钢框架中柱温度应力的计算方法技术

本发明专利技术的结构钢柱在框架中的温度应力计算方法,在目标钢柱从受火开始时温度T0升至受火结束时温度T

【技术实现步骤摘要】
钢框架中柱温度应力的计算方法


[0001]温度应力是结构构件之间由于受到不均匀温度作用，产生不均匀变形，进而互相约束产生的温度内力作用在构件截面上的应力。研究表明，温度应力是钢结构在火灾中受到的最重要的作用效应之一，其准确的测量或者计算，对于钢结构抗火安全评估具有重要的理论和现实意义，可直接影响钢结构耐火设计的可靠性与经济性。

技术介绍

[0002]温度应力的计算较为复杂，目前大多采用两种方法：线性方法和非线性分析方法。我国规范CECS 200：2006《建筑钢结构防火技术规范》给出了计算钢结构温度内力的计算方法，该方法属于线性计算方法，并未考虑材料的弹塑性，采用确定的钢材弹性模量，与实际受火过程中钢材温度随时间的持续变化不符。非线性分析方法大多采用ANSYS等通用有限元分析软件进行计算。但是该类软件计算时，对钢材高温本构关系的输入，只能按照一定温度下应力
‑
应变的二维对应关系模式，与钢结构构件受火过程中，其温度、应力和应变随时间不断变化的实际情况不符，因此也就决定了其计算结果与实际情况必然具有一定差距。

技术实现思路

[0003]本申请的专利技术目的是克服在现有计算方法中，存在着不能准确计算出钢结构构件在受火过程中，其温度、应力和应变随时间不断变化的情况，而提供一种结构钢柱在框架中的温度应力计算方法。在计算钢构件温度应力时，采用分段叠加的思想，将钢材恒载升温试验所得到的材料模型和恒温加载试验所得到的材料模型进行联合使用，将实际钢结构构件的受火过程划分为有限个时间段，将每一时间段又划分两个部分，第一部分设定构件截面应力恒定，以恒载升温试验所得材料模型进行力学分析，第二部分在第一部分的基础之上，设定构件温度恒定，以恒温加载试验所得材料模型进行力学分析。当划分的时间段足够小的时候，这种计算钢结构构件温度应力的热
‑
力路径将会无限趋近与钢结构构件受火的实际过程。
[0004]为了完成本申请的专利技术目的，本申请采用以下技术方案：
[0005]本专利技术的一种结构钢柱在框架中的温度应力计算方法,在目标钢柱从受火开始时温度T0升至受火结束时温度T
n
的受火过程中，按照其受火时间均匀地划分为n段，i＝1，2，
……
，n,在每一个时间段内的目标钢柱的平均温度记为T1，T2，
…
，T
n
，目标钢柱的初始温度为T0；其中：它包括以下步骤：
[0006](一)、计算目标钢柱的初始状态
[0007]根据目标钢柱在初始温度T0下的荷载，在常温时，钢材弹性模量E0＝2.06
×
105N/mm2，利用结构力学计算出目标钢柱初始应力水平k0和初始应变
‑
ε0，得到目标钢柱的初始状态t0(
‑
ε0,k0，T0)；
[0008](二)、从i＝1开始进入第i时间段的第一部分恒载升温阶段计算
[0009](a)、根据膨胀系数，计算出目标钢柱膨胀应变Δε
T
[0010]利用表1通过插值法计算出：在温度T
i
下，目标钢柱的线膨胀系数s，然后计算出：目标钢柱从T
i
‑1升高到T
i
的膨胀应变Δε
T
＝s*(T
i
‑
T
i
‑1)；
[0011]表1 不同温度(℃)下Q345钢线膨胀系数s(单位为10
‑6/℃)
[0012][0013](b)、计算目标钢柱的荷载应变
‑
ε
p
[0014]利用表2通过插值法计算出：目标钢柱在k
i
‑1作用下，温度由T
i
‑1升至T
i
所产生的荷载应变
‑
ε
p
，
[0015]表2 荷载应变计算值
‑
ε
p
(单位为％)
[0016][0017][0018]表中的第一列为应力水平k
i
‑1,
[0019]在温度为T
i
下，膨胀应变Δε
T
与荷载应变
‑
ε
p
之和Δε
T
‑
ε
p
即为目标钢柱在第i个时间段第一部分恒载升温阶段的总应变；
[0020](三)、进入第i时间段第二部分恒温加载阶段计算
[0021](c)、计算目标钢柱在恒载升温阶段总应变作用下所产生的温度内力
[0022]将目标钢柱由向上的单位力代替，在单位力作用下，根据结构力学计算出：目标钢柱顶端的位移Δε(T
i
)和目标钢柱的轴向约束刚度K(T)＝1/Δε(T
i
)；在上述计算时，要考虑表3所示的钢材在不同温度下的弹性模量降低系数c，E
i
＝E0*c，经过第i时间段第一部分的恒载升温，目标钢柱的应变为Δε
T
‑
ε
p
，在不考虑压缩应变的情况下，目标钢柱在温度T
i
下所产生的温度内力N
T
＝(Δε
T
‑
ε
P
)
·
K(T)
·
l，其中l为目标钢柱长度；
[0023]表3 弹性模量降低系数c
[0024][0025](d)、计算出目标钢柱第i时间段修正后的最终状态
[0026]在实际过程中，随着目标钢柱的膨胀变形，目标钢柱在温度T
i
下的温度内力不断增大，产生荷载应变使目标钢柱变形缩小，又会引发温度内力相应减小，为达到变形协调一致，将N
T
平均分为m份，m为100至10000份，p＝1，2，
……
，m,在N
T”＝(p/m)*N
T
下，计算出k
i
＝k
i
‑1+Δk＝k
i
‑1+N
T
*p/m/A/f
y
，上述公式中A为目标钢柱的截面面积，f
y
为目标钢柱的常温强度；根据表4的恒温加载条件下应变
‑
应力
‑
温度关系，通过插值法，计算出在k
i
和T
i
下的应变Δε
Δk
，此时应变修正为Δε
T
‑
ε
p
—Δε
Δk
，相应的N
T
′
＝(Δε
T
‑
ε
P
‑
Δε
Δk
)
·
K(T)
·
l，当N
T”＝N
T
’
时，得到目标钢柱修正后的应变所对应的温度内力为N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构钢柱在框架中的温度应力计算方法,在目标钢柱从受火开始时温度T0升至受火结束时温度T
n
的受火过程中，按照其受火时间均匀地划分为n段，i＝1，2，
……
，n,在每一个时间段内的目标钢柱的平均温度记为T1，T2，
…
，T
n
，目标钢柱的初始温度为T0；其特征在于：它包括以下步骤：(一)、计算目标钢柱的初始状态根据目标钢柱在初始温度T0下的荷载，在常温时，钢材弹性模量E0＝2.06
×
105N/mm2，利用结构力学计算出目标钢柱初始应力水平k0和初始应变
‑
ε0，得到目标钢柱的初始状态t0(
‑
ε0,k0，T0)；(二)、从i＝1开始进入第i时间段的第一部分恒载升温阶段计算(a)、根据膨胀系数，计算出目标钢柱膨胀应变Δε
T
利用表1通过插值法计算出：在温度T
i
下，目标钢柱的线膨胀系数s，然后计算出：目标钢柱从T
i
‑1升高到T
i
的膨胀应变Δε
T
＝s*(T
i
‑
T
i
‑1)；表1 不同温度(℃)下Q345钢线膨胀系数s(单位为10
‑6/℃)(b)、计算目标钢柱的荷载应变
‑
ε
p
利用表2通过插值法计算出：目标钢柱在k
i
‑1作用下，温度由T
i
‑1升至T
i
所产生的荷载应变
‑
ε
p
，表2 荷载应变计算值
‑
ε
p
(单位为％)表中的第一列为应力水平k
i
‑1,在温度为T
i
下，膨胀应变Δε
T
与荷载应变
‑
ε
p
之和Δε
T
‑
ε
p
即为目标钢柱在第i个时间段第一部分恒载升温阶段的总应变；(三)、进入第i时间段第二部分恒温加载阶段计算(c)、计算目标钢柱在恒载升温阶段总应变作用下所产生的温度内力将目标钢柱由向上的单位力代替，在单位力作用下，根据结构力学计算出：目标钢柱顶
端的位移Δε(T
i
)和目标钢柱的轴向约束刚度K(T)＝1/Δε(T
i
)；在上述计算时，要考虑表3所示的钢材在不同温度下的弹性模量降低系数c，E
i
＝E0*c，经过第i时间段第一部分的恒载升温，目标钢柱的应变为Δε
T
‑
ε
p
，在不考虑压缩应变的情况下，目标钢柱在温度T
i
下所产生的温度内力N
T
＝(Δε
T
‑
ε
P
)
·
K(T)
·
l，其中l为目标钢柱长度；表3 弹性模量降低系数c(d)、计算出目标钢柱第i时间段修正后的最终状态在实际过程中，随着目标钢柱的膨胀变形，目标钢柱在温度T
i
下的温度内力不断增大，产生荷载应变使目标钢柱变形缩小，又会引发温度内力相应减小，为达到变形协调一致，将N
T

【专利技术属性】
技术研发人员：史可贞，李焕群，
申请(专利权)人：中国人民警察大学，
类型：发明
国别省市：