基于Q235鋼的驟然升溫公式定義解析

李先鐸

摘要：溫度升溫作用作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要考慮因素，對鋼結(jié)構(gòu)的影響是不可以忽略的，通過有限元模擬軟件對結(jié)構(gòu)升溫進(jìn)行相關(guān)模擬及分析，以Q235鋼的屈服強(qiáng)度為界限，通過改變溫度及溫度作用的時(shí)間，來定義Q235鋼的溫度驟然升溫公式，并且進(jìn)行相應(yīng)的解析，通過實(shí)例驗(yàn)證，證明有限元分析的可行性。為將來鋼構(gòu)件在炎熱地區(qū)設(shè)計(jì)，提供這方面的基礎(chǔ)資料。

關(guān)鍵詞：溫度作用驟然升溫?cái)?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TG17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1672-3791（2022）05（a）-0000-00

Definition and Analysis of Sudden Temperature Rise Formula Based on Q235 Steel

LI Xianduo

（Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous Region，830000China）

Abstract： As a necessary consideration in structural design， the effect of temperature rise on steel structure can not be ignored. The structural temperature rise is simulated and analyzed by finite element simulation software. Taking the yield strength of Q235 steel as the limit， the formula of sudden temperature rise of Q235 steel is defined and analyzed by changing the temperature and the time of temperature action， The feasibility of finite element analysis is proved by an example. This paper provides basic data for the design of steel members in hot areas in the future.

Key Words：Temperature effect; Sudden rise of temperature; Numerical simulation; Experimental verification

部分學(xué)者研究極端溫度作用下鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，馮程遠(yuǎn)[1]基于平面鋼框架在單柱受火條件下的倒塌試驗(yàn)，提出了適用于火災(zāi)下鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌模擬的鋼材高溫應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型和熱膨脹系數(shù)模型的建議。游穎[2]建立有限元模型，得出溫度變化對應(yīng)力及變形的變化規(guī)律。劉俊[3]提出溫度作用應(yīng)考慮年溫度作用、日照溫度作用以及不同位置構(gòu)件的溫度差異。趙九峰[4]確定溫度載荷對摩天輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)際影響。

大部分學(xué)者研究溫度作用對大型鋼結(jié)構(gòu)的影響，比如應(yīng)力集中、位移、力學(xué)性能等，雖然這些相關(guān)研究是關(guān)于溫度對鋼結(jié)構(gòu)的影響，但是關(guān)于溫度驟然升降作用本身以及在其作用下結(jié)構(gòu)行為的研究較少。該文從鋼棒兩端固結(jié)產(chǎn)生溫度應(yīng)力的角度出發(fā)，研究溫度及溫度作用時(shí)間對鋼結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力影響。

1基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的有限元分析

陳適才[5]采用縮尺模型表明結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)相似模型具有較好的合理性和準(zhǔn)確性，承載力與穩(wěn)定性也滿足相似模型。該文選用1m長，直徑10cm，Q235鋼。兩端固結(jié)為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，模型如圖1所示，采用給一端面加熱方式給構(gòu)件加熱，此加熱方式符合鋼構(gòu)件在室外工作兩端溫度不同。運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析，有限元軟件設(shè)置Q235鋼，環(huán)境，時(shí)間相關(guān)參數(shù)[6]。通過改變溫度和作用時(shí)間這兩個(gè)相關(guān)變量來定義出基于Q235鋼的溫度驟然升溫的定義。

2數(shù)值模擬

運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行有限元模擬分析，通過改變溫度和作用時(shí)間這兩個(gè)相關(guān)變量，以構(gòu)件的屈服強(qiáng)度為界限，得到了下列初始溫度不同，溫度升溫變化時(shí)間與變化后溫度的關(guān)系，如圖2，將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析處理[7]，得到數(shù)據(jù)擬合圖，如圖3所示。擬合結(jié)果表明擬合成功。

通過數(shù)據(jù)擬合，得到各個(gè)初始溫度在升溫，構(gòu)件達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)溫度與所用時(shí)間的公式。

y1=69X-0.075? ? y2=68X-0.073? ? ? y3=67X-0.074 y4=66X-0.074? ? ? y5=65X-0.072? ? ? ?y6=63X-0.069

y1為初始溫度0℃時(shí)，以構(gòu)件的屈服強(qiáng)度為界限，溫度作用時(shí)間改變，達(dá)到構(gòu)件屈服強(qiáng)度時(shí)的溫度值。同理y2為初始溫度10℃時(shí)，y3為初始溫度20℃時(shí)，y4為初始溫度30℃時(shí)，y5為初始溫度40℃時(shí)，y6為初始溫度50℃時(shí)。

擬合公式數(shù)值，與原始數(shù)據(jù)對比，通過數(shù)學(xué)方法分析擬合公式?？梢缘玫焦結(jié)=A*X^B。

A值：是構(gòu)件初始溫度不同，一分鐘內(nèi)溫度上升達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)的溫度值。

B：約等于-0.07。

X：時(shí)間。

Y：時(shí)間變化后構(gòu)件達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)的溫度值。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 鋼構(gòu)件的監(jiān)測儀器

為驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性，現(xiàn)做實(shí)驗(yàn)用以驗(yàn)證理論分析的可行性[8]。選擇DH5925N便攜式動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，儀器可以設(shè)置Q235鋼相關(guān)參數(shù)，DH5925N便攜式動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀可以同時(shí)采集溫度及應(yīng)力。

3.2 鋼構(gòu)件的監(jiān)測方案

該項(xiàng)目采用均質(zhì)材料Q235鋼兩端固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式作為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，采用硅膠加熱片作為熱源給構(gòu)件一側(cè)進(jìn)行加熱，通過硅膠加熱片來給設(shè)備進(jìn)行加熱，通過改變硅膠加熱片的溫度，用以控制鋼構(gòu)件的升溫時(shí)間，來達(dá)到控制溫度上升的速率。在溫度變化下，結(jié)構(gòu)兩端受到約束，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，鋼棒包裹巖棉板防止熱量散失。溫度傳感器及應(yīng)變片分別布置到溫度升溫側(cè)，溫度升溫邊側(cè)，1/4側(cè)，2/4側(cè)，3/4側(cè)。設(shè)置溫度升溫側(cè)為A區(qū)，溫度升溫邊側(cè)為B區(qū)，1/4側(cè)為C區(qū)，2/4側(cè)為D區(qū)，3/4側(cè)為E區(qū)。

3.3 監(jiān)測值與理論值的對比分析

以1500S溫度從22℃升溫到45.67℃，2400S溫度從22℃升溫到49.84℃，有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

最大誤差為A區(qū)，不超過15%，且A區(qū)直對硅膠加熱片，對精度影響很大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元分析的可行性。

4結(jié)語

通過有限元模擬得到了基于Q235鋼的驟然升溫公式定義Y=A*X^B，并且解釋了相關(guān)參數(shù)的來源及取值。該定義以鋼構(gòu)件的屈服強(qiáng)度為界限，分析了升溫情況，構(gòu)件在何種溫度及作用時(shí)間下，構(gòu)件達(dá)到了屈服強(qiáng)度，并且運(yùn)用實(shí)例驗(yàn)證，驗(yàn)證了理論分析的可行性。

參考文獻(xiàn)

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[2]游穎，張澤濤，王君，等.考慮溫度影響的空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形變化規(guī)律[J].空間結(jié)構(gòu)，2020，26（4）：58-63.

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