厦门北站超长轻薄桁架温度场实测研究

【摘要】本文采用现场实测的方法确定了厦门北站ZHJ2日照温度场以及年温差，得到了ZHJ2在相关条件影响下的温度分布情况，为分析温度作用对桁架影响提供了依据。本文研究成果将为建筑结构温度场实测提供参考和借鉴。

【关键词】钢桁架；超长轻薄；温度场；实测

中图分类号：U445 文献标识码：A

1 工程概况

新建福厦铁路厦门北站是国家“四纵四横”铁路客运专线—沿海快速铁路通道上的一个重要客站，也是东南沿海最大的交通枢纽。站房总面积为162409m2，建筑高度为53m。

屋盖采用钢结构，其中ZHJ2为钢管桁架，跨度为132m，中心宽1m，高约23m，具有超长、轻薄等特点，是整个屋盖体系中最关键的主桁架，如图1所示。夏季日照温差、冬夏季节温差以及正反面形成的迎背光温差都会对ZHJ2的结构受力及变形产生影响。因此，在施工过程中实测ZHJ2的温度场对于研究和分析温度作用对超长轻薄桁架的影响具有十分重要的意义。

图1 正在施工的ZHJ2

2 温度场概念与分类

温度场是指在任一瞬时，所有各点的温度值的总体。建筑结构置于自然环境中，其内外表面处不断地以辐射、对流和传导等方式与周围空气介质进行热交换，从而形成建筑结构复杂的温度分布。按自然环境变化的不同，影响建筑结构温度场的温度作用可分为三种类型，即年温差温度作用、骤然温差温度作用、日照温差温度作用。

3 日照温度场测定

目前，国内绝大部分大型钢结构设计主要考虑年温差的影响，较少工程考虑了日照温差影响。关于温度作用的取值，我国规范尚未有明确规定，现场实测是一种获得结构实际温度场的最好方法之一。

（1）测点布置及测量方法

温度测量采用MZX-212型表面智能数码弦式应变计，测点在桁架正反面对称布置，图2、图3为ZHJ2所有测点布置图，其中测点3，4，5，6，11，12，13，14，17，18为温度测量点。

a) ZHJ2正面（迎光面）测点布置图 b) ZHJ2反面（背光面）测点布置图

图2 ZHJ2测点布置图

测量时间从ZHJ2整体提升开始到ZHJ2两边屋面（屋面一、屋面三）钢结构施工完成结束（2009.9.28至2010.1.10）。日照温度场的实测主要选取夏季具有代表性的天气进行2-3次全天实测，记录ZHJ2各测点的温度变化情况以及全天最大温差。同时，每天测量各个测点处的温度，得到温度场的季节性变化。

（2）日照温度场实测数据分析

选取最具代表性晴朗天气并且太阳照射强烈的日期（2009.10.08，当天最高气温37.6℃），从早上6点至晚上10点测量各测点的温度，测量结果与合拢温度（22℃）对比如图3所示。

图3 夏季日照下测点逐时温度同合拢温度的比较

由图3可知日照能迅速引起桁架温度场的变化，各测点温度变化趋势基本相同，从早上8点开始温度升高的非常明显，并且在下午13点与14点左右达到最高温度，晚上20点以后基本不再变化；测点最高温度为52.1℃，比当天最高气温高13.5℃，比合拢温度高30.1℃

（2）相同位置处迎光面与背光面温度对比

为研究迎光面和背光面温度差异，选取牛腿测点3、4，跨中测点11、12,以及距离支座1/5跨度的下弦杆测点17、18进行对比，如图4所示，由图可知：迎背光面测点温差，从早晨7点开始产生，至上午10点左右达到最大并趋于稳定，下午16点左右开始减小并逐渐趋于零；跨中处迎背光温差明显，最大温差达到11.3℃，1/5处温差较为明显，最大温差为10.6℃，牛腿处温差较小，最大温差为4.2℃，其主要原因是牛腿处搭设的架子遮挡了部分的太阳照射。

a) 牛腿测点 b) 跨中测点

c) 1/5处测点

图4 迎背光测点温度对比

（3）相同照射面跨中与牛腿温度对比

图5为相同照射面跨中位置与牛腿位置温度变化，由图可知：迎光面跨中温度明显高于牛腿温度，最大温差达到10.4℃，其主要原因是牛腿处搭设的架子遮挡了部分的太阳照射；背光面跨中温度只是略高于牛腿温度。

a) 迎光面跨中温度与牛腿温度对比 b) 背光面跨中温度与牛腿温度对比

图5 跨中温度与牛腿温度对比

（4) 相同照射面上弦杆与下弦杆温度对比

图6为相同照射面上弦杆与下弦杆温度对比，由图可知，桁架相同照射面上、下弦杆温度基本相同。

a) 迎光面上、下弦杆温度对比 b) 背光面上、下弦杆温度对比

图6上弦杆与下弦杆温度对比

综上所述，日照引起的桁架温度场变化非常明显，日照温度作用不容忽视，钢结构温度明显高于当时大气温度，同合拢温度的最大温差为30.1℃；ZHJ2的结构形式造成日照情况下迎背光温差明显，相同位置迎背光温差最大为11.3℃；迎光面跨中温度明显高于牛腿温度，最大温差达到10.4℃，背光面跨中温度略高于牛腿温度；相同照射面上、下弦杆温度基本相同。

根据测点实测温度结果，建立ZHJ2日照温度场时，将迎光面温度分成三个区，背光面整个作为一个温度区，其中迎光面温度区包括跨中温度区和两边牛腿温度区。为方便分析，并结合ZHJ2结构特点，各区温度选取本区内测点实测温度最高值作为其代表值，且单根杆件温度一致。

4 年温差测定

厦门气候属于亚热带海洋性气候，最低气温一般出现在二月份。为了解冬季厦门北站ZHJ2的温度场分布情况，选取冬季阴且冷的一天来进行温度场实测。由于现场条件的制约，时间上等不到最冷的二月份，因此在1月3日对ZHJ2进行温度场实测，其中测点4、14、18因施工原因破坏。将其余各测点运行正常，测量结果如图7。

图7 ZHJ2冬季温度场实测

由图可知，各测点温度基本相同，且变化较平缓且有规律，从10点开始有所升高，下午3点开始即开始下降，最高温度为12.6℃，最低温度为7.6℃；冬季影响ZHJ2温度的主要因素是大气温度以及当时的天气状况，跟测点的位置等无明显关系。

年温差的大小以及变化趋势跟当地地理位置和气候关系相关，结构在确定年温差大小时应主要考虑当地的气候、历史最高温度和最低温度。厦门地区夏季炎热、冬季温暖，历史最高气温为38.5℃，历史最低气温为1.5℃。夏季由于太阳辐射等原因，钢结构的温度远高于当时气温，冬季钢结构温度与大气温度相差无几，一般取最低大气温度。因此，本工程中ZHJ2年温差取杆件夏季实测最高温度与冬季历史最低大气温度之差。

5 结论

本文介绍了厦门北站超长轻薄桁架ZHJ2的日照温度场和年温差的实测方法和结果，得出如下结论：

（1）日照引起的桁架温度场变化非常明显，钢结构温度明显高于当时大气温度，日照温度作用不容忽视，且迎背光温差明显；日照温度场分区考虑，各区温度选取本区内测点实测温度最高值作为其代表值，且单根杆件温度一致。

（2）冬季各测点的温度基本相同，且变化较平缓，与当时大气温度基本一致；年温差取杆件夏季实测最高温度与冬季历史最低大气温度之差。

参考文献：

[1] 项海帆. 高等桥梁结构理论[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000

[2] 范重,刘先明，等. 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

[3] 田黎敏, 郝际平, 等. 大跨度空间结构温度效应分析与合拢温度研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45（5）: 1-7