考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)的極限溫度分析

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1、第七屑全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)的極限溫度分析張樹(shù)義譚麗華遼寧科技大學(xué)(114051)．摘要：高溫環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)．需要考慮荷載和溫度效應(yīng)的聯(lián)合使用，尤其是截面存在扭矩的情況下。溫度的升高將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的降低。本文提出了一種彈性分析方}去預(yù)測(cè)有扭矩存在的條件下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限溫度。由于結(jié)構(gòu)的最后失效為塑性破壞．所以在計(jì)算中考慮了高溫環(huán)境中材料特性的變化。最后給出了高溫環(huán)境中考慮各種內(nèi)力和溫度聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)失效的計(jì)算方法，由此可以得出結(jié)構(gòu)的極限溫度。關(guān)鍵詞：極限溫度，扭轉(zhuǎn)．鋼結(jié)構(gòu)，屈服一、引言?xún)H年來(lái)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的分析，有限元法是主要的分析手段

2、之一。有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)是整各結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)力學(xué)模型來(lái)分析，其中包括高溫環(huán)境下的力學(xué)模型。許多鋼結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境下的應(yīng)力、變形分析是基于溫度增量方式進(jìn)行的43?！埃饕姆治鍪侄问鞘褂秒x散技術(shù)考慮靜力荷載和溫度效應(yīng)的共同作用，采用非線性力學(xué)模型進(jìn)行的“’”。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，討論高溫環(huán)境下構(gòu)件在雙向彎曲、軸力和扭矩的共同作用下．應(yīng)用以結(jié)構(gòu)塑-f生鉸出現(xiàn)為判據(jù)的分析方法，確定結(jié)構(gòu)最高容許溫度。二、常溫環(huán)境下考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)構(gòu)件的屈服判據(jù)在空間鋼結(jié)構(gòu)中，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是相當(dāng)顯著的。尤其是在結(jié)構(gòu)、荷載不對(duì)稱(chēng)的情況下。結(jié)構(gòu)的極限溫度足結(jié)構(gòu)在外荷載作用下能承受的最高溫度

3、，最合理的屈服判據(jù)是依據(jù)結(jié)構(gòu)一般塑性分析中塑性鉸的出現(xiàn)處。本文采用線性化的方法，應(yīng)用Mises判據(jù)。同時(shí)考慮到力學(xué)特性隨溫度的變化，應(yīng)用上述方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的。工程應(yīng)用中屈服判據(jù)經(jīng)常是采用Misee最大變形能理論。下列對(duì)于構(gòu)件屈服判據(jù)的推導(dǎo)是基于Hill和siebel的基本原理。推導(dǎo)中忽略了剪切效應(yīng)。該原理認(rèn)為由扭矩w產(chǎn)生的剪應(yīng)力滿足下列方程式WfW0計(jì)上式中w。為進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)的扭矩，f。為純剪狀態(tài)下的屈服應(yīng)力·類(lèi)似的，由彎矩Mx和My產(chǎn)生構(gòu)件截面的正應(yīng)力滿足下式里：』生：旦M。。MQy毋上式中的M。和M。分別為單軸彎曲極限狀態(tài)下塑性彎矩，oy為軸向屈服應(yīng)力。Mi

4、s∞屈服判據(jù)為1370(2)工業(yè)建筑2007增刊一一塑圭旦全墾墊垡笙塑三堡蘭查堡墮叁．一————●--_-—-_--●——_——-—●●___--_—_--——-——_●_————_—_-—-—_—_-——————_———__-一盯2+3f2=d；由此，在純剪狀態(tài)下失效需滿足勺。孝盯。由方程①一④．可得時(shí)+(去+新=，上式為帶有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的雙向彎矩作用下的構(gòu)件屈服判據(jù)·同理，對(duì)于雙向彎矩作用下并同時(shí)考慮軸力時(shí)的屈服判據(jù)可以寫(xiě)成如下上式中N。為單向壓力狀態(tài)下的極限力。考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，方程⑥可寫(xiě)成如下形式f絲+旦]：1叫，Mo，)由方程①②④和⑦得(州玎∞+去]麗=，(3)(

5、4)(5)(6)(7)(8)方程⑧為具有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)軸橫斷面的同時(shí)有軸力、扭矩和雙向彎曲作用的屈服判據(jù)方程t對(duì)于一般的橫斷面，考慮雙向彎曲、軸力和扭轉(zhuǎn)同時(shí)作用下的屈服判據(jù)方程可以寫(xiě)成如下簡(jiǎn)化形式降舟孚怯。剖=，由方程①②④和⑨，有rw、2，弋剝叫由此定義一個(gè)塑性勢(shì)函數(shù)如下．中=法+老+艫(黔·當(dāng)塑性勢(shì)函數(shù)中≤0時(shí)，構(gòu)件為彈性狀態(tài)，當(dāng)中=o時(shí)構(gòu)件處于屈服極限狀態(tài)。工業(yè)建筑2007增刊(9)(10)137lY卜耄l‰}生‰卜瀅亟口甜盟盯Ⅳ一‰+生‰，，●●●●，＼笙：蘭星全璺翌垡塹塑三型堂查里望壘三、高溫環(huán)境下構(gòu)件的屈服判據(jù)在溫度T狀態(tài)下，構(gòu)件的塑性彎矩M1DxMToY和塑性

6、扭矩w1D等依據(jù)環(huán)境溫度可以表述如下：M腳=中盯肘oxM珊=mrr肘雌Wro=中rr％．Ⅳ，o=中"Ⅳo．上式中。垂。為依據(jù)溫升的屈服限減少因子由∞卜_-09可以得出船+等+科+科嗚2IMoxMoyⅣoIIⅣI“四、靜荷載和溫度同時(shí)作用下的屈服判據(jù)在一定的環(huán)境溫度下．結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)可以分解成荷載效應(yīng)和溫度效應(yīng)a在方程中荷裁效應(yīng)，腳標(biāo)T代表溫度效應(yīng)。肘，(丁)=肼Ⅱ+MHM，(r)=肘砷+M巧Ⅳ(r)=^，。+ⅣT(12)(13)(14)(15)(16)腳標(biāo)L代表(17)(18)(19)w(丁)=耽+％(20)這里，假定結(jié)構(gòu)溫升均勻，各種力的計(jì)算是在常溫下進(jìn)行了。溫

7、度效應(yīng)的產(chǎn)生是由于熱膨脹所致，因而有溫度效應(yīng)產(chǎn)生的熱荷載如下B=毛^砷r、(21)m，：晏(r一瓦)E0(22)上式中PT為溫度升至T時(shí)產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，E0為常溫下鋼材的彈性模量，臥為溫度T時(shí)的彈性模量，A為構(gòu)件橫截面積，口為線脹系數(shù)，T0為結(jié)構(gòu)初始溫度，T為】環(huán)境溫度。因此，由于熱荷載在構(gòu)件巾產(chǎn)生的內(nèi)力可以表達(dá)如下MH=由TMa1372(23)工業(yè)建筑20盯增刊．：釜主旦全里堡垡絲塑王堡蘭查塹墮壘——Mn2轡TMqⅣr=巾rⅣf坼=垂r％上式中M“·肘。，Ⅳc和％是由于單位溫升嚴(yán)生的力教勝。將上述相關(guān)方程式代入方程0D可得．卜(魯+等+爿+瞧+等+