岳 銳，孫 強，郭 薇

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022）

鋼曲桿在高溫(火災)環(huán)境下的力學性能分析

岳 銳，孫 強，郭 薇

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022）

高溫（火災）環(huán)境下大跨度鋼曲桿力學性能會發(fā)生很大變化，本文根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)、火災學及力學基本理論，分別以三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱這三種形式為研究對象，提出了高溫（火災）環(huán)境下大跨度鋼曲桿內(nèi)力計算公式，分析了高溫（火災）下相關(guān)參數(shù)（線膨脹系數(shù)、結(jié)構(gòu)溫度、矢跨比、自重等）對大跨度鋼曲桿承載性能的影響。研究表明：隨著鋼曲桿線膨脹系數(shù)增大、溫度升高、自重增大，鋼曲桿的內(nèi)力增大，鋼曲桿承載性能逐漸減小，并通過算例驗證了所提方法的正確性，提出了在實際工程中如何提高鋼曲桿承載性能的相關(guān)措施，可為大跨度鋼曲桿抗火設(shè)計與分析提供參考。

鋼曲桿；高溫（火災）；承載性能；變形性能；力學特性

0 引 言

目前，大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)得到廣泛的應用，與一般使用的鋼結(jié)構(gòu)相比，此類型結(jié)構(gòu)在同等條件下具有強度更高，重量更輕，制作更方便，以及可回收利用等優(yōu)點，然而當火災發(fā)生時，可對大跨度鋼拱造成嚴重的破壞，因而對其進行抗火設(shè)計研究十分必要。目前國內(nèi)外研究者對大跨度鋼曲桿進行了一些研究和探索，李加雷研究了鋼拱結(jié)構(gòu)在高溫下的穩(wěn)定性變化問題,對于火災高溫下大曲率兩鉸圓弧鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定及臨界荷載的變化，給出了高溫下兩鉸圓弧鋼拱的平面內(nèi)穩(wěn)定臨界荷載的計算表達式,分析了其隨火災溫度的變化規(guī)律[1]；熊仲明以46.5 m 大跨度弧形鋼拱結(jié)構(gòu)實際工程為背景，基于有限元ANSYS軟件分別建立了單榀鋼拱及整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進行了特征值屈曲分析和幾何非線性分析，找出了單榀結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)，研究了缺陷對單榀結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的敏感程度[2]；國內(nèi)外專家學者對大跨度鋼拱的承載性能進行了相關(guān)研究[3]-[11]，但對于高溫（火災）下大跨度鋼曲桿的承載性能研究較少。本文根據(jù)火災科學理論、鋼結(jié)構(gòu)及力學原理，根據(jù)鋼曲桿在高溫（火災）下有可能產(chǎn)生的災害情況，分析了不同參數(shù)對三鉸拱、兩鉸拱、無鉸拱力學特性的影響，并以實例進行說明，從而提出了如何提高鋼曲桿承載性能的相關(guān)措施。

1 三鉸拱內(nèi)力與變形分析

1.1 三鉸拱靜力分析

三鉸拱形式的鋼曲桿是一種分為帶拉桿與不帶拉桿的靜定結(jié)構(gòu)[11]。本文采用無拉桿鋼曲桿進行內(nèi)力分析，并將其與簡支梁內(nèi)力分析進行比較，來分析該類型鋼曲桿受力特性。圖1為鋼曲桿受力分析圖，根據(jù)力的平衡原理可得鋼曲桿內(nèi)力分別為：

1.2 三鉸拱變形受溫度影響分析

對三鉸拱形式的鋼曲桿而言，高溫（火災）并不會引起內(nèi)力的改變，但受溫度影響材料膨脹系數(shù)的改變則會造成結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的位移變形。

（2）式為高溫（火災）對鋼曲桿位移變形的影響公式。計算時需對鋼曲桿全長積分并計算總和。其中α為線膨脹系數(shù)α=0.8×10-8(T-20) +1.2×10-5。

根據(jù)（2）式分析得出靜定鋼曲桿受溫度(0℃≤Ts≤600℃)影響的位移變化，見圖2所示。

圖1 三鉸拱受力分析圖

圖2 鋼曲桿變形與溫度的關(guān)系

從圖2可以看出，鋼曲桿K截面處的位移隨溫度的增加而增加，成正對應關(guān)系，但由圖中數(shù)值可看出變化非常小，因此溫度對靜定鋼曲桿變形的影響在無附加外力作用時幾乎可忽略不計。

2 不同參數(shù)對兩鉸拱、無鉸拱力學性能的影響

2.1 溫度變化與結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系

對于兩鉸拱形式的鋼曲桿，在不受外荷載作用，由其他影響因素的變化而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。其中，結(jié)構(gòu)在溫度變化情況下產(chǎn)生的自內(nèi)力，可按如下力法進行求解。如圖3所示，根據(jù)力法基本原理以及鋼曲桿受溫度變化的變形協(xié)調(diào)條件，得出鋼曲桿的內(nèi)力計算公式：

對于無鉸拱形式的鋼曲桿，其受力分析如圖4所示，根據(jù)力法基本原理以及鋼曲桿受溫度變化的變形協(xié)調(diào)條件，得出鋼曲桿的內(nèi)力計算公式:

式中，f—指鋼曲桿的高度；

l—指鋼曲桿的高度和跨度；

X—表示對鋼曲桿任意截取一點的長度；

q—是作用在鋼曲桿上的均布荷載；

EI—是鋼曲桿的抗彎剛度；

?1t—指溫度變化在基本體系中沿X1方向產(chǎn)生的位移

圖3 鋼曲桿基本結(jié)構(gòu)

圖4 鋼曲桿內(nèi)力分析圖

2.2 不同參數(shù)對鋼曲桿力學性能的影響

算例：鋼拱結(jié)構(gòu)中拱形部分采用等截面圓鋼管E1=E2=2.06×108kN/m2，圓鋼管外徑D=203 mm，內(nèi)徑d=191 mm，圓鋼管截面面積A1=3711.48 m2,鋼拱截面的慣性矩I1=1803.07 cm4。將各使用參數(shù)分別代入公式，只保留所需參數(shù)和內(nèi)力為未知值，來進行分析各參數(shù)對承載力的影響。

其中：考慮矢跨比的影響參數(shù)：

考慮荷載的影響參數(shù)：

根據(jù)算例所給出的參數(shù)，結(jié)合式（3）分析得出圖5、圖6、圖7，同理結(jié)合式（4）分析得出圖8、圖9、圖10。

圖5矢跨比不同時α與N對比圖

圖6溫度T與內(nèi)力N的關(guān)系圖

圖7矢跨比不同時q與N對比圖

圖8 矢跨比不同時α與內(nèi)力N的關(guān)系圖

圖9 溫度T與內(nèi)力N的關(guān)系圖

圖10 矢跨比不同時q與N的關(guān)系圖

由圖5至圖10分析可知：

（1）當鋼曲桿溫度T為定值，隨著矢跨比 / fl增大，構(gòu)件內(nèi)力減小，則鋼曲桿承載能力降低；隨著熱膨脹系數(shù)增大，構(gòu)件內(nèi)力也就增大，則相應鋼曲桿承載能力增大。

（2）當鋼曲桿在外荷載q為定值，隨著外界環(huán)境溫度T升高，其構(gòu)件內(nèi)力隨之增大，鋼曲桿承載能力隨之增大。

（3）構(gòu)件內(nèi)力N隨著自重力q增加而增大，矢跨比f/l較小，其構(gòu)件內(nèi)力增加的速度較矢跨比大的快，即結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

（4）兩鉸拱和無鉸拱兩種形式的鋼曲桿在相同工況條件下，后者的承載性能優(yōu)于前者。

3 結(jié)語

本文從影響鋼曲桿穩(wěn)定性能的參數(shù)如鋼曲桿矢跨比、熱膨脹系數(shù)和溫度等出發(fā)，選擇三鉸拱、兩鉸拱、無鉸拱三種鋼曲桿形式進行內(nèi)力分析，推導出鋼曲桿內(nèi)力和變形與溫度等影響因素有關(guān)的計算公式，并分析了相關(guān)參數(shù)對鋼曲桿力學特征的影響，得出以下主要結(jié)論和建議：

（1）鋼曲桿在溫度變化值一定時，隨著鋼曲桿熱膨脹系數(shù)增大，曲桿內(nèi)力就增大，則相應的鋼曲桿承載能力越低。在選擇鋼材種類時應注意選擇熱膨脹系數(shù)相對較小的鋼種。

（2）鋼曲桿在外荷載為定值時，隨著外界環(huán)境溫度升高，其鋼曲桿內(nèi)力隨之增大，則相應的鋼曲桿承載能力越低。通常情況下結(jié)構(gòu)外界環(huán)境溫度過高非常不利于結(jié)構(gòu)承載性能。

（3）當鋼曲桿矢跨比不同時，構(gòu)件內(nèi)力不僅隨著構(gòu)件外荷載增加而降低，也受其大小的影響，矢跨比較小的，其內(nèi)力增加的速度較矢跨比大的快，即結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)失穩(wěn)情況，所以設(shè)計時更應注意矢跨比的合理選擇。

（4）兩鉸拱和無鉸拱兩種形式的鋼曲桿在相同工況條件下，后者的力學性能優(yōu)于前者，為以后鋼曲桿在高溫（火災）條件下研究提供了參考。

[1]李加雷,韓玉來,鞠竹,等.高溫下兩鉸圓弧鋼拱平面內(nèi)穩(wěn)定臨界荷載分析[J].哈爾濱工程大學學報, 2013(7):862-865.

[2]熊仲明,韋俊,曹欣,等.45.6m 大跨度弧形鋼拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及其缺陷影響分析[J].工程力學, 2009(11):172-178.

[3]王秀麗,陳志祥.新型加強型鋼拱梁的性能分析及優(yōu)化[J].建筑科學,2007,23(3):1-5.

[4]曹欣.大跨度多弧形鋼拱結(jié)構(gòu)的受力性能研究[D].西安:西安建筑科技大學,2008.

[5]麻文娜.大跨度鋼拱結(jié)構(gòu)抗震性能的研究[D].西安:西安建筑科技大學,2010.

[6]黃玨倩,李國強.大空間火災中火焰輻射對鋼構(gòu)件升溫的影響[J].自然災害學報,2008,17(5):87.

[7]張智遠.大跨建筑中拱結(jié)構(gòu)的應用及表現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010.

[8]殷俊鋒.大跨度組合拱支撐結(jié)構(gòu)應力分析的有限元模擬[J].鐵道工程學報, 2015, 32(1):79-82.

[9]郭彥林,竇超.鋼拱結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與我國鋼拱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[J].steel construction,2009, 24(5):59.

[10]齊晗兵.火災條件下鋼結(jié)構(gòu)溫度場模擬[J].油氣田地面工程，2005，24(5):15.

[11]Bradford M A, Pi Y L. Elastic Flexural-Torsional Buckling of Discretely Restrained Arches[J].Journal of Structural Engineering, 2014,128(6):719-727.

[12]龍馭球,包世華.結(jié)構(gòu)力學I:基本教程[M].2版.北京:高等教育出版社, 2006.

Analysis of Mechanical Characteristics of Steel Curved Rods in The High Temperature (Fire) Condition

YUE Rui, SUN Qiang, GUO Wei

(School of Civil Engineering, Anhui JianZhu University, Hefei, 230022,China)

TMachanics behevior of large span steel curved rod differs a lot in high temperature(fire) condition. Based on the basic theory of steel structure, fire science and general theory of mechanics, three hinged arch, two hinged arch and three kinds of non hinged arch are studied. The internal force calculation formula of the large span steel under high temperature (fire) environment is presented, and the influence of several relative parameters (linear expansion coefficient, structure temperature, ratio of rise span ratio and weight) on the load carrying capacity of large span steel arch in high temperature (fire) condition is analyzed. Research shows that with the increase of the linear expansion coefficient, the increase of temperature, and the weight of the steel bars, the internal force of the steel bars is increased, and the bearing capacity of the steel is gradually reduced,the correctness of the proposed method is verified by a numerical example, and some conclusions are drawn for the fire resistance design of long span steel curved rods. In the practical engineering, the relative measures to improve the bearing capacity of the steel curved rod are put forward.

steel curved rod; high temperature (fire); load-bearing characteristics;deformation properties; mechanical characteristics

TU317

A

2095-8382(2016)06-022-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160605

2015-11-27

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2012CB719703）, 安徽高校省級自然科學研究重大項目（KJ2014ZD06），安徽省自然科學基金（1408085QE96）。

岳銳（1990-），碩士生，主要研究方向為鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究與應用。