温度内力计算VIP专享VIP免费

3国家自然科学基金资助课题(编号:S9778032)。第一作者:蒋首超男1971年8月出生博士研究生收稿日期:20000320现代钢结构局部火灾下钢框架温度内力的实用计算方法3蒋首超李国强(同济大学建筑工程系上海200092)摘要:根据结构力学原理和方法,提出了一种计算局部火灾下钢框架温度内力的实用计算方法。该方法将钢框架中的杆件简化成带弹性杆端约束的单个构件,计算其在升温时的温度内力。通过与全过程反应分析所得的结果进行对比,表明该方法具有很好的精度。关键词:钢构件钢框架温度内力约束刚度局部火灾高温APRACTICALAPPROACHFORTHERMALFORCESOFSTEELFRAMESSUBJECTEDTOLOCALFIREJiangShouchaoLiGuoqiang(DepartmentofBuildingandStructuralEngineering,TongjiUniversityShanghai200092)Abstract:Basedonthephilosophyofstructuralmechanics,apracticalapproachisdevelopedforcalculatingthermalforcesinducedinmembersofsteelframessubjectedtolocalfire.Accordingtotheapproach,theconstrainingactionsofneighbouringmembersonthethermalelongationofagivenmemberaremodeledasspringswithequivalentconstraintfactors.Hence,thethermalforcesofmembersinsteelframessubjectedtolocalfirecanbeconvenientlydeterminedbyanalyzingthethermalforcesofanindependentmemberwithelasticends.Goodagreementsbetweentheresultsofthermalforcesobtainedfromoverallstructuralanalysisandfromtheproposedapproacharefoundthroughanumberofnumericalexamples.Keywords:steelmembersteelframethermalforceconstrainingstiffnesslocalfireelevatedtemperature进行结构的抗火设计时,需要计算结构在高温下的内力,目前主要通过对整个结构在高温下的全过程反应分析来求得。钢框架在火灾下的全过程反应分析方面的研究,国内目前已发展得比较成熟。然而,仅依靠对结构进行全过程反应分析来获得结构在高温下的内力,这种方法离实际应用还有一定的差距,这是因为:(1)目前国际上的结构抗火设计标准中的抗火设计方法均基于单个构件[1～3];(2)高温下的结构全过程反应分析是非线性的,计算量非常大,与常温下的结构反应计算量不是同一个数量级,而进行结构抗火设计时,往往要根据不同的温度分布对结构进行多次分析,每次都对结构进行全过程反应分析显然不现实;(3)目前已有的计算程序仅适于研究应用,尚无适合工程设计人员应用的抗火计算软件。因此,发展一种用于确定高温下结构构件内力的简单、可靠的实用方法具有重要意义。结构构件在高温下的内力由两部分组成,一部分是由结构所受的外荷载产生,另一65IndustrialConstruction2000,Vol130,No19工业建筑2000年第30卷第9期©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.部分则是由于构件温度升高时,其热膨胀变形受到约束而产生的温度内力。由于结构构件间的相互作用,超静定结构中构件的变形都要受到与之相连的构件的约束,构件在升温时的温度内力将与构件本身的刚度和它所受约束的大小有关。本文通过将钢框架中的构件简化成带弹性杆端约束的杆件的方法来计算其升温时的温度内力。构件杆端约束的大小与构件在钢框架中所处的位置,与之相连的构件的刚度大小等因素有关,本文将利用结构力学原理和方法,提出确定钢框架中构件杆端约束刚度的方法,并通过与对钢框架进行整体全过程反应分析的结果进行对比,验证该方法的可靠性。1梁端轴向变形约束刚度钢框架中梁在火灾下升温时,其轴向热膨胀变形受到的约束主要由与该层相连的柱列的抗侧刚度提供(图1)。当其它梁的轴向变形可忽略时,则梁端轴向约束刚度分别是梁两端的各柱列的抗侧刚度(包含柱端转动的影响)之和。由于实际工程中梁的轴向变形不可忽略,梁端的轴向约束刚度应小于各柱列的抗侧刚度之和,可用修正系数ψ来反映梁轴向变形的影响。根据结构力学原理导出梁一端的轴向约束刚度可按下式计算:K={[12+18(hi�ici+1-hi+1�ici)[2(�ici+�ici+1)+6ibi]hi+1]�icih2i+[12+18(hi+1�ici-hi�ici+1)[2(�ici+�ici+1)+6ibi]hi]�ici+1h2i+1}ψ(1)其中�ici=α1α3ici�ici+1=α2α4ici+1α1=14(1+3α)α2=14(1+3α′)α3=12...