高温条件下钢结构的
应力一温度一应变的关系
口上海伊腾建筑设计有限公司张燕星邓芝娟
钢材虽为非燃烧材料.但钢材不耐火,温度400。C时,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半.温度达到600。C时.钢材基本丧失全部强度和刚度。因此,当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏。高温下钢材力学性能模型的建立及其如何应用是进行结构抗火分析的关键和基础.对分析结果起着决定性的作用。近十年来,国内外学者对不同钢材的高温材料力学性能进行了研究.并取得很大进展。国内外对高温下钢材材料力学性能的研究主要包括两个方面:高温下钢材的应力一应变关系和高温下结构钢材料的各项力学性能如屈服强度、弹性模量等随温度变化的模型.但这些研究仅局限于恒温加载或恒载加温两种路径下钢材各项力学性能参数随温度变化的模型。实际火灾过程中钢结构的内力和温度随时问不断变化,结构抗火分析中应考虑不同应力一温度路径下钢材的应力一温度一应变三者的耦合关系。
高温下钢材的材料特性
国内外学者在对钢结构在高温下的力学性能已经进行了很多系统的试验研究。尤其是在国外,主要是以试验结果为基础,许多国家和地区的结构抗火设计规范或规定中都规定了自己的高温材性模型,如ECCS(欧洲钢结构协会)模型、英国规范BSI(British
Standards
Institution)模型、欧洲标准委员会CEN模型、澳大利亚AS4100等。
1、应力一应变关系
试验结果表明,当钢的温度在250。C以下时.钢的弹性模量和强度变化不大:当温度超过250。C时.即发生所谓的“塑性流动”.超过300。C后.应力一应变关系曲线就没有明显的屈服极限和屈服平台.强度和弹性模量明显减小。
高温下钢构件的总应变占包括三部分:由应力产生的瞬时应变s。.蠕变占rr和由于热膨胀产生的应变s舢
£:£口七scr十s恤t、、
、I,
总应变与应力过程和升温过程有关,当构件的升温速度在5~50。C/分钟范围且构件的温度不超过600。C时.蠕变较小.一般将蠕变包括在s。中一起考虑.而不另外考虑蠕变的影响,因而也不考虑应力过程和升温过程对总应变的影响。否则,蠕变的影响要单独考虑。这里所说的应力一应变关系实际上是指应力口和由应力产生的应变s。之间的关系。
ECCS给出了低碳钢各温度下的应力一应变曲线.如图(1)2、钢材屈服强度随温度变化的规律
由于高温下钢的应力一应变关系曲线没有明显的屈服极限和屈
76
l
万方数据
服平台.高温下钢的屈服强度如何确定.现在国际上也没有一致的认识。ECCS采用应变为05%时的应力为屈服应力.而英国规范则分别给出了应变为0.5%、15%、20%时的应力,根据保护层对结构变形的要求分别采用。
ECCS给出的高温下结构钢的屈服强度公式为:
川1+—767In—(LT/1750)M。
o”_<600。C
,2谱%。6000“I-<1000。c(3)
(21
108(1一一二L、
5、钢材弹性模量随温度变化的规律
关于钢材弹性模量与温度的关系,ECCS建议采用的方案为:
等=一17.2×10‘12F+11
8×104F一34.5×10。F+15.9×10’5I+l
Osl≤600。C
f41
式中:E——常温下的弹性模量,N/ram2;
E.——温度为TS时的初始弹性模量.N/mm2。
高温条件下钢材的应力一应变一温度三者关系
在实际火灾中,燃烧温度将受火荷载密度、通风条件、主动防火措施实施等一系列因素的影响,在燃烧过程中随时出现降温段从而导致结构构件的温度出现变化。另外,受到火灾中结构内力重分布的影响,杆件截面内力必然出现加载或卸载现象,研究结果表明:高温下钢材力学性能模型的确定对结构抗火分析结果有较大影响,特别是对于单个构件分析影响程度更大。因此.在高温条件下,研究不同应力一温度路径下钢材的应力一温度一应变三者关系具有非常重要的意义。
1、试验结果分析
,
本文基于所进行的试验得出的部分原始数据,结合ECCS所给
出的各温度下的屈服强度,取05%0为极限应变的情况下,在满足非线性分析及编制计算机程序需要的情况下.选用了三种路径下的应力一应变一温度三者的原始试验数据.根据最/j\-乘法原理对试验数据进行拟合,分别得到Q235钢在升温恒载、升温加载、升温降载三种基本应力一温度路径下的本构关系表达式,表达式统一用仃=f(s,T)来表示。
2试验数据的回归分析(1)公式的拟合
在以上经验公式的基础上.给出了三种加载路径拉压状态下的拟合公式:
口=a+b’r+c+£+d+r
2+P‘£2+f‘f。r+g+丁3+h’s3
3+l‘f
2’r+,+#+r
20。C≤T≤600。C(5)
其中,8.b.C.d.e,f,g.h,1.j为回归系数。各种不同加载路径采用统一的拟合公式。试验原始数据比较多由于篇幅关系这里不具体
给出。
本文采用最小二乘法原理对试验数据进行数值拟合,并编制了Matlab及VB的计算机程序.回归得到的各种路径下的回归系数见
表1。
表1.三种路径下拟合公式的回归系数
(2)三种路径下的相关系数
依据对试验数据的回归分析,得到了三种荷载路径下公式(5)的相关系数.如表2。
表2.三种路径下拟合公式的相关系数
(3)不同应力一温度路径下理论模型与试验数据的比较与分析对以上试验及分析得到的相关数据用三维图像进行绘制,并对三种路径下的理论模型与试验数据做了比较,见图(2)、(3)、(4)。
将图(2),(3)、(4)与ECCS所提供的模型图(1)对比.发现试验中同一温度下对应于相同应力的应变值,ECCS的应变与升温恒载路径下的应变基本吻合,升温恒载路径下的应变略小于升温加载路径下的应变,升温加载路径下的应变略小于升温降载路径下的应变。分析认为钢材应变受到当时应力、温度的耦合作用.应变的大小与其加、卸载过程有关,同时在进行试验的过程中,应变速率的控制也是影响应变大小的一个主要原因.这样使得钢材达到其屈服强度时的应变要比ECCS模型的应变大。而升温加载、升温降载路径这两种路径下的应力一应变曲线的不同,除了上述两个因素外,
万方数据
还有该试验进行时,所连用的工况一般为先加载.后卸载,升温降载路径必然累积了升温加载路径下的一些残余变形,导致升温降载路径下的应变比升温加载路径下的应变略大。
不同的应力及温度路径下的本构关系表达式
因为钢材的应力一应变关系与其经历的应力一温度历史有关时,结构抗火分析中的高温材性模型应采用增量形式。由试验数据可知在不同应力一温度路径下,钢材的应力一应变关系一开始就表现为非线性关系.该关系也可定义为热非弹性关系,把上面得到的不同应力一温度路径下的本构关系表达式进行微分得到:
d叮:笪ds+笠dT
as
瓠
(6)
(下转p83
77
张拉过程中,两端上油同步进行.上油时缓慢、平稳进行。张拉时,张拉设备由专业人员进行操作。张拉完毕后.随即压浆,以不超过24小时为宜。压浆顺序,先下后上。由最低的压浆孔压入.孑L道压浆做到使孔道内的空隙完全充满。压浆以排气孔出浆~定数量的浓稠砂浆为准,保持压浆压力06—07MPa,一分钟后,关闭阀口。
信息化施工和应力分析
在施工过程中,对每一阶段钢桁架的变形进行了监测.并将数据及时反馈给设计人员.做到信息化施工。在第二次浇筑混凝土前.将钢桁架
时.前次浇捣的混凝土不出现裂缝是保证施工质量的关键。箱梁底模的预拱度计算考虑了钢桁架的弹性变形和接头承压的非弹性变形。
和第一次浇筑的箱梁作为一联钢与混凝土的迭合梁进行了有限的分析.通过计算分析得知.在第二次混凝土浇筑时,在第一次浇筑的混凝土梁内产生的应力不会引起混凝土的开裂,确保了预应
预应力张拉施工
箱梁预应力张拉全部采用后张法。预应力张拉采用分批分段对角对称同时张拉方案。梁体混凝土强度值达到100%、并且混凝土龄期达到15天后进行张拉。箱梁张拉控制应力取0
75RYB=1
力箱梁的施工质量。
高架城市轨道交通经常采用预应力箱型桥梁.在跨越河道的箱型桥梁施工时,由于通航或不断流的要求,必须搭设跨河钢平台以支撑模板支架。本文介绍了某跨河预应力箱梁跨河钢桁架平台的搭设方法。针对预应力箱梁的模板制作、预应力筋铺设、混凝土浇筑和预应力张拉等关键施工工艺进行了阐述。最后通过应力分析和信息化施工技术确保了跨
395MPa。初始张拉力
以O1盯k为初始应力,在千斤顶初始应力时记录初始伸长
量.张拉应力控制阶段从0—01口k一1.0仃k稳定5分钟后锚夹片。
河预应力箱梁的施工质量。亡吖
(上接p81)
记黼)=善州盯)=等
dS
dl
g(6,T)=c+2幸P幸占+Jr+丁+3。h‘占2+2・f+占+T+j*T2
(7
(10
把(6)式代入(7)式得
g(6,T)、^(占,T)中的系数见表(1)。
丹(占,T)=b+2+d+,+f4£+3奉g奉T2+i‘占2+2‘j*c奉丁
(11)
d仃=g(E,T)dc+d仃o
其中
f8
钢结构抗火设计是钢结构设计的一项重要内容,高温下钢材力学性能模型的建立及其如何应用,又是进行结构抗火分析的关键和
do"o=h(c,丁)d丁
基础,对分析结果起着决定性的作用。国内外对高温下钢材力学性
(9
能的研究,主要考虑恒温加载和恒载加温两种路径,而这与实际火灾过程中钢结构的内力和温度随时间不断变化的事实不符.本文在
do"0反应了由于温度变化d丁所引起得应力增量。式(6)称为热非弹性应力一应变增量关系式。
由于三种路径都选用同一形式的拟合公式.可得到高温下的钢材本构关系表达式为
此基础上还考虑高温下加卸载过程的材性的变化,通过试验及数值拟合得到不同应力一温度路径下钢材的应力一温度一应变三者的本构关系,对今后钢结构抗火的研究提供参考和依据,以使钢结构
的抗火设计做到更加经济.安全、有效。匕量丌一
万方数据
I
79
高温条件下钢结构的应力-温度-应变的关系
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张燕星, 邓芝娟
上海伊腾建筑设计有限公司
建设科技
CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY2005,""(16)1次
引证文献(1条)
1.肖春平.韩晓林.李爱群.杜东升.曹忠明.赵肇.季新强.毛爱玲.石振仓 复杂环境下动态应变测试的若干问题研究[期刊论文]-钢结构 2006(6)
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jskj200516038.aspx授权使用:燕山大学(ysdx),授权号:25757f75-bbee-46a0-93d6-9e6300999396
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高温条件下钢结构的
应力一温度一应变的关系
口上海伊腾建筑设计有限公司张燕星邓芝娟
钢材虽为非燃烧材料.但钢材不耐火,温度400。C时,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半.温度达到600。C时.钢材基本丧失全部强度和刚度。因此,当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏。高温下钢材力学性能模型的建立及其如何应用是进行结构抗火分析的关键和基础.对分析结果起着决定性的作用。近十年来,国内外学者对不同钢材的高温材料力学性能进行了研究.并取得很大进展。国内外对高温下钢材材料力学性能的研究主要包括两个方面:高温下钢材的应力一应变关系和高温下结构钢材料的各项力学性能如屈服强度、弹性模量等随温度变化的模型.但这些研究仅局限于恒温加载或恒载加温两种路径下钢材各项力学性能参数随温度变化的模型。实际火灾过程中钢结构的内力和温度随时问不断变化,结构抗火分析中应考虑不同应力一温度路径下钢材的应力一温度一应变三者的耦合关系。
高温下钢材的材料特性
国内外学者在对钢结构在高温下的力学性能已经进行了很多系统的试验研究。尤其是在国外,主要是以试验结果为基础,许多国家和地区的结构抗火设计规范或规定中都规定了自己的高温材性模型,如ECCS(欧洲钢结构协会)模型、英国规范BSI(British
Standards
Institution)模型、欧洲标准委员会CEN模型、澳大利亚AS4100等。
1、应力一应变关系
试验结果表明,当钢的温度在250。C以下时.钢的弹性模量和强度变化不大:当温度超过250。C时.即发生所谓的“塑性流动”.超过300。C后.应力一应变关系曲线就没有明显的屈服极限和屈服平台.强度和弹性模量明显减小。
高温下钢构件的总应变占包括三部分:由应力产生的瞬时应变s。.蠕变占rr和由于热膨胀产生的应变s舢
£:£口七scr十s恤t、、
、I,
总应变与应力过程和升温过程有关,当构件的升温速度在5~50。C/分钟范围且构件的温度不超过600。C时.蠕变较小.一般将蠕变包括在s。中一起考虑.而不另外考虑蠕变的影响,因而也不考虑应力过程和升温过程对总应变的影响。否则,蠕变的影响要单独考虑。这里所说的应力一应变关系实际上是指应力口和由应力产生的应变s。之间的关系。
ECCS给出了低碳钢各温度下的应力一应变曲线.如图(1)2、钢材屈服强度随温度变化的规律
由于高温下钢的应力一应变关系曲线没有明显的屈服极限和屈
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万方数据
服平台.高温下钢的屈服强度如何确定.现在国际上也没有一致的认识。ECCS采用应变为05%时的应力为屈服应力.而英国规范则分别给出了应变为0.5%、15%、20%时的应力,根据保护层对结构变形的要求分别采用。
ECCS给出的高温下结构钢的屈服强度公式为:
川1+—767In—(LT/1750)M。
o”_<600。C
,2谱%。6000“I-<1000。c(3)
(21
108(1一一二L、
5、钢材弹性模量随温度变化的规律
关于钢材弹性模量与温度的关系,ECCS建议采用的方案为:
等=一17.2×10‘12F+11
8×104F一34.5×10。F+15.9×10’5I+l
Osl≤600。C
f41
式中:E——常温下的弹性模量,N/ram2;
E.——温度为TS时的初始弹性模量.N/mm2。
高温条件下钢材的应力一应变一温度三者关系
在实际火灾中,燃烧温度将受火荷载密度、通风条件、主动防火措施实施等一系列因素的影响,在燃烧过程中随时出现降温段从而导致结构构件的温度出现变化。另外,受到火灾中结构内力重分布的影响,杆件截面内力必然出现加载或卸载现象,研究结果表明:高温下钢材力学性能模型的确定对结构抗火分析结果有较大影响,特别是对于单个构件分析影响程度更大。因此.在高温条件下,研究不同应力一温度路径下钢材的应力一温度一应变三者关系具有非常重要的意义。
1、试验结果分析
,
本文基于所进行的试验得出的部分原始数据,结合ECCS所给
出的各温度下的屈服强度,取05%0为极限应变的情况下,在满足非线性分析及编制计算机程序需要的情况下.选用了三种路径下的应力一应变一温度三者的原始试验数据.根据最/j\-乘法原理对试验数据进行拟合,分别得到Q235钢在升温恒载、升温加载、升温降载三种基本应力一温度路径下的本构关系表达式,表达式统一用仃=f(s,T)来表示。
2试验数据的回归分析(1)公式的拟合
在以上经验公式的基础上.给出了三种加载路径拉压状态下的拟合公式:
口=a+b’r+c+£+d+r
2+P‘£2+f‘f。r+g+丁3+h’s3
3+l‘f
2’r+,+#+r
20。C≤T≤600。C(5)
其中,8.b.C.d.e,f,g.h,1.j为回归系数。各种不同加载路径采用统一的拟合公式。试验原始数据比较多由于篇幅关系这里不具体
给出。
本文采用最小二乘法原理对试验数据进行数值拟合,并编制了Matlab及VB的计算机程序.回归得到的各种路径下的回归系数见
表1。
表1.三种路径下拟合公式的回归系数
(2)三种路径下的相关系数
依据对试验数据的回归分析,得到了三种荷载路径下公式(5)的相关系数.如表2。
表2.三种路径下拟合公式的相关系数
(3)不同应力一温度路径下理论模型与试验数据的比较与分析对以上试验及分析得到的相关数据用三维图像进行绘制,并对三种路径下的理论模型与试验数据做了比较,见图(2)、(3)、(4)。
将图(2),(3)、(4)与ECCS所提供的模型图(1)对比.发现试验中同一温度下对应于相同应力的应变值,ECCS的应变与升温恒载路径下的应变基本吻合,升温恒载路径下的应变略小于升温加载路径下的应变,升温加载路径下的应变略小于升温降载路径下的应变。分析认为钢材应变受到当时应力、温度的耦合作用.应变的大小与其加、卸载过程有关,同时在进行试验的过程中,应变速率的控制也是影响应变大小的一个主要原因.这样使得钢材达到其屈服强度时的应变要比ECCS模型的应变大。而升温加载、升温降载路径这两种路径下的应力一应变曲线的不同,除了上述两个因素外,
万方数据
还有该试验进行时,所连用的工况一般为先加载.后卸载,升温降载路径必然累积了升温加载路径下的一些残余变形,导致升温降载路径下的应变比升温加载路径下的应变略大。
不同的应力及温度路径下的本构关系表达式
因为钢材的应力一应变关系与其经历的应力一温度历史有关时,结构抗火分析中的高温材性模型应采用增量形式。由试验数据可知在不同应力一温度路径下,钢材的应力一应变关系一开始就表现为非线性关系.该关系也可定义为热非弹性关系,把上面得到的不同应力一温度路径下的本构关系表达式进行微分得到:
d叮:笪ds+笠dT
as
瓠
(6)
(下转p83
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张拉过程中,两端上油同步进行.上油时缓慢、平稳进行。张拉时,张拉设备由专业人员进行操作。张拉完毕后.随即压浆,以不超过24小时为宜。压浆顺序,先下后上。由最低的压浆孔压入.孑L道压浆做到使孔道内的空隙完全充满。压浆以排气孔出浆~定数量的浓稠砂浆为准,保持压浆压力06—07MPa,一分钟后,关闭阀口。
信息化施工和应力分析
在施工过程中,对每一阶段钢桁架的变形进行了监测.并将数据及时反馈给设计人员.做到信息化施工。在第二次浇筑混凝土前.将钢桁架
时.前次浇捣的混凝土不出现裂缝是保证施工质量的关键。箱梁底模的预拱度计算考虑了钢桁架的弹性变形和接头承压的非弹性变形。
和第一次浇筑的箱梁作为一联钢与混凝土的迭合梁进行了有限的分析.通过计算分析得知.在第二次混凝土浇筑时,在第一次浇筑的混凝土梁内产生的应力不会引起混凝土的开裂,确保了预应
预应力张拉施工
箱梁预应力张拉全部采用后张法。预应力张拉采用分批分段对角对称同时张拉方案。梁体混凝土强度值达到100%、并且混凝土龄期达到15天后进行张拉。箱梁张拉控制应力取0
75RYB=1
力箱梁的施工质量。
高架城市轨道交通经常采用预应力箱型桥梁.在跨越河道的箱型桥梁施工时,由于通航或不断流的要求,必须搭设跨河钢平台以支撑模板支架。本文介绍了某跨河预应力箱梁跨河钢桁架平台的搭设方法。针对预应力箱梁的模板制作、预应力筋铺设、混凝土浇筑和预应力张拉等关键施工工艺进行了阐述。最后通过应力分析和信息化施工技术确保了跨
395MPa。初始张拉力
以O1盯k为初始应力,在千斤顶初始应力时记录初始伸长
量.张拉应力控制阶段从0—01口k一1.0仃k稳定5分钟后锚夹片。
河预应力箱梁的施工质量。亡吖
(上接p81)
记黼)=善州盯)=等
dS
dl
g(6,T)=c+2幸P幸占+Jr+丁+3。h‘占2+2・f+占+T+j*T2
(7
(10
把(6)式代入(7)式得
g(6,T)、^(占,T)中的系数见表(1)。
丹(占,T)=b+2+d+,+f4£+3奉g奉T2+i‘占2+2‘j*c奉丁
(11)
d仃=g(E,T)dc+d仃o
其中
f8
钢结构抗火设计是钢结构设计的一项重要内容,高温下钢材力学性能模型的建立及其如何应用,又是进行结构抗火分析的关键和
do"o=h(c,丁)d丁
基础,对分析结果起着决定性的作用。国内外对高温下钢材力学性
(9
能的研究,主要考虑恒温加载和恒载加温两种路径,而这与实际火灾过程中钢结构的内力和温度随时间不断变化的事实不符.本文在
do"0反应了由于温度变化d丁所引起得应力增量。式(6)称为热非弹性应力一应变增量关系式。
由于三种路径都选用同一形式的拟合公式.可得到高温下的钢材本构关系表达式为
此基础上还考虑高温下加卸载过程的材性的变化,通过试验及数值拟合得到不同应力一温度路径下钢材的应力一温度一应变三者的本构关系,对今后钢结构抗火的研究提供参考和依据,以使钢结构
的抗火设计做到更加经济.安全、有效。匕量丌一
万方数据
I
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高温条件下钢结构的应力-温度-应变的关系
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
张燕星, 邓芝娟
上海伊腾建筑设计有限公司
建设科技
CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY2005,""(16)1次
引证文献(1条)
1.肖春平.韩晓林.李爱群.杜东升.曹忠明.赵肇.季新强.毛爱玲.石振仓 复杂环境下动态应变测试的若干问题研究[期刊论文]-钢结构 2006(6)
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jskj200516038.aspx授权使用:燕山大学(ysdx),授权号:25757f75-bbee-46a0-93d6-9e6300999396
下载时间:2011年1月6日