国家体育场大跨度钢结构温度场分析与合拢温度研究_范重

2023年12月27日发(作者：武汉大学研究生学费)

第28卷第2期2007年4月文章编号:1000-6869(2007)02-0032-09建 筑 结 构 学 报JournalofBuildingStructuresVol128,No12April2007国家体育场大跨度钢结构温度场分析与合拢温度研究范 重,王 ,唐 杰(中国建筑设计研究院,北京100044)摘要:结合国家体育场工程,对温度差异引起桁架结构的内力效应、太阳辐射吸收系数Q的影响因素以及降低太阳辐射温升的措施进行了分析。通过分析统计得到结构各区域箱形构件的太阳辐射照度,合理地确定了温度场计算采用的各种参数及室内外风速及相应的热传导计算边界条件。采用有限元法计算了箱形构件各表面的辐射温度与构件的平均辐射温升,从而确定了/鸟巢0结构各区域内构件的辐射温度。明确提出大跨度屋盖结构的合拢与合拢温度要求,并根据历史气象温度记录与变化趋势、太阳辐射温升、结构设计的合理性以及结构施工的实际进程,综合确定在大跨度钢结构设计时采用的合拢温度与最大正、负温差。关键词:国家体育场;大跨度结构;温度应力;太阳辐射吸收系数;热传导计算;合拢;温差中图分类号:TU39313 TU318 文献标识码: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 引言基金项目:国家科技攻关计划课题(2004BA904B01)。作者简介:范重(1959) ),男,北京市人,工学博士,教授级高级工程师。收稿日期:2006年11月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PTFE膜材,透光率约为32

30%。由于钢结构直接暴露于室外,受到温度变化的影响非常显著[1]。北京地区的气候类型属典型的温带大陆性气候,季节气温变化很大。钢结构构件在夜间的温度与气温比较接近,在白天除了随气温不断变化外,还受到日光照射的影响,太阳辐射引起构件温度显著升高。由于屋架上、下弦膜材之间的空气流动性较差,屋架内部温度明显高于室外气温,容易形成/温箱0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。由于国家体育场大跨度钢结构的平面尺度很大,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,这在建筑结构中是很少见的。由于太阳辐射照度引起结构温升的计算方法在结构设计规范中并没有明确的规定,可以参考的经验较少,温度分布计算采用的各种参数、室外风速取值等很难确定。此外,漫反射、空气流动性差等影响因素,在箱形构件热传导计算边界条件中考虑比较困难,目前只能根据工程经验确定。在国家体育场工程中,温度场研究的主要内容如下:(1)对温度差异引起桁架结构杆件的内力效应进行分析。(2)通过分析统计确定结构各区域箱形钢构件的太阳辐射照度。(3)确定温度应力计算采用的各种参数及室内外风速,并考虑漫反射、空气流动性差等因素的影响,并合理确定热传导计算边界条件。(4)计算箱形构件各表面的辐射温升及构件整体的平均温升,从而确定各区域结构构件的温度分布。(5)确定用于大跨度钢结构计算分析的合拢温度与最大正、负温差。[2]30e。在石油化工企业中,对于温度变化敏感的压力容器,如压缩气体储罐、输油管道和输气管道等,如果不控制过热升压,很容易引起火灾与爆炸事故。而对于大跨度桥梁、电视发射塔等单向长度很大的结构来说,在设计时应考虑太阳照射引起的不利影响。太阳辐射温度引起的直接结构效应主要表现为构件长度的变化。由于太阳辐射均有很强的方向性,可以产生长度伸长、弯曲变形以及截面不均匀变形等三种效应。当温度变形受到约束时,将形成显著温度应力效应。假定主桁架的温度分布情况如图1所示。图1 主桁架的温度分布情况Fig11 Temperaturedistributionofprimarytruss111 杆件的轴向变形当构件的轴向变形受到约束时,温度变化引起的轴向应力与轴力如式(1)、(2)所示RtN=EA[3](1)N=EAAt(2)式中,E、A分别为钢材的弹性模量和面积;A为钢材的线膨胀系数,A=12@10-6(/e);t为构件各表面的平均温度变化,对于图1所示的桁架上弦杆,t=(t1+t2)/2。从式(2)可以看出,加大构件的截面面积反而会使温度变化引起的内力进一步加大。112 杆件的弯曲变形箱形构件在迎光面与背光面的之间温差将引起构件的纵向弯曲应力,假定顶面的温度变化为t1,底面的温度变化为t2,温度沿截面高度呈线性变化,当构件在节点处的转动变形受到约束时,上、下表面的温差引起的固端弯矩[3]1 温度变化引起的结构效应太阳的能量以电磁辐射的方式传递,由于电磁波的作用,加速了物体中电子的运动,从而能够使物体的温度升高。太阳光分为可见光与不可见光,其中不可见光按其波长又可以分为红外线与紫外线。研究表明,红外线具有很强的穿透力,吸收红外波长范围内的射线是太阳辐射引起物体温度升高的主要因素。在强烈阳光的照射下,金属物体表面温度升高可能超过可按下式确定EIA$tM=h(3)式中,I、h分别为杆件的截面惯性矩与截面高度;$t为构件上、下表面的温差,$t=t1-t2。当主桁架的上弦杆截面保持不变时,节点左右两端的固端弯矩相互抵消,纵向弯矩M只引起上弦杆各个节间内的应力变化,在腹杆中不产生弯矩。上弦杆33

其中,t为板件的壁厚;l为构件长度。对于箱形构件t1000@1000@40@40,截面高度h=1000mm,壁厚t=20mm,线膨胀系数A=12@10-6/e,弹性模量E=2106@10N/mm,温度变化引起构件的轴向应力、轴向弯曲应力与横向弯曲应力如表1所示。表1 温度变化引起箱形构件的温度应力(MPa)Table1 Temperaturestress(MPa)ofboxmemberduetotemperaturevariation52图2 箱形构件的纵向温度变形Fig12 Longitudinalthermaldeformationofboxmembers上、下表面温差应起的温度应力由式(4)确定MEIA$th1RM==#=Wh2I2EA$t(4)温度变化平均值引起的温度应力$t=t1+t2210e2417210ee4914420e24172017430e7411630e37108111140e9818840e491441148 从上式可以看出,当上、下表面温差为30e时,纵向弯矩引起的最大应力可达37MPa。当主桁架在相邻节间上弦杆的截面特性发生变化时,应采用弯矩分配法计算上下表面温差造成的节点不平衡弯矩。113 杆件的面外变形箱形构件在迎光面与背光面的温度梯度也将引起横截面各表面不均匀伸长,形成面外弯曲效应。箱形构件之间温差引起横向弯曲应力,假定顶面的温度变化为t1,底面的温度变化为t2,温度沿截面高度呈线性变化。RN=EA$t$t=t1-t2RM=Rv=EA$t2上、下表面温度差引起的温度应力3EA$t#t8h从表1可以看出,对于箱形截面构件,温度变化平均值引起的轴向应力最大,上、下表面温度差引起的轴向弯曲应力次之,而上、下表面温度差引起的横向弯曲应力最小。2 太阳辐射吸收系数Q太阳辐射吸收系数指材料吸收太阳辐射能量的性能,根据欧洲空中客车油漆太阳辐射吸收系数测量方法[4],通过测试材料对指定波长的反射量,计算得到太图3 箱形构件板件的横向温度变形与弯矩Fig13 Transverthermaldeformationandbendingmomentofboxmemberplate阳辐射吸收系数。根据欧盟的规定,对于汽油储罐,地面以上的侧壁和顶面选用涂层的反射率应大于70%以上。太阳光穿过大气层,经过约3mm厚的臭氧层、约20mm厚的凝结水层到达地面后,其辐射强度随波长的变化情况如图6所示。可见光的波长范围为360~(5)(6)740nm,占太阳辐射能量的50%左右。紫外线的波长范围小于350nm,虽然紫外线的穿透能力很强,但其辐射量很低。产生热量的红外线的波长范围大于750nm,是太阳辐射能量的主要部分。红外线的穿透能力较弱,玻璃等对其均有明显的遮挡作用。根据AITM2-0018标准,太阳辐射波长的测试范围300~2300nm,波长精度为?5nm,测量精度为?2%,光谱带宽4nm,用分光光度仪测试全光谱的反射分量,散射量小于10%。在进行测试之前,应将试样置于温度23e?2e、相对湿度(RH)为50?5%的环境[4]由于构件上、下表面温差引起构件横向截面四个角部的转角H和相应的弯矩M如式(5)、(6)所示H=6ih$#6ih+2ibhM=2ibH式中,ih为构件垂直方向壁板的线刚度;ib为构件水平方向壁板的线刚度;$为温度变化引起构件上表面的伸长量,$=A#$t#b/2。3A#$t3A#$tEI,M=,横向84h弯矩引起的弯曲应力Rv可由式(7)计算当b=h时,H=Rv=M=3EA$ttW8l34(7)

3 太阳辐射照度计算311 大气透明度等级与大气污染调整系数根据5全国民用建筑工程设计技术措施/暖通空调#动力6[6],北京市的大气透明度等级为4级,大气污染图4 太阳辐射能量谱Fig14 Energyspectrumforsolarradiation调整系数为110(市区)。312 钢结构太阳辐射照度分区根据国家体育场夏季太阳照射的情况,将体育场屋盖结构划分为屋面区(含主桁架上弦、次结构)、屋架区(含主桁架腹杆与下弦)和立面区(含组合柱及组合柱间次结构)。(1)屋面区屋面区表面为鞍形曲面,上弦构件布置方向各异,箱形构件腹板的方位多种多样。为了简单起见,箱形构件侧面的太阳辐射照度取各朝向的平均值。屋面区图5 面漆实测反射率-波长曲线Fig15 Measuredcurvesofreflectivityvswavelengthofsurfacecoating箱形构件各表面正午的太阳总辐射照度J如下。顶面:尽管体育场屋面为鞍形曲面,但是从总体上来说相当平缓,定义鞍形曲面2个方向的半径分别为71919m和88217m,故此在分析太阳辐射照度的时候可以将顶面近似看成是一个平面。因此,可取上弦顶面的总辐射照度为949W/m。侧面:由于屋盖上弦构件布置方位具有很大的随机性,故此总辐射照度取E、ES、S、SW、W、WN、N、NE等8个朝向的平均值,上弦杆侧面的总辐射照度为248W/m。底面:上弦底部的情况比较复杂,既有从屋盖顶部ETFE膜材入射阳光产生漫反射的影响,又有屋架区内部由于空气流动差而产生的温升。为了简单起见,在后面的分析中综合这两部分的影响,在箱形构件底部考虑适当的温升值。(2)屋架区屋架区由于受到屋面区上弦层结构、排水天沟、膜材等的遮挡作用,太阳辐射的影响有所减弱,照度折减系数为01573。由于屋架总高度达1312m,上、下弦膜材之间的空间由于膜材的隔离效应,将导致屋架内部的温度明显高于室外气温,如图6所示。屋面区正午太阳总辐射照度J,顶面为544W/m2,侧面为142W/m2,背面考虑适当的温度升高值。(3)立面区国家体育场平面呈椭圆形,在正午时刻立面区太3522中15~72h。空气质量相当于大气透明度等级为1级。将试样的反射率对整个太阳辐射能量光谱进行积分,可以得到太阳辐射吸收系数为2300Q=E300100-Rm1002300300@J(8)EJ式中,Q为太阳辐射吸收系数;Rm为涂料的反射率(%);J为太阳辐射照度(W/m2)。不同颜色的太阳辐射吸收系数如表2所示[5],从表2可以看出,面漆颜色越浅,太阳辐射吸收系数越小;钢板如果没有面漆涂层,其太阳辐射吸收系数很大。白色、铝灰色与黑色聚硅氧烷面漆在太阳辐射下的反射率曲线如图5所示。从图5中可以看出,在波长为960nm位置的反射率,大体上可以代表在全波长范围内的反射率。表2 不同材料与颜色的太阳辐射吸收系数Table2 Absorptioncoefficientofsolarradiationfordifferentmaterialsandcolors颜色和材料白色金属浅银灰色铝灰色乌黑色太阳辐射吸收系数Q0196无涂层的钢材0175~0189

图6 国家体育场钢结构膜结构布置示意图Fig16 SketchforlayoutofcladdingstructureofsteelstructureoftheNationalStadium阳辐射照度变化很大。由于立面区箱形构件的布置方向是逐渐变化的,故各表面的太阳辐射照度也不相同。为了简单起见,将国家体育场南半部外表面按其照度不同分为11个区域,如图7所示。S1~S6区外表面照度按式(9)计算Jn=(448-162)@cosHn+162(9)其中,Hn为各分区中点与原点的连线和y轴的夹角。在箱形构件的侧面、背面与体育场北半部的构件主要考虑日光漫反射的影响。S7区为背面区,直接按照漫反射取值,J=162W/m。2(2)围护结构外表面换热系数Aw根据5全国民用建筑工程设计技术措施/暖通空调2#动力6[6],A-w一般取1816W/(m#e)。根据表312172,室外平均风速为110~210m/s时,Aw=1410~1918W/(m#e)。北京夏季室外平均风速119m/s,在2计算偏于安全取110m/s,相应地Aw=14W/(m#e)。考虑到体育场内部与被膜结构围合的区域空气流动性2较小,该部位Aw=817W/(m#e)。2(3)瞬时辐射温度参照5采暖通风与空气调节设计规范6(GBJ19)87)附表415[7],箱形钢构件各个表面的瞬时辐射温度由式(10)计算tr=Q#JAw(10)412 稳态热传导的有限元分析箱体内表面的传热途径主要是辐射传热,考虑辐射边界条件计算时的复杂性,在分析时将其等效为对流和传导边界条件。箱形构件内部充满几乎静止的空气,紧靠内表面的空气流动性很差,可以视为热阻,其余内部的空气可以形成对流,传热性能非常好,可以认为是热阻很低的导体。空气间层的热阻值(水平,热流向下)R=0115~0116,计算当量导热系数取017。其图7 立面区太阳辐射照度分区Fig17 Sub-regionsforsolarirradianceatfacade余以对流传热为主的部分,其导热系数很高,可以假定为40。对于箱形构件t1200@1200@20@20,计算结果表明,传热对壁厚不敏感。钢材的导热系数为45101W/m#K,比热为465J/kg#K,密度为7850kg/m3。采用ANSYS软件中的Plane77单元,单元长度控制在0101m以内,单元网格划分如图8所示。箱形钢构件在稳态热传导假定条件下,采用有限元法计算可以得到各区构件的平均温度tr。各分区内箱形构件各表面与各构件的平均温度升高值如表34 太阳辐射引起的温度升高411 主要计算参数(1)太阳辐射吸收系数Q由表2可知,结构外表面的太阳辐射吸收系数随面层材料的不同变化很大,在计算时按Q=0155考虑。36

所示。511 主要控制气温与照度分区最高平均温度根据北京气象局近30年统计数据,北京地区年平均最低气温为-914e,年极端最低气温为-2714e;年平均最高气温为3018e,年极端最高气温为4016e。年平均相对湿度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]。国家体育场大跨度钢结构按太阳辐射照度分区计算得到的最高平均温度如表4所示。图8 有限元分析模型单元网格划分Fig18 Elementmeshforfiniteelementanalysis表4 钢结构太阳辐射照度分区最高平均温度Table4 Maximumaveragetemperatureatsub-regionsofsteelstructureforsolarirradiance位置屋面区屋架区朝向平均平均S1tre立面区17113S2S3S4S5S6S716113tmax/e4tmax+tr/e5749117142表3 国家体育场箱形构件表面的太阳辐射照度与平均温度升高值Table3 SolarirradianceandaveragetemperatureriatsurfaceofboxmembersoftheNationalStadium位置朝向顶面侧面底面顶面屋架区侧面底面正面S1侧面背面正面S2侧面背面正面S3侧面背面立面区S4正面侧面背面正面S5侧面背面正面S6侧面背面正面S7侧面背面JW/m948248)544142)446162)429162-396162-346162-279162-202162-162162-2QAwW/(m2#e0817)tre37111100屋面区512 钢结构设计控制温差9159对于大跨度结构,当结构安装完成后,环境温度变化将在结构中引起内力变化,通常将主体结构合拢时的温度作为结构的初始温度(也称为安装校准温度)。在确定结构的合拢温度时,首先需要考虑当地的温度气象条件,合拢始温度应比较接近年平均气温,有利于91429106合拢施工;二要考虑施工进度计划与可能出现的变化情况,预留一定的允许温度偏差范围;三是合拢温度应尽量接近结构可能达到的最高温度与最低温度的中间点,使结构受力比较合理,用钢量较小。根据北京市历史气象资料[10]81507177,北京地区1月份平均气温最低,7月份平均气温最高,月平均气温变化情6193况如图9所示。国家体育场大跨度钢结构设计时采用的合拢温度与最大正、负温差如下。(1)合拢温度t0?$t0:1410e?4e。(2)最大正温差tmax-up由式(11)确定tmax-up=tmax+󰀁tr-(t0-$t0)(11)61825 结构设计控制温度 屋盖各区域的最大正温差如表5所示。为了计算简单起见,可以对屋盖各区域的最大正温差进行适当归并。在国家体育场钢结构设计中采用的最大正温37

611 大跨度屋盖结构的合拢迄今为止,合拢的概念主要用在桥梁等单向长度很大的结构形式。由于国家体育场大跨度钢结构的平面尺度很大,主要采用外露的焊接薄壁箱形构件,温度效应比较显著。由于钢结构施工工期超过一年,季节温度变化很大。考虑到本工程的特殊性,首次在大跨度屋盖结构设计中提出合拢的要求,同时提出明确的图9 北京市月平均气温变化情况Fig19 ChangeinaveragemonthlytemperatureinBeijing合拢温度。结构合拢的概念是将若干个独立的结构板块在满足合拢温度条件的情况下连接为一个整体,合拢温度指钢结构构件的平均温度。严格控制合拢温度对于保证结构具有合理的初始温度与使用期间的安全性具有非常重大的意义。考虑到/鸟巢0结构的复杂性,构件数量很多,难以在合适的温度条件下一次完成合拢工作。在国家体育场钢结构施工过程中,与总包单位)))北京城建集团与中信国华积极配合,经过多次协商,在许多方面进行了调整。(1)合理控制合拢线数量与位置由于国家体育场钢结构的最大周长近千米,温度效应很大,如果合拢前的板块过大,在板块内将会产生很大的温度应力,应将板块尺度尽量减小。但如果合拢线过多,需要合拢构件接口的数量将大大增加。故此,仅沿屋盖环向设置了4条合拢线,其中2条合拢线结合了A区与B区交界线的位置(如图10所示)。(2)允许在相近条件下分次合拢为了减少同时合拢构件的数量,降低施工难度,主结构的4条合拢线可以在同等条件下,沿对角线方向分2次进行合拢,并允许次结构与主结构分次进行合拢。(3)合拢温度的允许偏差由于国家体育场钢结构体量很大,构件数量很多,难以做到温度非常均匀,故此明确设计合拢温度为钢结构构件的平均温度,允许存在少量的温度偏差。合拢工作一般应在夜间进行,这是由于夜间的气温变化比较平缓,而且可以避免太阳辐射照度不同引起的不均匀温升。612 合拢温度的确定(1)气象温度的地域性与波动性根据国家体育场设计任务书[9]给出的气候及气象条件,北京地区年极端最低气温为-2714e,年极端最高气温为4016e。因此,在进行国家体育场钢结构设差,对于主桁架与顶面次结构为+5016e,对于桁架柱与立面次结构为+4016e。表5 屋盖各区域的最大平均正温差Table5 Maximumaveragepositivetemperaturedifferencesinallctionsoftheroofsystem位置屋面区屋架区朝向平均平均S1S2S3立面区S4S5S6S7最大正温差/e4739117142(3)最大负温差tmax-downtmax-down=

tmin-(t0+$t0)=-2714-(14+4)=-4514e (4)降低太阳辐射温度的措施研究降低太阳辐射引起温度升高的措施,对于有效减小结构的温度效应、节约用钢量具有重大意义。由于国家体育场钢结构暴露于室外,主要部分均无防火涂料,防腐涂层的总厚度仅为250Lm左右,其保温隔热作用很小。在太阳辐射引起温升的影响因素中,结构表面涂层的太阳辐射吸收系数Q影响很大。在钢结构表面应选择太阳辐射吸收系数小、红外线反射能力强的浅颜色面漆,有效控制面漆红外线反射率,尽量降低太阳辐射吸收系数。6 大跨度钢结构合拢与合拢温度控制38

世纪后半叶,全球温度上升的趋势非常明显。我国学者利用北京和全国的国家基准气候站和基本气象站的统计资料,研究了自建国以来北京各个月历年逐日最高和最低气温以及年平均气温资料,研究其总变化趋势和年际变化,得出如下结论:1)40年来年平均气温呈上升趋势,每10年上升012e,季平均气温与年平均气温有明显的一致性。70年代以后冬季极端最低气温与季平均气温出现的持续变暖趋势一致[11]。2)北京地区气温的年际变化具有大尺度的特点,能代表华北地区,乃至全国气温的变化。1981年是显著的跃变点,跃变后比跃变前北京地区气温增加了图10 国家体育场钢结构合拢线的位置Fig110 HealinglinelayoutofsteelstructurefortheNationalStadium01155e[12]。3)由于热岛效应,1979年以后,增温速率为0135e/10年[13]。随着温室效应导致的全球温度升高,北京的气温也是逐步升高。在1980年以前,北京的气温的增温速率为012e左右/10年。近一、二十年,由于城市的热岛效应,北京气温的增温速率为0135e/10年。由于导致北京乃至全球温度上升的原因依然存在,在其他条件相同的情况下,未来北京气温的增温速率将和近几年的接近。由此可见,由于建筑结构的设计使用年限很长,在确定结构的设计温度时,还应适当考虑温室效应的影响。(3)合拢温度的最终确定根据施工进展和进度计划安排,国家体育场主体钢结构计划于2006年7~8月份期间进行合拢。为了配合合拢与卸载工作,依据北京市朝阳气象站的气象观测资料,并考虑到未来温室效应的影响,将国家体育场主体钢结构合拢温度调整至1910e?4e。在合拢计过程中,将极端最低气温-2714e与极端最高气温4016e作为设计条件。气温变化具有很强的地域性与波动性。根据北京市专业气象台提供的情况,北京市各个气象观测台站的气温存在一定的差异,这种差异主要与气象站所处的地理位置有关,因此要求气象站的位置应尽量接近建设场地,并具有长期连续观测的记录。朝阳区气象站位于北京朝阳区酒仙桥附近,1959年建站,在北京城区近郊附近建站较早,资料完备。根据朝阳气象站连续47年的极端气温记录,年最高气温为4116e,发生于1961年6月10日,年最低气温为-2112e,发生在1966年2月22日[10]。朝阳气象站1959~2005年的年极端最低气温与年极端最高气温变化曲线如图11所示。从图中可以看出,年极端最低气温与年极端最高气温具有很大的波动性。由此可见,北京朝阳气象站的极端气温记录与国家体育场设计任务书根据位于大兴区的北京市观象台给出的年极端最低气温与年极端最高气温存在一定差别。(2)全球变暖的影响全球变暖指的是在较大的时间跨度中地球的大气和海洋温度上升的趋势,主要是指人为因素造成的温度上升,主要原因是由于过多排放二氧化碳等工业废气造成的,虽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钙,但空气中二氧化碳的含量逐年增加,在进入20图11 朝阳站1959~2005年极端气温记录Fig111 Recordof1959-2005extremetemperaturesofChaoyangMeteorologicalStation39

时钢结构应尽量做到温度均匀,允许温度偏差为?2e。国家体育场主体钢结构于2006年8月25日夜间、8月28日夜间分两次合拢,立面次结构于8月30日夜间合拢,合拢时的钢结构实测平均温度均在23e以下,温度波动范围均小于?2e。漆太阳辐射吸收系数测试报告6,在此谨表示衷心地感谢。参 考 文 献[1] 范重,刘先明,范学伟等1国家体育场大跨度钢结构设计与研究[J].建筑结构学报,2007,28(2):1-16.[2] GB50017)2003 钢结构设计规范[S].[3] 龙驭求,包世华.结构力学(上册)[M].第二版.北京:高等教育出版社,1994.[4] industrietestmethodsolarabsorptionofpaints[R].AirbusIndustrie,1998.[5] 罗森诺WM主编.传热学基础手册(上)[M].齐欣,谢力,译.北京:科学出版社,1992.[6] 建设部工程质量安全监督与行业发展司,中国建筑标准设计研究所.全国民用建筑工程设计技术措施/暖通空调#动力[S].北京:中国计划出版社,2003.[7] GBJ19)87 采暖通风与空气调节设计规范[S].[8] 张晴原,HuangJ.中国建筑用标准气象数据库[M].北京:机械工业出版社,2004.[9] 北京市规划委员会.国家体育场(2008年奥运会主体育场)建筑概念设计方案竞赛文件[R].2002.[10]北京市专业气象台.北京市朝阳区气象站气象资料[R].2006.[11]谢庄,王贵田.北京气温和降水百年变化规律的探讨[J].大气科学,1994,18(11):683-690.[12]林学椿,于淑秋.北京地区气温的年代际变化和热岛效应[J].地球物理学报,2005,48(1):39-46.[13]任国玉,徐铭志,初子莹.近54年中国地面气温变化[J].气候与环境研究,2005,10(12):717-720.7 结语温度变化在大跨度结构中引起的内力与变形对结构安全有很大影响,太阳辐射照度引起结构温升的计算方法在相关的结构设计规范中没有明确规定,可以参考的经验很少。本文结合国家体育场大跨度钢结构设计,对太阳辐射引起结构温度升高的影响因素、桁架的温度效应进行了全面地分析,通过分析统计得到国家体育场钢结构各区域构件的太阳辐射照度,对太阳辐射照度计算方法、温度场计算参数及影响因素进行了探讨,采用有限元法计算构件的表面温度和平均温度,在此基础上提出了大跨度结构太阳辐射温度场的计算方法以及在大跨度钢结构设计时确定合拢控制温度与最大正、负温差的原则。致谢:在国家体育场大跨度钢结构温度场研究工作中,得到了中国建筑科学研究院建筑物理研究所所长林海燕研究员的热情指导与帮助,阿克苏、诺贝尔工业油漆(苏州)有限公司为本研究提供了5聚硅氧烷面(上接第31页)参 考 文 献[1] 顾明,黄鹏,周毅等.北京首都机场3号航站楼风荷载和响应研究[J].土木工程学报,2005,38(1):40-44.[2] 王国砚,黄本才,林颖儒等.基于CQC方法的大跨屋盖结构随机风振响应计算[J].空间结构,2003,9(4):22-26.[3] 武岳,陈波,沈世钊.大跨度屋盖结构等效静力风荷载理论体系中的若干问题探讨[C]M第十二届全国结构风工程学术会议论文集.北京:中国土木工程学会桥梁与结构工程分会风工程委员会,2005:284-288.[4] 黄明开,倪振华,谢壮宁.大跨圆拱屋盖结构的风致响应分析[J].振动工程学报,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.工程随机振动[M].北京:国防工业出版社,1995.[8] 杨庆山,沈世钊,何成杰.悬挂结构风振系数计算[J].哈尔滨建筑大学学报,1995,28(6):33-39.40