考虑扭转效应钢结构的极限温度分析

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1、第七屑全国现代结构工程学术研讨会考虑扭转效应钢结构的极限温度分析张树义谭丽华辽宁科技大学(114051)．摘要：高温环境下钢结构构设计．需要考虑荷载和温度效应的联合使用，尤其是截面存在扭矩的情况下。温度的升高将导致结构构件承载能力的降低。本文提出了一种弹性分析方}去预测有扭矩存在的条件下结构构件的极限温度。由于结构的最后失效为塑性破坏．所以在计算中考虑了高温环境中材料特性的变化。最后给出了高温环境中考虑各种内力和温度联合作用下的结构失效的计算方法，由此可以得出结构的极限温度。关键词：极限温度，扭转．钢结构，屈服一、引言仅年来，对于钢结构的分析，有限元法是主要的分析手段

2、之一。有限元法的主要优点是整各结构可以作为一个力学模型来分析，其中包括高温环境下的力学模型。许多钢结构高温环境下的应力、变形分析是基于温度增量方式进行的43。‘“．主要的分析手段是使用离散技术考虑静力荷载和温度效应的共同作用，采用非线性力学模型进行的“’”。本文在前人工作的基础上，讨论高温环境下构件在双向弯曲、轴力和扭矩的共同作用下．应用以结构塑-f生铰出现为判据的分析方法，确定结构最高容许温度。二、常温环境下考虑扭转效应构件的屈服判据在空间钢结构中，扭转效应对结构的影响是相当显著的。尤其是在结构、荷载不对称的情况下。结构的极限温度足结构在外荷载作用下能承受的最高温度

3、，最合理的屈服判据是依据结构一般塑性分析中塑性铰的出现处。本文采用线性化的方法，应用Mises判据。同时考虑到力学特性随温度的变化，应用上述方式对结构进行分析的。工程应用中屈服判据经常是采用Misee最大变形能理论。下列对于构件屈服判据的推导是基于Hill和siebel的基本原理。推导中忽略了剪切效应。该原理认为由扭矩w产生的剪应力满足下列方程式WfW0计上式中w。为进入塑性状态时的扭矩，f。为纯剪状态下的屈服应力·类似的，由弯矩Mx和My产生构件截面的正应力满足下式里：』生：旦M。。MQy毋上式中的M。和M。分别为单轴弯曲极限状态下塑性弯矩，oy为轴向屈服应力。Mi

4、s∞屈服判据为1370(2)工业建筑2007增刊一一塑圭旦全垦垫垡笙塑三堡兰查堡堕叁．一————●--_-—-_--●——_——-—●●___--_—_--——-——_●_————_—_-—-—_—_-——————_———__-一盯2+3f2=d；由此，在纯剪状态下失效需满足勺。孝盯。由方程①一④．可得时+(去+新=，上式为带有扭转效应的双向弯矩作用下的构件屈服判据·同理，对于双向弯矩作用下并同时考虑轴力时的屈服判据可以写成如下上式中N。为单向压力状态下的极限力。考虑扭转效应，方程⑥可写成如下形式f丝+旦]：1叫，Mo，)由方程①②④和⑦得(州玎∞+去]丽=，(3)(

5、4)(5)(6)(7)(8)方程⑧为具有两个对称轴横断面的同时有轴力、扭矩和双向弯曲作用的屈服判据方程t对于一般的横断面，考虑双向弯曲、轴力和扭转同时作用下的屈服判据方程可以写成如下简化形式降舟孚怯。剖=，由方程①②④和⑨，有rw、2，弋剥叫由此定义一个塑性势函数如下．中=法+老+舻(黔·当塑性势函数中≤0时，构件为弹性状态，当中=o时构件处于屈服极限状态。工业建筑2007增刊(9)(10)137lY卜耄l‰}生‰卜滢亟口甜盟盯Ⅳ一‰+生‰，，●●●●，＼笙：兰星全璺翌垡堑塑三型堂查里望垒三、高温环境下构件的屈服判据在温度T状态下，构件的塑性弯矩M1DxMToY和塑性

6、扭矩w1D等依据环境温度可以表述如下：M脚=中盯肘oxM珊=mrr肘雌Wro=中rr％．Ⅳ，o=中"Ⅳo．上式中。垂。为依据温升的屈服限减少因子由∞卜_-09可以得出船+等+科+科呜2IMoxMoyⅣoIIⅣI“四、静荷载和温度同时作用下的屈服判据在一定的环境温度下．结构构件的受力状态可以分解成荷载效应和温度效应a在方程中荷裁效应，脚标T代表温度效应。肘，(丁)=肼Ⅱ+MHM，(r)=肘砷+M巧Ⅳ(r)=^，。+ⅣT(12)(13)(14)(15)(16)脚标L代表(17)(18)(19)w(丁)=耽+％(20)这里，假定结构温升均匀，各种力的计算是在常温下进行了。温

7、度效应的产生是由于热膨胀所致，因而有温度效应产生的热荷载如下B=毛^砷r、(21)m，：晏(r一瓦)E0(22)上式中PT为温度升至T时产生的荷载效应，E0为常温下钢材的弹性模量，卧为温度T时的弹性模量，A为构件横截面积，口为线胀系数，T0为结构初始温度，T为】环境温度。因此，由于热荷载在构件巾产生的内力可以表达如下MH=由TMa1372(23)工业建筑20盯增刊．：釜主旦全里堡垡丝塑王堡兰查堑堕垒——Mn2辔TMqⅣr=巾rⅣf坼=垂r％上式中M“·肘。，Ⅳc和％是由于单位温升严生的力教胜。将上述相关方程式代入方程0D可得．卜(鲁+等+爿+瞧+等+