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:The stability of the steel structure is payed more and more attention to,for the steel structure is more and more widely used.This thesis mainly expounds .On this basis，the thesis also discusses the thought of researching the effect the temperature takes to the stability of the steel structure under the scale effect in shallow level. Keyword:steel structure,stability,temperature, scale effect 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。