高温下钢框架荷载效应探究方法综述

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1、高温下钢框架荷载效应探究方法综述摘要：随着钢结构越来越广泛的应用于实际生产和生活中，对钢结构的防火性能的研究也不断得到重视。本文通过查阅文献，对高温下钢框架结构荷载效应的研究方法进行综述，得出各种方法存在的问题和缺陷，并对以后的研究发展进行了展望。关键词：高温钢框架温度应力0引言钢结构由于强度高、自重轻、延性好、施工周期短等优点，在建筑结构中被广泛应用。但是由于钢材的导热系数大,高温作用下，钢材温度升高快，强度和弹性模量迅速下降，使钢结构在较短的时间内达到极限状态而发生破坏。目前，对于钢框架柱荷载效应的研究方法主要有理论分析、试验研究和数值模拟三种方法。1高温下钢框架荷载效应

2、的研究方法1.1理论分析1990年，李国强提出了广义Clough模型［1］,其后，该校的谭巍［2］、曹文衔［3］分别根据广义Clough模型建立了高温钢结构梁单元切线刚度方程。文献［4］中也基于该模型，同时考虑了温度沿单元截面非均匀分布的影响，建立了高温下钢结构梁单元的切线刚度方程。1994年，李国强、金福安根据火灾时钢构件的内部温度分布及性能，进行了结构温度内力和钢框架非线性静力反应分析，并基于分析结果提出一种钢框架结构抗火极限状态的实用分析方法［5］o1999年李国强，蒋首超，林桂祥编写的《钢结构抗火计算与设计》［6］—书中，提出了一种用结构力学处理超静定结构温度变化的方

3、法。2000年蒋首超，李国强［7］利用结构力学的原理，提出了局部火灾下钢框架温度内力的计算方法。具体步骤为：%1计算梁、住端轴向变形约束刚度；%1计算杆端转动约束刚度。%1根据下式求得带弹性杆端约束构件的温度应力：具体参数参见文献［7］2000年赵金城［8］提出一种直接迭代方法来分析受火钢框架的反应。该方法可以计算相应于特定荷载水平和温度分布的结构总体反应，在推导有限元方程时，采用了割线刚度矩阵，而不是常用的切线刚度矩阵，然后采用直接迭代法求解。该方法中考虑了大变形的二阶效应、材料随温度升高逐渐软化的性质、沿截面高度和构件长度方向的非弹性区域的逐渐扩展及钢构件内温度的非均匀分

4、布等因素。根据提出的理论，编制了有限元分析程序NASFAF,与国外完成的一些钢框架火灾试验实例进行比较，吻合得较好。2002年刘开国［9］提出采用三方程法及有限元分析程序，进行火作用下钢框架结构的温度内力分析。具体方法为,先将目标层各梁端固定，求出不平衡侧力；然后用节点剪力平衡条件建立三方程。计算简便但精度不高。2006年标准CECS200-20065建筑结构防火规范6［10］用等效作用力的方法计算钢框架构件的温度应力。将受火构件的温度效应等效为杆端作用力，并将该作用力作用在与该杆端对应的结构节点上，然后，按照常温下的分析方法进行结构分析，得到该构件升温对结构产生的温度内力和

5、变形。2009年王新堂［11］,郑小尧等人在试验的基础上，对火灾下约束钢柱的结构响应进行了相应的有限元数值模拟。具体即在某个底层框架柱顶部位置施加单位力，但此时需要抽调该柱，再利用有限元软件MSC.marc对考虑火灾温度作用的钢框架进行结构响应计算，求出单位力作用点随温度变化的位移，最后倒数转化为随温度变化的柱端约束刚度。与试验结果对比表明，文中所采用的约束刚度的计算方法可行，可有效地解决多层框架结构单柱分析中所遇到的确定边界条件的难题。1.2试验研究国外已进行许多整体钢结构建筑火灾试验。1995-1998年英国钢铁公司进行了著名的卡丁顿试验，获得了大量关于整体结构火灾反应的

6、资料。另外，Boradgatel4层办楼试验、ChurchillPlazal2层建筑火灾试验，Ausarthna41层火灾试验、German火灾试验以NewZealand火灾试验等均表明:钢框架结构的整体结构行为与未受约束的标准试验炉的单个构件的受力性能是完全不同的，构件间的相互作用也是标准火灾试验所不能模拟的，特别是钢梁、柱与混凝土板等的组合结构的相互作用是无法用标准试验来模拟估算的［12］oC.G.Baily和D.B.Moore通过钢结构的试验，发现在钢框架受火过程中，由于钢梁的作用，对钢柱施加了一个水平力，这个力使得柱子产生了非常大的横向位移。这种由梁传递给柱子的横向位

7、移对结构刚度和支点中心影响很大。文中介绍，当前的规范都忽略了由于温度作用而产生的梁传给柱子的力，并且建议对此进行进一步的研究，以保证钢柱在受火过程中的稳定性［13］o沈祖炎、赵金城在同济大学土木工程防灾国家实验室进行了四次不同水平荷载作用下单层单跨钢框架结构的抗火试验［14］,试验得到了在火灾条件下钢框架结构各构件的温度分布、结构反应和破坏模式，以及高温下钢框架节点的变形情况。2006年董毓利，李晓东［15~17］等人在国内首次进行了一系列钢框架足尺结构的火灾试验。一是对2棍H型截面单层单跨进行了火灾行