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钢结构论文

浅析温度对钢结构稳定性的影响

工程管理专业硕士张诚2014282100114

摘要:

钢结构越来越被广泛使用，钢结构的稳定性也越来越被重视。

本文主要阐述了温度对钢结构稳定性的影响，再在此基础上，浅层次地探讨研究尺度效应下温度对钢结构稳定性的影响的思路。

关键词:

钢结构，稳定性，温度，尺度效应

Abstract:

Thestabilityofthesteelstructureispayedmoreandmoreattentionto,forthesteelstructureismoreandmorewidelyused.Thisthesismainlyexpounds.Onthisbasis，thethesisalsodiscussesthethoughtofresearchingtheeffectthetemperaturetakestothestabilityofthesteelstructureunderthescaleeffectinshallowlevel.

Keyword:

steelstructure,stability,temperature,scaleeffect

0引言

众所周知，现代钢筋混凝土结构成为建筑主体结构形式，但钢结构以承载力大，抗震性好、施工安装方便、工期短，且空间大、视觉效果好、给人以美的感观等独特的优势占据着建筑界一席之地。

中国钢结构起步比较晚，在上世纪50年代，中国还处于一穷二白时期，钢材紧缺，钢材仅用于国防建设和工厂机械的生产。

到了上世纪80年代，中国钢结构才有了零的突破，上世纪90年代，钢结构生产约达到100×104t，而到2004年具不完全统计，国内生产钢结构产量达900×104t，增长了约9倍；钢结构房屋在上世纪80年代只有240×104m2，现在平均每年就新增加2400×104m2，增加了10倍。

现在我国主要的钢铁大型生产企业有首钢、宝钢、鞍钢、武钢、河北钢铁集团等，钢铁产量以年均8%的速度向前迅猛发展。

目前钢结构在国内外大型工程中得到广泛的运用，随着世界经济的飞速发展，在经济建设当中需要大量的钢结构厂房，尤其是在钢厂、造船厂、飞机制造厂等需要大跨度结构厂房。

这就需要建造高度更高、跨度更大的飞机装配车间和飞机库。

此外，如造船厂的船体结构车间和大城市中的大型停车场等建筑，也都需要采用大跨度结构。

在这些大跨钢结构体系当中几乎采用了所有的结构形式，包括轻钢结构、钢框架、钢拱结构、钢网架及悬索结构等。

对于那些存在受压区的结构或超大型钢构件，如果处理不当，可能会引起钢结构的局部或者整体失稳，一旦失稳，结构或者构件的几何形状将会出现剧烈改变从而完全丧失承载能力。

因此，钢结构的稳定性能是决定其承载能力的重要因素。

尤其需要注意的是：

在超大型钢结构体系要求着重考虑温度产生的结构变形和位移，支座控制条件和产生的温度应力，柱和梁的整体稳定性、局部稳定性以及屈曲和挠度、长细比、柱轴压比和层间位移比、层间角位移。

1温度对钢结构的影响的研究

1.1研究背景

随着越来越多的大跨钢结构被广泛应用，温度变化问题也成为大跨钢结构不可忽视却往往被忽视的问题。

国家规范《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第8.1.5条严格规定了温度区的长度，目的是有效的控制温度变形、减少温度应力。

钢结构构件两端被约束，没有伸张的余地，在夏季高温环境下产生较大的变形，钢结构内部产生较大的温度应力不能释放，当夜晚来临的时候，钢结构由于温度降低而收缩，又产生新的温度应力，在多次温度应力交替作用下，钢结构构件连接处的焊缝成为应力集中点，有可能产生破坏使结构失效。

虽然国内外学者对钢结构在温度变化产生的影响有一定的研究，但是由于受外界诸多因素的影响，例如理论的不完善、实验条件的约束及工程应用水平，至今学者们对温度应力、温度变形和温度对大跨钢结构其它方面的影响都很难把握。

随着世界经济的发展，采用大跨钢结构体系也越来越多，这些用于民用和工业的机场、火车站、体育场、大型展览馆、钢结构厂房要求跨度大、空间大，在不设缝的情况下长度和宽度超过了国家规范要求。

当前对超大型钢结构的力学性能还不能很好的掌握，这就要求充分深入的研究钢结构温度应力、应变，采取有效措施控制其温度应力应变。

过大的变形给人以不安全的感觉，甚至造成整个结构的破坏，这就要求我们增加钢结构构件的刚度控制其变形，但是这样不但会浪费材料，曾加造价，而且在约束结构变形之后会产生过大温度的应力，所以要同时控制好温度应力和温度变形。

过大的温度变形不行，过大的温度应力也不行，要使它们各占适当的比例。

因此我们要深入研究温度对超大型钢结构的影响，使理论更加完善，使结构设计更加规范合理。

随着科学技术的发展，世界各国对温度对超大型钢结构影响研究分析得到大的发展，由原来的宏观计算发展到微观计算，运用有限元原理可以精确的分析钢结构的温度应力、温度应变、位移、屈曲、整体稳定性、局部稳定性、达到对钢结构的非线性分析，形成了一个独特的研究领域。

到本世纪初，计算机领域得到前所未有的发展，计算软件技术也越来越高，计算机语言极大的满足了钢结构设计计算的要求。

大多数科研人员运用计算机软件对超大钢结构进行模拟分析得到的数据及实验得到的数据运用原有的理论相结合分析。

1.2研究方法的发展

（1）计算分析的发展

原有的对钢结构的认识只介于基本的理论公式对钢结构构件进行近似计算，进行等效静力分析，其结果粗略。

现在可以根据实际工程包括钢平面结构、钢网架结构、钢悬索结构运用先进的现代化精密仪器进行了许多测试试验，可以得出精确的数据，研究人员可根据实际情况逐步深入，使其复杂问题可以得到简单解决。

计算机的发展使研究更加简单化，应用有限元原理把超大钢结构离散成无数个小单元，并对各个小单元进行计算分析，一般单元越小越多，计算的精度越好。

一些计算设计软件的发明，如ANSYS软件、PKPM软件及SAP2000软件等都能对钢结构构件做出精确的计算，方便了研究。

（2）理论分析的发展

现在理论研究由原有的线行向非线性发展，由弹性分析向弹塑性及塑性发展，利用有限元原理进行理论分析；数值拟合、结构可靠度理论分析使对超大型钢结构理论分析更加形象化、具体化。

1.3研究温度对超大型钢结构影响的意义

目前国内外学者对钢结构截面承载力，结构构件的稳定性、长细比、屈曲、疲劳度研究的比较多，大多数集中在对钢结构受力分析上，而在温度对超大型钢结构影响上研究甚少，在实际上温度对超大型结构的影响是不可忽略的。

我国钢结构设计规范对钢结构温度区段有严格的规定，要求对超过设计规范长度的钢结构要计算温度应力应变，并采取有效的措施释放温度应力、控制温度变形。

当然可以设伸缩缝来解决温度伸缩问题，在温度区段处设双柱，使结构成为几个独立的几个区，从而解决温度产生的影响，但这样增加了一榀刚架，少则几十万，多则上百万，严重增加了造价，而且不好看。

在生活中，人们希望房屋结构是一个强大的整体，而不是一小部分一小部分凑成的，影响人的视觉美。

结构设计的主要原则就是要求建筑物安全，避免造成不必要的人员事故和经济损失。

对于超大型钢结构来说，除了考虑承载力的影响外，还要考虑其它因素的影响，哪就是不可忽略的温度。

超大型钢结构在温度变化下强度和变形性能可能会退化，钢材的热导系数大大超过了混凝土，其温度在钢结构的传播速度几乎是混凝土的10倍，其结果是超大型钢结构会扭曲变形甚至会倒塌。

为了减少了不必要的损失，释放温度应力、控制温度变形，我们进一步研究温度对超大型钢结构影响。

1.4温度对超大型钢结构影响的相关理论

1.4.1温度对钢材的影响

（1）在通长温度变下对钢材进行拉弯，使其产生塑性变形，这样能有效的提高钢材的屈服力，但是钢材的韧性和塑性有所降低。

（2）温度变化和钢材强度和弹性模量的关系

温度变化对钢材性能影响很大，随着温度的升高，钢材的强度和弹性模量会变化，这是由温度应力应变产生的影响。

温度小于150℃时，对钢材的特性影响不大；当温度达到250℃，钢材抗拉强度增强，韧性、塑性下降；温度达到400℃时，钢材屈服强度达到屈服点续往后就开始下降；温度达到500℃时，钢材的屈服强度为规范规定的屈服强度的三分之二；在600℃的时候，钢材的屈服强度为规范规定的屈服强度的三分之一。

通常规定温度超过150℃时就要采用防热方式。

随着温度的下降，钢材的强度有所提高，但韧性和塑性有所下降

（3）钢材在高温下会发生屈曲，更严重的会使结构失稳。

“911”事件中美国世贸大厦的倒塌就是一个很好的例子。

1.4.2温度变化对钢结构变形影响

（1）钢结构温度变形的类型

一种是弹性变形，就是在温度升高后，钢结构构件产生膨胀，在温度降低之后，能恢复到原状。

一种是塑性变形，在温度变化之后钢材产生变形不能恢复到原状，产生了永久变形。

从力学的角度来说，在温度变化下产生拉压变形，剪切变形，扭转屈曲变形。

还有一种分类方法就是从变形的方向上来分类。

（2）温度变形对钢结构的影响

对建筑物的要求来说，首先是要求整个建筑物结构是安全的。

再此从经济角度来看，我们要求节省建筑材料，节约工程造价。

在此基础上，要求建筑物造型美观，给人已带来美的感受。

如果钢结构构件在温度作用下产生了扭曲变形、弯曲变形、折皱变形，会给人造成不安全的印象，而且在外观上也不好看。

（3）钢结构构件连接时一般采用焊接和螺栓连接的方式，无论哪种连接方式都要求钢构件之间连接紧密。

如在温度下产生变形、扭曲，其钢结构构件很难拼装，而且摩擦面不能紧密连接，减少摩擦系数，从而影响钢结构构件的受剪承载力设计值。

钢结构板件如果比较厚时，在焊接温度变化下会容易产生残余应力，使钢板件的刚度降低，使整个结构产生脆性破坏。

从安全方面来看，温度产生的变形是很不好的。

温度变形会使钢结构板件屈曲，使结构失稳。

如某型钢钢柱，在温度作用下，腹板和翼缘板产生侧向挠动，型钢柱产生失稳，使柱产生破坏。

温度变化和钢结构的变形并不是呈线性关系，而是温度越高，变形的复值越高；在相同的温度变化下，板越厚钢结构板件变形越大。

（4）防止和控制温度变形的方法

温度变形对钢结构构件造成了严重的影响，甚至对安装和制作有影响，在实际运用之中，减少和有效的控制由温度产生的钢结构变形显得尤为重要。

从设计的角度控制温度变形，采用比较规则的结构方案，设计的钢结构构件的刚度要合理，刚度过小，不能有效的控制温度变形，刚度过大，会产生温度残余应力。

在过长超大钢结构要在必要的位置设置伸缩缝，如有特殊要求不能设置伸缩缝的可采取特殊的措施控制温度变形。

在钢构件焊接过程当中，会产生温度变形，通常采用冷却法，使在钢构件在焊接时产生的温度迅速散去，减少焊接温度变形产生的影响。

起拱法，温度有可能使钢构件隆起，我们可以事先在钢构件安装之前，事先起反方向起拱，抵消温度产生的变形，但这一做法存在一定的问道，就是很难预测钢构件变形的方向。

2研究方案

2.1研究方案一

针对温度对超大型钢结构影响，研究工作主要集中在利用数值模拟和现场试验来分析在超大型钢结构体系中采用温度应力释放区来调整温度应力及位移的效果。

研究采用的方案为：

对某钢结构体系进行现场测试，把数值模拟结果与之相比较，以佐证超大型钢结构数值模拟的精度；根据超大型钢结构施工图进行等比例空间建模，综合分析研究了厂房纵向超长部分温度应力和温度变形，同时采用“抗”和“放”两种方式、三种方案释放温度应力和控制结构产生的温度变形，并对三种方案做了对比分析，提出了用矩形孔代替长圆孔释放温度应力的新方法，阐述了原有长圆孔释放温度应力不足之处及新方法优于老方法的特征。

在此，引用杨汉林同志的硕士学位论文《温度对超大型钢结构影响研究》中的实验：

通过对首钢钢结构厂房的现场试验与数值模拟，研究了其温度应力、应变。

首钢京唐公司第二冷轧厂厂房工程为大跨超大型钢结构，采用TDS303静态应变仪监测厂房温度应力，SET1030R3全站仪监测温度变形，同时利用ANSYS软件对该厂房进行了数值模拟，得到在温度变化下的温度应力和温度变形数据并做了分析。

针对温度对超大型钢结构的影响研究，运用ANSYS和PKPM软件对中冶恒通冷轧技术有限公司七区厂房整体空间模拟，综合分析研究了厂房纵向超长部分温度应力和温度变形，同时采用“抗”和“放”两种方式、三种方案释放温度应力和控制结构产生的温度变形。

第一种方案采用“抗”的方式加大柱、梁的截面，第二种方案采用“放”的方式增加一榀刚架设伸缩缝的方法，第三种方案也采用是“放”的方式在温度不动点处设温度应力释放区，针对三种方案做了分析比较。

通过上述实验，得到以下结论：

（1）温度对一般类钢结构建筑物影响不大，但针对超大型钢结构对建筑物的影响比较大，在设计时需要计算温度应力和温度产生的变形。

温度应力和温度变形本身是一对矛盾体，释放了温度应力会使结构的变形变大，控制了温度变形却会使温度应力增加，所以要同时控制好温度应力和温度变形。

（2）超大型钢结构的温度不动点一般发生在结构的中间位置，在温度不动点处刚度大约束性强，越往两端约束性越小，中部部位产生的温度应力最大，越往结构两端越小，温度变形也随着控制能力的减少从中间往两端增大。

（3）超长钢结构厂房每隔20~30m设有柱间支撑，柱间支撑的设置增强厂房纵向刚度，在柱间支撑设置点处约束性强，能有效的控制柱的变形致使整栋厂房变形减少，同时柱间支撑能把温度应力传到基础上。

2.2研究方案二

引用李焕群、屈立军同志的论文《温度应力对钢结构影响的试验研究》中的实验：

对字钢短柱在轴向位移约束下进行温度应力的试验研究。

暴露于自然环境中的封闭箱形钢结构承受导热、对流和热辐射三种热量传递方式的共同作用，其温度时刻都在变化。

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，动能转换为热能，贮藏于物体中，其表现形式就是物体的温度高。

在地球表面上，太阳光谱的波长范围约在0128～310μm之间,可大致划分为三个区段：

紫外线、可见光和红外线，可见光波长在014～0176μm之间，波长小于014μm的波段为紫外线，波长大于0176μm的波段为红外线。

研究表明，虽然太阳辐射的最大强度（峰值）位于可见光范围内，但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。

太阳辐射包括直射辐射和散射辐射,如图1中的A面和B面钢板受太阳直射辐射的作用，温度升高较，C面和D面钢板受太阳散射辐射的作用,温度也升高,但升高幅度较A面和B面低。

物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动进行的热量传递称为导热。

当钢结构不同部位的温度不同时（如直接受太阳辐射的A面和B面温度比C面和D面的温度高）,钢结构中众多的自由电子在晶格之间进行不规则的热运动,温度越高,电子的平均动能就越大,不同能量水平的电子相互碰撞的结果,使热量从高温处向低温处传递。

当箱形钢结构内封闭气体不同位置之间的温度不同时（如靠近A面和B面的气体温度比靠近C面和D面的气体温度高）,气体各部分之间发生相对位移，冷热气体相互掺

混，这就是对流传热，同时伴随着导热。

进行钢结构温度分析的理论方法有经验公式法和有限元分析法。

经验公式法的公式如下：

有限元分析法具体如下：

通常在预测箱形钢结构的温度场分布时可忽略沿

结构纵向的热流动,因此可选取单位长度的节段进行研究。

由于钢板较薄,导热性能好,故可忽略沿厚度方向的温度梯度和热流动（如图2所示）。

截面的热流动主要取决于热传导,钢板表面与外界环境通过对流和辐射进行热交换。

截面的热传导可用式

（2）微分方程式表示:

试验在型号为WAW21000微机控制电液伺服万能试验机上进行（见图2）。

试验机最大加载能力为1000kN,控力精度为±1%。

试件放在试验机特配的高温箱中进行抗压试验,试验空间宽340mm,高540mm,深300mm,最高温度可达700℃,温度波动范围±5℃,系统具有力控制和位移控制两种模式,并能自由切换,同时系统能自动记录试件所受力、位移（或变形）、试验进行的时间、试件温度。

轴向位移约束的钢构件,在高温时产生温度应力,当温度T<200℃时,得出温度应力σT与温度增量ΔT之间的经验公式

（1）。

试件材料选用某钢厂所产I122Q235工字钢,其化学成分如下:

C含量为0114%;Si为0117%;Mn为0138%;P为01025%;S为01027%。

名义屈服强度σs为370MPa,抗拉强度σb为475MPa,所用试件均选自同一母材。

试件高度为100mm,面积为A=1780mm2。

进行了9次高温试验,其中6次为不同温度水平下的位移约束高温试验,3次为同一温度水平（400℃）下不同初始载荷F0的高温试验。

轴向位移约束的高温试验过程为升温前先给试件加一初始荷载F0（不同试验其值不同）,使试件产生一轴向位移约束的高温试验过程为升温前先给试件加一初始荷载F0（不同试验其值不同）,使试件产生一定的弹性变形,然后锁定控制该变形量（相当于给试件

加一位移约束）,再以大约013～011℃Πs速率加热试件至指定目标温度,并且恒温30min,确保试件内部温度均匀一致。

记录试件所受力的变化、试验进行时间、试

件温度三者之间的变化关系。

先进行温度水平分别为300,350,400,450,500,550℃的六个试验,然后考虑在400℃的温度下,改变初始载荷重新进行3次试验。

实验结果分析和结论如下：

轴向位移约束高温试验中所记录试件的受力与升

温时间的关系如图3所示。

各温度水平下的温度应力数据见表1。

结果表明随着加温时间的延续,温度的升高,试件在热膨胀作用下产生的温度应力叠加初始应力,试件内力迅速增加。

在试件发生屈服以前,温度越高,增加的温度应力越大。

温度小于400℃时,曲线没有出现拐点,温度大于450℃时,曲线出现明显的拐点,说明试件已发生明显的屈服破坏。

从表1可见,温度T≤350℃时,试件内部产生的最大应力小于材料的屈服强度,此时,温度应力也较小,因此试件受热时间可以足

够长（恒温30min）,也不发生屈服破坏现象。

当T=400℃,σ0Πσs=0150,σmaxΠσs=0180,试件有开始屈服的迹象,此时试件内温度应力为11112MPa。

随着试验目标温度水平的提高,σ0Πσs,σmaxΠσs逐渐减小,但是内部的温度应力（屈服前）却逐渐增大,而工字钢试件因屈服破坏严重而使得试验提前结束。

设定加温到500℃的试件在480℃左右时就已屈服,加温到550℃的试件在490℃左右就已屈服,试件屈服后内部的应力逐渐减小,显示其承载能力逐渐降低直至完全丧失。

此试验

结果表明,一定程度的温度应力足以造成钢结构的破坏。

在该试验条件下,温度在350～400℃之间是屈服破坏的临界温度。

温度水平为400℃,不同初始载荷的轴向约束试验

的总力F随温度的变化曲线如图4所示,温度应力σT随温度的增量ΔT变化曲线如图5所示。

从图5中可以看出:

在弹性范围内（T<200℃时）,钢结构内部的温度应力增量变化规律与初始载荷无关,图中显示3个载荷水平的曲线几乎重合。

但是当T>200℃后,曲线发生分离,初始载荷越大,温度应力增量变小,初始载荷越小,温度应力增量较大,说明初始载荷越大,试件较早进入弹塑性状态。

因此,初应力的大小决定钢构件进入塑性状态的时间,当试件完全屈服后,温度应力将不再增加。

当构件的实际温度与室温的差值ΔT<200℃时,将三个载荷水平的数据求平均值,并将曲线进行拟合,

可以得出温度应力σT与温度增量ΔT之间关系的经验公式:

σT=0.0016（ΔT）2+0.0345ΔT-1.419

（1）

2.3实验结论

（1）轴向位移约束的钢构件，在高温时产生温度应力，当温度T<200℃时，得出温度应力σT与温度增量ΔT之间的经验公式

（1）。

（2）在弹性范围内，钢结构内部的温度应力增量变化规律与初始载荷无关，但初应力的大小决定钢构件进入塑性状态的时间。

（3）在超静定结构中，温度应力是导致构件屈服破坏的主要原因，所以钢结构的耐火设计应该考虑温度应力的影响。

（4）在弹性阶段，温度越高，增加的温度应力越大，温度应力的增量只与温度的增量有关，而与初始载荷无关。

在超静定结构中，温度应力是导致构件屈服破坏的主要原因。

3.尺度效应下温度对钢结构稳定性影响的研究思路

3.1尺度效应下温度对钢结构稳定性影响的猜想

对于超大型钢结构，因其刚度大，对建筑物核心区约束性强，产生较大的温度应力，温度应力由结构中间向两端产生膨胀，使钢结构建筑物由中间向两端柱变形逐渐增大，在设计必须考虑且计算温度应力和变形。

对于非超大型钢结构，国家规范规定了钢结构建筑物温度区长度。

在温度区长度范围内，温度对一般建筑物的影响很小，在设计时不计算温度应力应变，很少考虑温度对钢结构建筑物的影响。

但实际上钢结构建筑的构件一般都处于超静定状态,各个构件之间相互约束,在高温下产生温度应力。

此外，当钢结构在尺度效应下，因温度因其的引力是否会对其产生作用，如使其明显变形等，所以，相应地，在设计时是否也必须考虑且计算温度应力和变形呢？

下面将先初步探讨研究尺度效应下温度对钢结构稳定性的影响的思路。

因为材料的微结构特性是导致性能尺度效应的内禀原因，与材料中原子或分子键合状态有关，其敏感性从离子键到金属键到不同键合程度的高分子键到软物质。

这种微结构特性可引起主要相互作用力的不同，导致材料内禀性能及其规律和原理的质的区别，即尺度效应。

如纳米金属的重要力学性质如强度、延性等具有典型的尺度效应；由于尺度效应的存在，钢材料的微结构特性会导致钢材的理化性能发生质的变化，从而导致钢结构稳定性的不同，以及温度对钢结构稳定性的影响也变得不同。

3.2探讨尺度效应下温度对钢结构稳定性影响的研究思路

首先，钢结构有三种失稳的类型，可以尝试从以下三种失稳类型去分析钢结构在尺度效应作用下，温度对钢结构稳定性的影响。

钢结构失稳的类型如下：

（1）第一类失稳，也叫平衡分岔失稳，构件会在同一荷载点出现平衡分岔现象。

根据构件在屈曲后的荷载—挠度曲线变化的不同，平衡分岔失稳又可以分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳。

完善的轴心受压构件和薄板的失稳都是属于第一类失稳。

（2）第二类失稳，也叫极值点失稳。

具有极值点失稳的构件的荷载—挠度曲线只有极值点，没有出现如完善的轴心受压构件的不同变形状态的分岔点，构件弯曲变形的性质也没有改变。

极值点失稳的现象十分普遍，偏心受压构件在弹塑性变形发展到一定程度后的失稳都属于极