1 综述
1.1 研究背景
我国建筑钢结构的发展其起步是较晚的，自上世纪九十年代才得到快速的发展，随着我国经济水平的不断提高以及人民对精神文化生活的需求日益增加，我国在大跨度空间结构建设方面发展迅猛[1]，在 2008 年北京奥运会以及世博会等面向全球举办的盛会成功举办的前提下，许多高水平、现代化的大跨度钢结构建筑陆续建成，目前中国在大跨度钢结构方面的发展已达到了世界领先水平[2, 3]。
伴随着国家科技的进步，大跨度空间结构的运用也逐年增多，由于这种大型人流较多的公共场所有极高的社会和经济效益，为了对建筑物追求新、奇、特设计师们也是煞费苦心,如相比迥异于传统高层建筑中央电视台大楼；在两幢塔楼中间以悬空 L形连体衔接[4]；广东科学中心以珠蚌为构思主题和形式的原型，构筑了一堆扭曲的建筑形象[5]；云南省玉溪市的某银行大楼,主楼平面采用平行四边形,柱网也采用非正交的平行四边形[6]；"水立方"游泳中心外观是一个简单的立方体结构[7]，而其承重结构是由无数个多面体组合成的异型空间网架结构；这些结构打破传统；充分体现了新奇特的理念；但对于这些复杂的结构，一旦发生破坏，影响是不可估量的，因而对建筑物在长期运营期间的安全余量进行诊断评估具有十分重要的实际意义[8]。
1.1 研究背景
我国建筑钢结构的发展其起步是较晚的，自上世纪九十年代才得到快速的发展，随着我国经济水平的不断提高以及人民对精神文化生活的需求日益增加，我国在大跨度空间结构建设方面发展迅猛[1]，在 2008 年北京奥运会以及世博会等面向全球举办的盛会成功举办的前提下，许多高水平、现代化的大跨度钢结构建筑陆续建成，目前中国在大跨度钢结构方面的发展已达到了世界领先水平[2, 3]。
伴随着国家科技的进步，大跨度空间结构的运用也逐年增多，由于这种大型人流较多的公共场所有极高的社会和经济效益，为了对建筑物追求新、奇、特设计师们也是煞费苦心,如相比迥异于传统高层建筑中央电视台大楼；在两幢塔楼中间以悬空 L形连体衔接[4]；广东科学中心以珠蚌为构思主题和形式的原型，构筑了一堆扭曲的建筑形象[5]；云南省玉溪市的某银行大楼,主楼平面采用平行四边形,柱网也采用非正交的平行四边形[6]；"水立方"游泳中心外观是一个简单的立方体结构[7]，而其承重结构是由无数个多面体组合成的异型空间网架结构；这些结构打破传统；充分体现了新奇特的理念；但对于这些复杂的结构，一旦发生破坏，影响是不可估量的，因而对建筑物在长期运营期间的安全余量进行诊断评估具有十分重要的实际意义[8]。
大跨度建筑结构在长期的服役过程中，自然环境对其造成的损害是人类无法预知以及避免的，比如突如其来的地震、飓风、以及洪水等诸如此类猝不及防的灾害，甚至有人为造成的破坏，如 2001 年 9 月 11 日美国世界贸易中心的垮塌对人身安全以及周围的建筑物带来了不可估量的损失；1967 年 12 月，美国由于坐落在河上的大桥突然倒塌，致使 46 人遇难[9]；2004 年，位于巴黎一座机场的候机厅的屋顶发生了坍塌，
事故当时造成了 3 人受伤[10]，4 人遇难；2008 年 2 月，我国南方突降暴雪导致许多加油站屋顶坍塌。对于复杂大型的建筑结构来说，它追求形式多样和结构美，但建筑结构的安全性以及耐久性是永居第一来考虑的[11]，而对于那些长期使用的建筑来讲，适当地对结构的健康状态做出准确的评估与判定[12]，随时掌握结构的运营状态，也将十分有利于达到结构安全性这一目的[13]。
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1.2 大跨度空间钢结构概述
为了满足较大空间以及复杂结构造型的一些结构需求，大跨度空间结构以其独特的优点在近年来备受设计师们的钟情，以其建筑结构形式多样化、自身重量轻、受力合理，施工周期短等优点被广泛的应用于人民日常生活中的建筑结构。大跨建筑结构从它诞生那天起,就成为相应时期生产力发展水平和社会经济实力的一种外显,其中一些扮演着所在区域甚至国家的标志性建筑角色,成为了一种符号与代言，同时也是一个国家综合实力的重要体现，目前世界其他国家也非常重视大跨度空间钢结构的应用与发展，使其在近年来成为在工程结构领域发展最快的一个分支，在深入理论技术研究与成熟的计算手段的背景下，大跨度空间结构得到了迅猛的发展。
20 世纪以来，随着中国经济实力和科学技术的飞速发展，以及人们对物质和文化生活要求的不断提高，一大批高水平、现代化的航空港、影剧院、展览馆、音乐厅、体育场、火车站等大型公共建筑陆续建成[16]，目前，我国大跨度空间结构的规模和数量已经跃居世界前列，其中许多大跨度空间结构成为世界之最。例如，济南奥体中心体育馆弦支穹顶结构[17]，直径 122m，如图 1.1 所示；国家体育馆双向张弦结构[18]，跨度 114m?144m，如图 1.2 所示；鄂尔多斯东胜体育场管桁架结构[19]，跨度 330m，如图 1.3 所示；武汉光谷网球中心网架结构[20]，跨度 151m，如图 1.4 所示。随着结构跨度的不断加大和透光性屋面材料的在建筑钢结构中的广泛应用，使得大跨度建筑钢结构对温度变化和太阳辐射越来越敏感，特别是在太阳强烈的辐射条件下的温度效应，常常成为结构的控制荷载之一。
为了满足较大空间以及复杂结构造型的一些结构需求，大跨度空间结构以其独特的优点在近年来备受设计师们的钟情，以其建筑结构形式多样化、自身重量轻、受力合理，施工周期短等优点被广泛的应用于人民日常生活中的建筑结构。大跨建筑结构从它诞生那天起,就成为相应时期生产力发展水平和社会经济实力的一种外显,其中一些扮演着所在区域甚至国家的标志性建筑角色,成为了一种符号与代言，同时也是一个国家综合实力的重要体现，目前世界其他国家也非常重视大跨度空间钢结构的应用与发展，使其在近年来成为在工程结构领域发展最快的一个分支，在深入理论技术研究与成熟的计算手段的背景下，大跨度空间结构得到了迅猛的发展。
20 世纪以来，随着中国经济实力和科学技术的飞速发展，以及人们对物质和文化生活要求的不断提高，一大批高水平、现代化的航空港、影剧院、展览馆、音乐厅、体育场、火车站等大型公共建筑陆续建成[16]，目前，我国大跨度空间结构的规模和数量已经跃居世界前列，其中许多大跨度空间结构成为世界之最。例如，济南奥体中心体育馆弦支穹顶结构[17]，直径 122m，如图 1.1 所示；国家体育馆双向张弦结构[18]，跨度 114m?144m，如图 1.2 所示；鄂尔多斯东胜体育场管桁架结构[19]，跨度 330m，如图 1.3 所示；武汉光谷网球中心网架结构[20]，跨度 151m，如图 1.4 所示。随着结构跨度的不断加大和透光性屋面材料的在建筑钢结构中的广泛应用，使得大跨度建筑钢结构对温度变化和太阳辐射越来越敏感，特别是在太阳强烈的辐射条件下的温度效应，常常成为结构的控制荷载之一。
2.1 温度对大跨度钢结构的影响
最近几年来，中国的经济有了突飞猛进的发展，人民的生活水平也有了不断的提高，与此同时大跨度的建筑结构在世界各地如雨后春笋般涌现在大众的视野中，在我国的结构设计与施工中，温度荷载的取值一般是根据历史最低和最高的气温的一个整体且均匀的温度变化而确定[44]。在我国现有的规范中关于温度的作用只给出了概述的原则性要求，没有给出详细的规则。结构的形式也走向了多样化，温度作用成为了大跨度结构使用过程中不可忽视的影响因素[38]。
太阳辐射作用下结构表面的温度要远大于自然环境气温，其分布不均匀且伴随着太阳的东升西落随时间的变化而发生连续的变化，致使结构产生过大的局部应力，使得太阳辐射作用下的非均匀温度作用成为结构设计和施工的主要荷载之一，甚至可能会演变成不利荷载[45]。此外，大跨度钢结构施工时往往是在露天环境下，受到太阳辐射的温度作用是不可避免的，甚至会引起施工误差；与此同时还会影响结构的合拢成型，施工不当，会导致温度应力不能得到充分释放，在合拢成型后结构内部会产生不均匀的残余应力，使得实际结构应力状态与设计状态会存在较大差别。温度对大跨度结构的影响，主要在于温度的变化可能会引起结构局部构件的强度、刚度不足，主要影响结构的应力分布，进而影响到整个结构的使用安全。所以，对大跨度钢结构在施工和后期使用过程中温度的影响研究有着十分重要的意义。
包头市奥林匹克体育场西罩棚 299m，东罩棚 280m，露天拱形钢网架，属于超大跨度空间结构工程。由于包头市属于内陆高寒地区、昼夜温差和季节温差变化较大，桁架连续长度超过 300m，所以，产生的拉应力和压应力非常大、结构材料抗疲劳性能降低，为保证体育场在使用过程中的安全，对温度对结构产生的影响进行研究是十分有必要的。
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2.2 温度作用的类型及特点
工程建筑由于自然环境变化产生的温度作用，按照温度作用对结构的作用方式、时间长短、影响程度的不同，温度作用可分为日照温度作用、骤然降温作用、年温差变化作用的三种类型[46-48]。
（1）日照温度作用
在强烈的日光下,建筑物由于不同的原因都会受到来自太阳不同程度的辐射，在太阳的直接辐射下，建筑物的构件由于能够受到太阳辐射的部位和不能受到太阳辐射的部位的差别而产生了温差。影响日照温差变化的因素有很多，如太阳的直接辐射、气温的变化、风速、建筑物的朝向以及周围的地形地貌等因素[49, 50]。有研究表明，这种温度变化是充满随机性和不确定性的。太阳的东升西落是引起结构局部非均温度的主要原因；结构直接在暴露在自然环境下，伴随着太阳东升西落，构件本身的温度会经历先升高后降低的过程，这样的过程在炎热的夏季最为明显，结构因日照作用引起的温度变化有时可达 40 摄氏度以上。在钢结构中，设计者一般认为日照温差是指同一天太阳辐射在结构的不同部位。
（2）骤然降温作用
骤然降温作用主要来源于两种情况，第一种是由于气候的变化，建筑为在极端天气突然侵袭的情况下，直接裸露在自然环境中的部分构件温度急剧降低，进而导致内高外低的温度分布。第二种是日照降温，由于太阳东升西落，太阳直射角度不断的降低，使得结构的构件外部温度也随之降低，建筑物外部的降低速度大于内部的降低速度，因此形成了温差。例如我很多北方的地区，时长会遭遇寒流和冷空气，骤然的降温达到 15 摄氏度以上。针对以上的两种影响因素，设计时一般只考虑气温和风速的变化，不再考虑日照辐射造成的影响。（3）年温差作用年温差是建筑结构在安装合拢时候的温度与建筑物在
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3 工程概况................................17
3.1 包头奥体中心体育场简介.....................................17
3.2 项目的实际测量工作..........................................17
4 包头奥体中心钢罩棚的应力分析............................31
4.1 钢罩棚的有限元分析...............................31
4.1.1 有限元模型的建立..............................31
4.1.2 加载..................................32
5 结论....................................54
4 包头奥体中心钢罩棚的应力分析
4.1 钢罩棚的有限元分析
4.1.1 有限元模型的建立
包头奥体中心体育场为椭圆形，其主要由上部钢罩棚和下部看台组合而成，其中罩棚主体结构钢材使用低合金高强度结构钢 Q345，支撑结构为钢筋混凝土柱。体育场整体平面图如图 4.1 所示。
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5 结论
目前，随着经济的发展和国家对体育事业的重视，大型露天体育场在全国乃至世界各地都有运用，体育场作为城市地标性建筑，虽然体量巨大，设计内容复杂，但是结构在形式上较为相似，所存在的技术难题在个性中也存在着共性，例如本文所分析的温度效应问题。大跨度钢结构所产生的温度效应不仅存在于体育场，也存在于机场和火车站以及一些商场等民用建筑。本文对包头奥体中心体育场钢罩棚的真实温度效应进行分析研究，试图为以后处理相关问题给出参考。
结构对温度的响应是被动的，由于温度的变化，给结构带来体积的改变，这是不可抗拒的事实。在满足使用要求的目的下，需要对结构构件提供支撑和连接，使其形成整体结构，但是在温度作用下，这些支撑和连接对温度变起到了约束的作用，从而产生温度应力，这是结构温度应力的基本矛盾所在。
本文对包头奥体中心体育场钢罩棚的 44 个关键点部位进行监测；分别以不同季节的位移实测数据和全天性的位移实测数据为依据，分析了结构的真实温度效应。通过对体育场钢结构的实测数据加以整理，运用有限元软件 SAP2000 分析计算，得到了以下结论：
1、在日照温度作用下，东、西罩棚马道上的位移与温度的关系表现出明显的相关性，支撑柱的观测点温度与位移的规律较弱，柱子的位移包括温度作用下上部罩蓬与下部柱相互作用的位移和柱自身混凝土的膨胀收缩位移，为精确了解柱子于温度位移关系，应将二者进行分开考虑。
2、通过对罩棚上 44 组关键点的数据分析，经过 24 小时的温度周期，发现东罩棚主拱马道上 3 号、5 号、8 号、9 号和 10 号；西罩棚马道上 1 号、4 号、6 号；西罩棚柱子的 7 号点；东罩棚柱子 4 号观测点的位移均不能复位，其对应的杆件可能产生了不可恢复的变形以及支座的松动。
3、在同样的日照环境下，同样温度下东罩棚的弦杆和腹杆的应力值均低于西罩棚的弦杆和腹杆的应力值，且西罩棚上的杆件对温度表现得较为敏感，而东罩棚通过不规则变形以及约束不足对温度应力进行了释放，在 24 小时的温变下，对温度不敏感。
参考文献（略）
3、在同样的日照环境下，同样温度下东罩棚的弦杆和腹杆的应力值均低于西罩棚的弦杆和腹杆的应力值，且西罩棚上的杆件对温度表现得较为敏感，而东罩棚通过不规则变形以及约束不足对温度应力进行了释放，在 24 小时的温变下，对温度不敏感。
参考文献（略）