溫度對建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

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0引言

近年來隨著需求增多，各種特殊體型鋼結(jié)構(gòu)建筑增多，這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件尺寸也較大，因鋼結(jié)構(gòu)會受到溫度變化引起相應(yīng)效應(yīng)，在使用過程中如果處理不當(dāng)，會引起鋼結(jié)構(gòu)局部甚至是整體失去穩(wěn)定，造成鋼結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)劇烈改變，失去承載重量能力。所以鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)建筑安全的重要因素，在進(jìn)行設(shè)計大型或超大型鋼結(jié)構(gòu)建筑時，如體育中心等場所，要考慮到溫度對其造成結(jié)構(gòu)變形和位移，保證建筑物安全可靠。

1溫度變化對鋼材影響

①在常溫下，對鋼材拉彎，使其產(chǎn)生塑性變形，以此提高鋼材屈服力，但同時也降低了鋼材韌性和塑性。②隨著溫度升高，鋼材強(qiáng)度和彈性也會發(fā)生相應(yīng)變化，這是由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生的。當(dāng)溫度在150℃以下時，鋼材受影響較弱;當(dāng)溫度＞250℃時，鋼材抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，但韌性和塑性受影響會下降;當(dāng)溫度在400℃左右時，鋼材屈服強(qiáng)度下降;500℃時鋼材屈服強(qiáng)度達(dá)最佳屈服強(qiáng)度2/3;當(dāng)溫度在600℃時，鋼材屈服強(qiáng)度為最佳屈服強(qiáng)度的1/3。根據(jù)不同溫度鋼材屈服強(qiáng)度不同，建筑物內(nèi)所使用溫度如果＞150℃時就要對其鋼材防熱處理。隨著溫度下降，鋼材強(qiáng)度提高，但韌性和塑性相應(yīng)會發(fā)生下降。③在高溫下，鋼材會發(fā)生屈曲，嚴(yán)重時會使鋼結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定，造成建筑物坍塌。

2溫度變化對鋼結(jié)構(gòu)變形影響

2．1鋼結(jié)構(gòu)溫度變形類型

鋼結(jié)構(gòu)溫度變形類型從力學(xué)角度可分為兩種:一是彈性變形，是鋼結(jié)構(gòu)在溫度升高后產(chǎn)生膨脹，而溫度降低后又能恢復(fù)到原來形狀;二是塑性變形，在溫度發(fā)生變化后，鋼材產(chǎn)生變形，但這種變形是永久性的，即使溫度再恢復(fù)到此前一樣，鋼材也不可能恢復(fù)原來形狀。

2．2溫度變形對鋼結(jié)構(gòu)影響

建筑物首先要求安全可靠。因此在進(jìn)行建筑物鋼結(jié)構(gòu)建造時，必須保證鋼材質(zhì)量符合建筑物需求。如果鋼材在溫度變化下發(fā)生彎曲變形、扭曲折皺等現(xiàn)象，對于建筑物，既存在不安全可能，視覺效果也沒有美感。

2．3鋼結(jié)構(gòu)連接

建筑物在采用鋼結(jié)構(gòu)建造時，各構(gòu)件之間連接通常用焊接或螺栓連接，各構(gòu)件緊密連接。如果溫度變化，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或扭曲，拼裝時很難做到緊密連接，所設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)承載能力就會改變。如果所使用鋼結(jié)構(gòu)板件厚重時，焊接時會有溫度變化發(fā)生，使鋼構(gòu)件改變，降低整個鋼結(jié)構(gòu)脆性。由于溫度而產(chǎn)生鋼結(jié)構(gòu)變形對建筑物安全性不利，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生屈曲，結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定，溫度越高時，鋼結(jié)構(gòu)變形復(fù)值也會相應(yīng)增高，溫度相同變化下，所使用鋼結(jié)構(gòu)板材越厚，發(fā)生變形就會越大。

3實(shí)例分析溫度對建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響

以蘭州市某工廠超大型鋼結(jié)構(gòu)廠房為研究對象，針對溫度對超大型鋼結(jié)構(gòu)影響研究，運(yùn)用ANSYS和PKPM軟件對整個廠房空間模擬，綜合對廠房溫度應(yīng)力和溫度變形分析，并通過三種方案分析比較。一是通過“抗”的方式對鋼結(jié)構(gòu)大柱及梁截面增大;二是通過“放”的方法，增加一榀鋼結(jié)構(gòu)架設(shè)伸縮縫方法;三是通過“放”方式，在溫度不動點(diǎn)處設(shè)置溫度應(yīng)力釋放區(qū)。通過以上三種方案，對廠房鋼結(jié)構(gòu)模擬分析比較，得出以下結(jié)論:①對于一般鋼結(jié)構(gòu)建筑，溫度所造成影響不大，但是超大型鋼結(jié)構(gòu)建筑受溫度變化影響較大。因此超大型鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計時，應(yīng)計算溫度應(yīng)力及溫度所產(chǎn)生相應(yīng)變形。溫度應(yīng)力和溫度變形相互矛盾，當(dāng)進(jìn)行釋放溫度應(yīng)力時就會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)行溫度控制變形后，溫度應(yīng)力會相應(yīng)增加，因此一定控制好溫度應(yīng)力和溫度變形。②對于超大型鋼結(jié)構(gòu)建度，結(jié)構(gòu)中間處一般是溫度不動點(diǎn)，而此處剛度大約束性比最大，鋼結(jié)構(gòu)兩端約束性最小，溫度發(fā)生變化時，溫度變形根據(jù)控制力減少從中間向兩端處加大。③在超大型鋼結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)，應(yīng)在相隔20－30m處設(shè)置柱間支撐，以增強(qiáng)建筑物縱向剛度。在柱間支撐點(diǎn)處約束性最強(qiáng)，可有效控制支撐柱變形，減少整個建筑物變形可能，同時柱間支撐也可把溫度應(yīng)力傳到基礎(chǔ)上。

4防止和控制溫度變形方法

①從設(shè)計角度對溫度變形控制時，建筑物結(jié)構(gòu)需要規(guī)則，而鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度要在合理范圍內(nèi)，既不能過小，過小不能有效控制溫度變形，也不能過大，過大會產(chǎn)生溫度殘余應(yīng)力。②大型或超大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物必須進(jìn)行伸縮縫設(shè)置，因建筑物特殊要求，不能設(shè)置伸縮縫，可通過特殊措施進(jìn)行溫度控制防止鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形。如鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接時，有溫度變形情況，需采用冷卻法快速散溫而控制變形現(xiàn)象。焊接時溫度過高可能會使鋼構(gòu)件隆起，因此鋼構(gòu)件安裝前，進(jìn)行反方向起拱，以抵消溫度造成變形。這種方法存在難度，因鋼構(gòu)件變形方向很難測定。

參考文獻(xiàn):

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［2］沈斌．淺析溫度對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響［J］．建材與裝飾，2018(23).

作者:石永瑋 李麗 單位:甘肅蘭州市人工影響天氣協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室 甘肅第三建設(shè)集團(tuán)公司