厅钢屋盖为研究对象,分别从设备选型、测点布置和方案规划等方面对空间桁架结构的日照温度场试验进行了详细的设计,开展了长期连续的现场试验。通过温度场试验与热边界参数监测,掌握了空间桁架结构日照非均匀温度场的分布特性与时变规律,分析了影响温度场的主要因素,为类似结构的日照温度场研究提供了试验参考。2、空间桁架结构日照温度场数值模拟制定了日照阴影分析算法,可动态识别空间桁架结构的阴影分布,评估日照阴影对温度场的影响。综合考虑太阳短波辐射、环境长波辐射、空气对流换热和日照阴影分布等多因素动态耦合作用的影响,通过监测数据考虑实际热边界,提出了空间桁架结构日照温度场的数值模拟方法,结合试验加以验证,根据模拟结果分析了构件角度、阴影和辐射对温度场分布的影响。3、考虑日照温度效应的施工合拢控制通过施工过程分析探讨了日照温度效应对空间桁架结构施工合拢控制的不利影响,阐述了焊接头对中偏差的形成原因。根据实际工程信息,通过施工过程模拟计算结构的非均匀温度效应,显著的温度变形将直接影响构件装配效率和结构合拢精度,抗御性措施将导致施工残余应力,影响成型结构的受力状态。通过模拟结果的统计分析,提供了施工时间与顺序的建议。4、球面空间网格结构温度作用取值研究以NASA的监测数据为热边界参数,模拟了我国33城市球面空间网格结构2010~2019年的温度场,研究结构与热边界参数对温度场的影响,掌握了温度场的时变与分布机理,获得了极限温度场的求解条件。提出考虑辐射-对流耦合作用影响的温度理论计算方法,设计并开展了验证性试验。为球面空间网格结构制定了非均匀温度荷载设计方法,结合案例进行说明。
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