太阳辐射对大跨度空间结构影响的研究现状.pdfVIP

第37卷第4期 贵州工业大学学报 (自然科 学版) Vol_37No．4 2008年 5月 JOURNALOFGUIZHOUUNIVERSITY OFTECHNOLOGY May．2008 (NaturalScienceEdition1 文章编号：1009—0193(2008)04—0083—03 太阳辐射对大跨度空问结构影响的研究现状 刘佳坤，肖建春，马克俭 (贵州大学 空间结构研究中心，贵州贵阳550003) 摘 要：封闭或大部分封闭大跨度空间结构的外部温度场受太阳周期辐射、风速和覆盖材料等 影响。温度变化引起的工程事故较常见。对大跨度空间结构受太阳辐射影响的研究现状和研 究内容进行介绍。 关键词 ：太阳辐射；大跨度；空间结构 ；温度场 中图分类号：TU391 文献标识码：A 0 引 言 建筑物受夏季太阳辐射的影响呈周期性变化。在 白天，阳光直接辐射区域的覆盖材料吸收并积聚热量， 温度超过大气温度。在夜晚或在白天阳光不能辐射的其他区域，覆盖材料的温度与气温接近。白天，建筑物 受阳光辐射的区域随时问而变化(图1)．在二天的不同时间里建筑物外表面覆盖层各区域具有不同的温度 场。 图 1 建筑受太阳辐射的区域随时间而变化 空间钢结构可以跨越较大的空间。为了降低结构用钢量或为了实现建筑设计效果，很多大跨度空间结 构采用了轻质或透明(半透明)的覆盖材料，如薄铝板、薄钢板、玻璃或膜材等(图2，图3)．这些覆盖材料的 隔热性能有限。温度变化将在结构中引起很大的内力和变形，对结构的安全性与用钢量将产生显著的影响。 当有吊顶要求时，在大跨度结构的全部或部分区域形成一个封闭腔，空气流动性较差。在太阳辐射下内部出 现漫反射，温度明显高于室外气温，容易形成 “温箱效应”，有些建筑的室内需要使用空调。这样，在一天里 大跨度空间结构的上下表层处于变化的温度场中。 图2 上海火车南站 图3 北京国家大剧 院 室外风速对覆盖材料的热量积聚有一定影响。热量积聚速度与风速成反比，风速越大热量积聚速度越 收稿 日期 ：2008—03—28 作者简介 ：刘件坤 (1982一)，男，吉林 白II1人，在读研究生 ，研究方 向：空问结构。 贵 州 工 业 大 学 学 报 (自然科学版) 2008年 小。 因温度变化引起钢结构失效或未能满足使用功能要求(如 “温箱效应”导致钢结构油漆流动、潮气侵袭 引起钢材锈蚀等)是较常见的工程事故。虽然可以采用加通风孔、采用隔热性能好的覆盖材料、增设通气设 备等方法，但这些措施的前提是必须知道结构内外部温度场分布、变化情况。 1 国内外研究状况 国内外都有很多学者在研究太阳辐射对特殊环境下结构和构件的影响，如置于大气层外的太空空间站， 卫星上的薄壁圆管梁和网架天线等 I3]。另外有很多文章阐述了温度作用对不同建筑结构的影响，如砌体 结构 4J，大跨度混凝土梁 和空间网架结构 等。 由于太阳辐射引起结构温度场的计算方法在结构设计规范中没有明确的规定。在温度场分析方面采用 的方法不尽相同。有通过建立热传导方程来分析，有划分温度单元进行有限元分析，还有通过当地的气象条 件结合现场直接测得的数据进行分析。 范重等介绍了国家体育场的结构设计 ]。国家体育场在大跨度屋盖的上弦采用 ETFE膜结构作为屋 面围护结构，膜材的透光率约为94％，屋盖下弦的声学吊顶采用 白色的膜材，透光率约为30％．夏季时室外 气温最高，同时太阳辐射强度也最大，太阳辐射将引起构件温度显著升高。膜材、箱型钢梁 (柱)内还存在 “温箱效应”。另外结构在迎光面与背光面的温差，以及屋面、立面钢构件的温差将形成梯度较大的温度场 分布。根据介绍，在实际设计时以北京气象局近3O年统计数据为基础，结合面层材料的吸热情况计算出最 大正温差：+50．6。(顶面)／+40．6。(立面)，最大负温差：一42．4。． 在计算温度载荷的时候采用的方法是按假设温度均