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構設計的必要考慮因素，對鋼結構的影響是不可以忽略的，通過有限元模擬軟件對結構升溫進行相關模擬及分析，以Q235鋼的屈服強度為界限，通過改變溫度及溫度作用的時間，來定義Q235鋼的溫度驟然升溫公式，并且進行相應的解析，通過實例驗證，證明有限元分析的可行性。為將來鋼構件在炎熱地區設計，提供這方面的基礎資料。

關鍵詞：溫度作用驟然升溫數值模擬實驗驗證

中圖分類號：TG17文獻標識碼：A? ?文章編號：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

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

大部分學者研究溫度作用對大型鋼結構的影響，比如應力集中、位移、力學性能等，雖然這些相關研究是關于溫度對鋼結構的影響，但是關于溫度驟然升降作用本身以及在其作用下結構行為的研究較少。該文從鋼棒兩端固結產生溫度應力的角度出發，研究溫度及溫度作用時間對鋼結構的溫度應力影響。

1基準結構的有限元分析

陳適才[5]采用縮尺模型表明結構火災反應相似模型具有較好的合理性和準確性，承載力與穩定性也滿足相似模型。該文選用1m長，直徑10cm，Q235鋼。兩端固結為基準結構，模型如圖1所示，采用給一端面加熱方式給構件加熱，此加熱方式符合鋼構件在室外工作兩端溫度不同。運用有限元分析軟件進行有限元分析，有限元軟件設置Q235鋼，環境，時間相關參數[6]。通過改變溫度和作用時間這兩個相關變量來定義出基于Q235鋼的溫度驟然升溫的定義。

2數值模擬

運用有限元分析軟件進行有限元模擬分析，通過改變溫度和作用時間這兩個相關變量，以構件的屈服強度為界限，得到了下列初始溫度不同，溫度升溫變化時間與變化后溫度的關系，如圖2，將數據進行擬合分析處理[7]，得到數據擬合圖，如圖3所示。擬合結果表明擬合成功。

通過數據擬合，得到各個初始溫度在升溫，構件達到屈服強度時溫度與所用時間的公式。

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，以構件的屈服強度為界限，溫度作用時間改變，達到構件屈服強度時的溫度值。同理y2為初始溫度10℃時，y3為初始溫度20℃時，y4為初始溫度30℃時，y5為初始溫度40℃時，y6為初始溫度50℃時。

擬合公式數值，與原始數據對比，通過數學方法分析擬合公式。可以得到公式Y=A*X^B。

A值：是構件初始溫度不同，一分鐘內溫度上升達到屈服強度時的溫度值。

B：約等于-0.07。

X：時間。

Y：時間變化后構件達到屈服強度時的溫度值。

3實驗驗證

3.1 鋼構件的監測儀器

為驗證有限元分析的準確性，現做實驗用以驗證理論分析的可行性[8]。選擇DH5925N便攜式動態數據采集儀，儀器可以設置Q235鋼相關參數，DH5925N便攜式動態數據采集儀可以同時采集溫度及應力。

3.2 鋼構件的監測方案

該項目采用均質材料Q235鋼兩端固結的結構形式作為基準結構，采用硅膠加熱片作為熱源給構件一側進行加熱，通過硅膠加熱片來給設備進行加熱，通過改變硅膠加熱片的溫度，用以控制鋼構件的升溫時間，來達到控制溫度上升的速率。在溫度變化下，結構兩端受到約束，從而產生溫度應力，鋼棒包裹巖棉板防止熱量散失。溫度傳感器及應變片分別布置到溫度升溫側，溫度升溫邊側，1/4側，2/4側，3/4側。設置溫度升溫側為A區，溫度升溫邊側為B區，1/4側為C區，2/4側為D區，3/4側為E區。

3.3 監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℃，有限元模擬數據與實驗測得的數據對比如圖4所示。

最大誤差為A區，不超過15%，且A區直對硅膠加熱片，對精度影響很大，實驗結果驗證了有限元分析的可行性。

4結語

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，并且解釋了相關參數的來源及取值。該定義以鋼構件的屈服強度為界限，分析了升溫情況，構件在何種溫度及作用時間下，構件達到了屈服強度，并且運用實例驗證，驗證了理論分析的可行性。

參考文獻

[1]馮程遠，李國強，蔣彬輝.鋼材高溫材性模型對火災下鋼框架結構倒塌模擬的影響研究[J].工程力學，2019，36（12）：24-36，78.

[2]游穎，張澤濤，王君，等.考慮溫度影響的空間鋼結構應力及變形變化規律[J].空間結構，2020，26（4）：58-63.

[3]劉俊，劉彥生，李果，等.上海國家會展中心大跨鋼結構屋蓋溫度應力分析與對策[J].建筑結構，2020，50（12）：40-45.

[4]趙九峰.溫度載荷對大型游樂設施鋼結構應力影響試驗分析[J].機械研究與應用，2020，33（4）：16-18.

[5]陳適才，王尚則，王亞輝，等.鋼結構火災反應相似模型及試驗研究與分析[J].工程力學，2019，36（8）：79-86，105.

[6]鋼結構設計規范GB50017-2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[7]潘劍峰.鋼結構住宅建筑現澆混凝土樓板溫度收縮裂縫分析與控制研究[D].合肥：合肥工業大學，2021.

[8]張澤濤.網安中心大跨度鋼結構應力及變形分析與監測[D].武漢：湖北工業大學，2020.