鋼結(jié)構(gòu)論文-淺析溫度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響(編輯修改稿)
2025-07-10 20:07 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 閉箱形鋼結(jié)構(gòu)承受導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射三種熱量傳遞方式的共同作用，其溫度時(shí)刻都在變化。太陽(yáng)的能量以電磁輻射的方式傳遞，由于電磁波的 作用，加速了物體中電子的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，貯藏于物體中，其表現(xiàn)形式就是物體的溫度高。在地球表面上，太陽(yáng)光譜的波長(zhǎng)范圍約在 0 1 28 ～ 3 1 0 μ m 之間 , 可大致劃分為三個(gè)區(qū)段：紫外線、 可見(jiàn)光和紅外線，可見(jiàn)光波長(zhǎng)在 0 1 4 ～ 0 1 76 μ m 之間，波長(zhǎng)小于 0 1 4μ m 的波段為紫外線，波長(zhǎng)大于 0 1 76 μ m 的波段為紅外線。研究表明，雖然太陽(yáng)輻射的最大強(qiáng)度 ( 峰值 ) 位于可見(jiàn)光范圍內(nèi)，但紅外線具有很強(qiáng)的穿透力，吸收紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的射線是太陽(yáng)輻射引起物體溫度升高 的主要因素。太陽(yáng)輻射包括直射輻射和散射輻射 , 如圖 1 中的 A 面和 B 面鋼板受太陽(yáng)直射輻射的作用，溫度升高較， C 面和 D 面鋼板受太陽(yáng)散射輻射的作用 , 溫度也升高 , 但升高幅度較 A 面和 B 面低。物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí) , 依靠分子、 原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)不同部位的溫度不同時(shí) ( 如直接受太陽(yáng)輻射的 A 面和 B 面溫度比 C 面和 D 面的溫度高 ) ,鋼結(jié)構(gòu)中眾多的自由電子在晶格之間進(jìn)行不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng) , 溫度越高 , 電子的平均動(dòng)能就越 大 , 不同能量水平的電子相互碰撞的結(jié)果 , 使熱量從高溫處向低溫處傳遞。當(dāng)箱形鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)封閉氣體不同位置之間的溫度不同時(shí) ( 如靠近 A 面和 B 面的氣體溫度比靠近 C 面和 D 面的氣體溫度高 ) ,氣體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱氣體相互摻 混，這就是對(duì)流傳熱，同時(shí)伴隨著導(dǎo)熱。 進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)溫度分析的理論方法有經(jīng)驗(yàn)公式法和有限元分析法。 經(jīng)驗(yàn)公式法的公式如下： 有限元分析法具體如下：通常在預(yù)測(cè)箱形鋼結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布時(shí)可忽略沿 結(jié)構(gòu)縱向的熱流動(dòng) , 因此可選取單位長(zhǎng)度的節(jié)段進(jìn)行研究。由于鋼板較薄 , 導(dǎo)熱性能好 , 故可忽略沿厚度方向的溫度梯度和熱流動(dòng) ( 如圖 2 所示 ) 。截面的熱流動(dòng)主要取決于熱傳導(dǎo) , 鋼板表面與外界環(huán)境通過(guò)對(duì)流和輻射進(jìn)行熱交換。截面的熱傳導(dǎo)可用式 (2) 微分方程式表示 : 試驗(yàn)在型號(hào)為 WAW 2 1000 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 ( 見(jiàn)圖 2)。 試驗(yàn)機(jī)最大加載能力為 1 000kN , 控力精度為 177。 1 % 。試件放在試驗(yàn)機(jī) 特配的高溫箱中進(jìn)行抗壓試驗(yàn) , 試驗(yàn)空間寬 340mm, 高 540mm, 深 300mm, 最高溫度可達(dá) 700 ℃ , 溫度波動(dòng)范圍 177。 5 ℃ , 系統(tǒng)具有力控制和位移控制兩種模式 , 并能自由切換 , 同時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)記錄試件所受力、 位移 ( 或變形 ) 、 試驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間、 試件溫度。軸向位移約束的鋼構(gòu)件 , 在高溫時(shí)產(chǎn)生溫度應(yīng)力 , 當(dāng)溫度 T 200 ℃ 時(shí) , 得出溫度應(yīng)力σ T 與溫度增量Δ T 之間的經(jīng)驗(yàn)公式 (1) 。 試件材料選用某鋼廠所產(chǎn) I12 2 Q235 工字鋼 , 其化學(xué) 成分如下 : C 含量為 0 1 14 %。 Si 為 0 1 17 %。 Mn 為 0 1 38 %。P 為 0 1 025 %。S 為 0 1 027 % 。名義屈服強(qiáng)度σ s 為 370MPa , 抗拉強(qiáng)度σ b 為 475MPa , 所用試件均選自同一母材。試件高度為 100mm, 面積為 A = 1 780mm 2 。進(jìn)行了 9 次高溫試驗(yàn) , 其中 6 次為不同溫度水平下的位移約束高溫試驗(yàn) ,3 次為同一溫度水平 (400℃ ) 下不同初始載荷 F 0 的高溫試驗(yàn)。 軸向位移約束的高溫試驗(yàn)過(guò)程為升溫前 先給試件加一初始荷載 F 0 ( 不同試驗(yàn)其值不同 ) ,使試件產(chǎn)生一軸向位移約束的高溫試驗(yàn)過(guò)程為升溫前先給試件加一初始荷載 F 0 ( 不同試驗(yàn)其值不同 ) ,使試件產(chǎn)生一定的彈性變形 , 然后鎖定控制該變形量 ( 相當(dāng)于給試件 加一位移約束 ) ,再以大約 0 1 3 ～ 0 1 1 ℃ Π s 速率加熱試件至指定目標(biāo)溫度 , 并且恒溫 30min , 確保試件內(nèi)部溫度均勻一致。記錄試件所受力的變化、 試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間、 試 件溫度三者之間的變化關(guān)系。先進(jìn)行溫度水平分別為 300 ,350 ,400 ,450 ,500 ,550 ℃的六個(gè)試驗(yàn) , 然后考慮在 400 ℃ 的溫度下 , 改變初始載荷重新進(jìn)行 3 次試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和結(jié)論如下：軸向位移約束高溫試驗(yàn)中所記錄試件的受力與升 溫時(shí)間的關(guān)系如圖 3 所示。各溫度水平下的溫度應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1 。結(jié)果表明隨著加溫時(shí)間的延續(xù) , 溫度的升高 , 試件在熱膨脹作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力疊加初始應(yīng)力 , 試件內(nèi)力迅速增加。在試件發(fā)生屈服以前 , 溫度越高 , 增加的溫度應(yīng)力越大。 溫度小于 400 ℃時(shí) , 曲線沒(méi)有出現(xiàn)拐點(diǎn) , 溫度大 于 450 ℃ 時(shí) , 曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn) , 說(shuō)明試件已發(fā)生明顯的屈服破壞。從表 1 可見(jiàn) , 溫度 T ≤ 350 ℃ 時(shí) , 試件內(nèi)部產(chǎn)生的最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度 , 此時(shí) , 溫度應(yīng)力也較小 , 因此試件受熱時(shí)間可以足 夠長(zhǎng) ( 恒溫 30min) , 也不發(fā)生屈服破壞現(xiàn)象。當(dāng) T =400 ℃ , σ 0Π σ s = 0 1 50 , σ maxΠ σ s = 0 1 80 , 試件有開(kāi)始屈服的跡象 , 此時(shí)試件內(nèi)溫度應(yīng)力為 111 1 2MPa 。隨著試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度水平的提高 , σ 0Π σ s , σ maxΠ σ s 逐漸減小 , 但是內(nèi)部的溫度應(yīng)力 ( 屈服前 ) 卻逐漸增大 , 而工字鋼試件因屈服破壞嚴(yán)重而使得試驗(yàn)提前結(jié)束。設(shè)定加溫到 500 ℃的試件在 480 ℃ 左右時(shí)就已屈服 , 加溫到 550 ℃的試件在 490 ℃ 左右就已屈服 , 試件屈服后內(nèi)部的應(yīng)力逐漸減小 , 顯示其承載能力逐漸降低直至完全喪失。此試驗(yàn) 結(jié)果表明 , 一定程度的溫度應(yīng)力足以造成鋼結(jié)構(gòu)的破壞。在該試驗(yàn)條件下 , 溫度在 350 ～ 400 ℃之間是屈服破壞的臨界溫度。溫度水平為 400 ℃ , 不同初始載荷的軸向 約束試驗(yàn) 的總力 F 隨溫度的變化曲線如圖 4 所示 , 溫度應(yīng)力σ T 隨溫度的增量Δ T 變化曲線如圖 5 所示。從圖 5 中可以看出 : 在彈性范圍內(nèi) ( T 200 ℃ 時(shí) ) ,鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力增量變化規(guī)律與初始載荷無(wú)關(guān) , 圖中顯示 3 個(gè)載荷水平的曲線幾乎重合。但
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