钢曲杆在高温(火灾)环境下的力学性能分析

岳 锐，孙 强，郭 薇

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022）

钢曲杆在高温(火灾)环境下的力学性能分析

岳 锐，孙 强，郭 薇

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022）

高温（火灾）环境下大跨度钢曲杆力学性能会发生很大变化，本文根据钢结构、火灾学及力学基本理论，分别以三铰拱、两铰拱和无铰拱这三种形式为研究对象，提出了高温（火灾）环境下大跨度钢曲杆内力计算公式，分析了高温（火灾）下相关参数（线膨胀系数、结构温度、矢跨比、自重等）对大跨度钢曲杆承载性能的影响。研究表明：随着钢曲杆线膨胀系数增大、温度升高、自重增大，钢曲杆的内力增大，钢曲杆承载性能逐渐减小，并通过算例验证了所提方法的正确性，提出了在实际工程中如何提高钢曲杆承载性能的相关措施，可为大跨度钢曲杆抗火设计与分析提供参考。

钢曲杆；高温（火灾）；承载性能；变形性能；力学特性

0 引 言

目前，大跨度钢拱结构得到广泛的应用，与一般使用的钢结构相比，此类型结构在同等条件下具有强度更高，重量更轻，制作更方便，以及可回收利用等优点，然而当火灾发生时，可对大跨度钢拱造成严重的破坏，因而对其进行抗火设计研究十分必要。目前国内外研究者对大跨度钢曲杆进行了一些研究和探索，李加雷研究了钢拱结构在高温下的稳定性变化问题,对于火灾高温下大曲率两铰圆弧钢拱的平面内稳定及临界荷载的变化，给出了高温下两铰圆弧钢拱的平面内稳定临界荷载的计算表达式,分析了其随火灾温度的变化规律[1]；熊仲明以46.5 m 大跨度弧形钢拱结构实际工程为背景，基于有限元ANSYS软件分别建立了单榀钢拱及整体结构的有限元模型，并进行了特征值屈曲分析和几何非线性分析，找出了单榀结构和整体结构的屈曲模态，研究了缺陷对单榀结构和整体结构的敏感程度[2]；国内外专家学者对大跨度钢拱的承载性能进行了相关研究[3]-[11]，但对于高温（火灾）下大跨度钢曲杆的承载性能研究较少。本文根据火灾科学理论、钢结构及力学原理，根据钢曲杆在高温（火灾）下有可能产生的灾害情况，分析了不同参数对三铰拱、两铰拱、无铰拱力学特性的影响，并以实例进行说明，从而提出了如何提高钢曲杆承载性能的相关措施。

1 三铰拱内力与变形分析

1.1 三铰拱静力分析

三铰拱形式的钢曲杆是一种分为带拉杆与不带拉杆的静定结构[11]。本文采用无拉杆钢曲杆进行内力分析，并将其与简支梁内力分析进行比较，来分析该类型钢曲杆受力特性。图1为钢曲杆受力分析图，根据力的平衡原理可得钢曲杆内力分别为：

1.2 三铰拱变形受温度影响分析

对三铰拱形式的钢曲杆而言，高温（火灾）并不会引起内力的改变，但受温度影响材料膨胀系数的改变则会造成结构发生一定程度的位移变形。

（2）式为高温（火灾）对钢曲杆位移变形的影响公式。计算时需对钢曲杆全长积分并计算总和。其中α为线膨胀系数α=0.8×10-8(T-20) +1.2×10-5。

根据（2）式分析得出静定钢曲杆受温度(0℃≤Ts≤600℃)影响的位移变化，见图2所示。

图1 三铰拱受力分析图

图2 钢曲杆变形与温度的关系

从图2可以看出，钢曲杆K截面处的位移随温度的增加而增加，成正对应关系，但由图中数值可看出变化非常小，因此温度对静定钢曲杆变形的影响在无附加外力作用时几乎可忽略不计。

2 不同参数对两铰拱、无铰拱力学性能的影响

2.1 温度变化与结构变形的关系

对于两铰拱形式的钢曲杆，在不受外荷载作用，由其他影响因素的变化而产生的结构内力。其中，结构在温度变化情况下产生的自内力，可按如下力法进行求解。如图3所示，根据力法基本原理以及钢曲杆受温度变化的变形协调条件，得出钢曲杆的内力计算公式：

对于无铰拱形式的钢曲杆，其受力分析如图4所示，根据力法基本原理以及钢曲杆受温度变化的变形协调条件，得出钢曲杆的内力计算公式:

式中，f—指钢曲杆的高度；

l—指钢曲杆的高度和跨度；

X—表示对钢曲杆任意截取一点的长度；

q—是作用在钢曲杆上的均布荷载；

EI—是钢曲杆的抗弯刚度；

∆1t—指温度变化在基本体系中沿X1方向产生的位移

图3 钢曲杆基本结构

图4 钢曲杆内力分析图

2.2 不同参数对钢曲杆力学性能的影响

算例：钢拱结构中拱形部分采用等截面圆钢管E1=E2=2.06×108kN/m²，圆钢管外径D=203 mm，内径d=191 mm，圆钢管截面面积A1=3711.48 m²,钢拱截面的惯性矩I1=1803.07 cm4。将各使用参数分别代入公式，只保留所需参数和内力为未知值，来进行分析各参数对承载力的影响。

其中：考虑矢跨比的影响参数：

考虑荷载的影响参数：

根据算例所给出的参数，结合式（3）分析得出图5、图6、图7，同理结合式（4）分析得出图8、图9、图10。

图5矢跨比不同时α与N对比图

图6温度T与内力N的关系图

图7矢跨比不同时q与N对比图

图8 矢跨比不同时α与内力N的关系图

图9 温度T与内力N的关系图

图10 矢跨比不同时q与N的关系图

由图5至图10分析可知：

（1）当钢曲杆温度T为定值，随着矢跨比 / fl增大，构件内力减小，则钢曲杆承载能力降低；随着热膨胀系数增大，构件内力也就增大，则相应钢曲杆承载能力增大。

（2）当钢曲杆在外荷载q为定值，随着外界环境温度T升高，其构件内力随之增大，钢曲杆承载能力随之增大。

（3）构件内力N随着自重力q增加而增大，矢跨比f/l较小，其构件内力增加的速度较矢跨比大的快，即结构更容易出现失稳情况。

（4）两铰拱和无铰拱两种形式的钢曲杆在相同工况条件下，后者的承载性能优于前者。

3 结语

本文从影响钢曲杆稳定性能的参数如钢曲杆矢跨比、热膨胀系数和温度等出发，选择三铰拱、两铰拱、无铰拱三种钢曲杆形式进行内力分析，推导出钢曲杆内力和变形与温度等影响因素有关的计算公式，并分析了相关参数对钢曲杆力学特征的影响，得出以下主要结论和建议：

（1）钢曲杆在温度变化值一定时，随着钢曲杆热膨胀系数增大，曲杆内力就增大，则相应的钢曲杆承载能力越低。在选择钢材种类时应注意选择热膨胀系数相对较小的钢种。

（2）钢曲杆在外荷载为定值时，随着外界环境温度升高，其钢曲杆内力随之增大，则相应的钢曲杆承载能力越低。通常情况下结构外界环境温度过高非常不利于结构承载性能。

（3）当钢曲杆矢跨比不同时，构件内力不仅随着构件外荷载增加而降低，也受其大小的影响，矢跨比较小的，其内力增加的速度较矢跨比大的快，即结构更容易出现失稳情况，所以设计时更应注意矢跨比的合理选择。

（4）两铰拱和无铰拱两种形式的钢曲杆在相同工况条件下，后者的力学性能优于前者，为以后钢曲杆在高温（火灾）条件下研究提供了参考。

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[12]龙驭球,包世华.结构力学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

国家重点基础研究发展计划项目（2012CB719703）, 安徽高校省级自然科学研究重大项目（KJ2014ZD06），安徽省自然科学基金（1408085QE96）。

岳锐（1990-），硕士生，主要研究方向为钢结构优化设计研究与应用。