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1、第22卷第2期宁波大学学报（理工版）Vol.22No.22009年6月JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)June2009文章编号:1001-5132（2009）02-0276-05火灾温度场下约束钢柱的结构响应分析1222王学夫,郑小尧,王新堂,丁勇（1.浙江省二建钢结构有限公司,浙江宁波315207;2.宁波大学建筑工程与环境学院,浙江宁波315211）摘要:假定火灾温度场为国际标准火灾曲线,考虑钢材热工参数的非线性及几何非线性对其热响应的影响,利用有限元方法计算分析了H型钢柱在不
2、同温度分布场下随温度变化的应力、位移等结构响应.研究结果表明:H型钢柱在均匀温度场下与非均匀温度场下的应力、位移等热响应的变化规律截然不同,且均匀温度场下的结构响应解相对偏小,因而在轴心受压钢柱的抗火设计中应考虑非均匀温度场实际情况对设计的影响,从而提出对现行抗火设计规范中假设均匀温度场的抗火设计要求及规定应进行适当的补充和完善.关键词:火灾温度场;H型钢柱;热响应中图分类号:TU352.5文献标识码:A相对于钢筋混凝土结构,钢结构在火灾高温非线性对其热响应的影响,通过有限元程序对H下,其强度和刚度等基本力学性
3、能都将迅速降低,型钢柱的热响应进行了数值模拟,得到了H型钢使得结构在较短时间内达到极限状态以至破坏.柱在不同温度分布场下的应力、位移等随温度变化有学者对温度非均匀分布时钢柱的临界温度进行的热响应.通过分析得到:H型钢柱在均匀温度场了研究,结果证明截面温度非均匀分布在某些情下与非均匀温度场下的应力、位移等结构响应的变况下对钢柱的承载力是不利的,因而对截面温度化规律截然不同,且均匀温度场下的结构响应解均匀分布的柱试验结果能否用于温度非均匀分布相对偏小,提出要在轴心受压柱的抗火设计中应的情况提出了置疑,即要求对温度非
4、均匀分布的考虑非均匀温度场实际情况对设计的影响,并对柱截面的抗火设计进行有限元分析.目前非均匀现行抗火设计规范中假设均匀温度场的抗火设计温度分布柱试验局限于完全屈服的破坏模式,还承载力和临界温度进行适当的折减.[1-2]需对易发生局部屈曲的细长柱作进一步的研究.[3-5]李国强等对高温下的钢材料特性变化、钢构件1基本理论温度场以及钢柱在不同荷载下的抗火计算与设计等方面做了大量的工作,并取得了重大研究成果.火灾时热空气向构件传热主要是通过辐射和作者采用国际标准火灾升温曲线作为已知的对流,而固体的构件内部传热则是热
5、传导.钢构件温度场,考虑了钢材热工参数的非线性以及几何温度场为无内热源三维瞬态温度场.根据傅立叶收稿日期:2008-10-23.宁波大学学报（理工版）网址：http://3xb.nbu.edu.cn基金项目:浙江省科技计划项目（面上重点）（2008C23013）;宁波市自然科学基金（2007A610060）.第一作者:王学夫（1969－）,男,浙江诸暨人,工程师,主要研究方向:钢结构与施工.E-mail:zejggbgs@mail.nbptt.zj.cn第2期王学夫,等:火灾温度场下约束钢柱的结构响应分析277
6、导热定律及热平衡原理可以得到钢构件导热微分元总数为2880个,在热传导分析中,采用8节点方程为:实体热传导单元.在热应力分析中,采用8节点实∂∂∂∂∂∂∂TTTTρλλλc=++()()(),体力学单元,有限元网格模型见图1.∂∂∂∂∂∂∂txxyyzz-3-1式中,ρ为介质密度,kg·m;c为比热,J·(℃·kg);-1λ为导热系数,W·(m·℃);T为t时刻的温度,℃.对流边界条件为:∂T−=−λα()TT.gcgb∂n辐射边界条件为:∂T44−=+−λϕεσ[(TT273)(+273)],grgb∂n2-
7、1式中,α为对流传热系数,W·(m·℃);ϕ为形状c系数,一般取1.0;ε为综合辐射系数,取0.5;σr−824-1为Stefan-Boltzmann数,σ=×5.6710,W·(m·K);T为空气温度,℃;T为构件表面(或保护层表面)图1有限元网图21.5m高度处截面的单元分布gb格划分与部分节点标号温度,℃.2.2非均匀温度场模拟钢材具有热胀冷缩的特性,在温度作用下会在非均匀温度场模拟中,分析热辐射和热对产生体积变化,产生热应变.当热应变受到约束不流共同作用的四面受火情况,并且考虑钢材物理能自由发展时,就产
8、生热应力.具体热应力分析的特性随温度变化引起的材料非线性,进行瞬态热[6]有限元可描述为:传导分析.假设火灾升温符合升温曲线,即TTBDBuVΔΔdd=+PBhTVΔ,(1)∫∫TVVTt=20345lg(2/15++1).g其中,ΔP为节点上的等效外力增量;DT为依赖于由于比热容Cs,导热系数λs随温度变化较大,温度的弹塑性矩阵,包含弹性变形和塑性变形的分别采用公式(2)[7]计算:
