基于Q235钢的骤然升温公式定义解析

李先铎

摘要：温度升温作用作为结构设计的必要考虑因素，对钢结构的影响是不可以忽略的，通过有限元模拟软件对结构升温进行相关模拟及分析，以Q235钢的屈服强度为界限，通过改变温度及温度作用的时间，来定义Q235钢的温度骤然升温公式，并且进行相应的解析，通过实例验证，证明有限元分析的可行性。为将来钢构件在炎热地区设计，提供这方面的基础资料。

关键词：温度作用骤然升温数值模拟实验验证

中图分类号：TG17文献标识码：A   文章编号：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

部分學者研究极端温度作用下钢结构的力学行为，冯程远[1]基于平面钢框架在单柱受火条件下的倒塌试验，提出了适用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的钢材高温应力-应变本构模型和热膨胀系数模型的建议。游颖[2]建立有限元模型，得出温度变化对应力及变形的变化规律。刘俊[3]提出温度作用应考虑年温度作用、日照温度作用以及不同位置构件的温度差异。赵九峰[4]确定温度载荷对摩天轮结构应力的实际影响。

大部分学者研究温度作用对大型钢结构的影响，比如应力集中、位移、力学性能等，虽然这些相关研究是关于温度对钢结构的影响，但是关于温度骤然升降作用本身以及在其作用下结构行为的研究较少。该文从钢棒两端固结产生温度应力的角度出发，研究温度及温度作用时间对钢结构的温度应力影响。

1基准结构的有限元分析

陈适才[5]采用缩尺模型表明结构火灾反应相似模型具有较好的合理性和准确性，承载力与稳定性也满足相似模型。该文选用1m长，直径10cm，Q235钢。两端固结为基准结构，模型如图1所示，采用给一端面加热方式给构件加热，此加热方式符合钢构件在室外工作两端温度不同。运用有限元分析软件进行有限元分析，有限元软件设置Q235钢，环境，时间相关参数[6]。通过改变温度和作用时间这两个相关变量来定义出基于Q235钢的温度骤然升温的定义。

2数值模拟

运用有限元分析软件进行有限元模拟分析，通过改变温度和作用时间这两个相关变量，以构件的屈服强度为界限，得到了下列初始温度不同，温度升温变化时间与变化后温度的关系，如图2，将数据进行拟合分析处理[7]，得到数据拟合图，如图3所示。拟合结果表明拟合成功。

通过数据拟合，得到各个初始温度在升温，构件达到屈服强度时温度与所用时间的公式。

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为初始温度0℃时，以构件的屈服强度为界限，温度作用时间改变，达到构件屈服强度时的温度值。同理y2为初始温度10℃时，y3为初始温度20℃时，y4为初始温度30℃时，y5为初始温度40℃时，y6为初始温度50℃时。

拟合公式数值，与原始数据对比，通过数学方法分析拟合公式。可以得到公式Y=A*X^B。

A值：是构件初始温度不同，一分钟内温度上升达到屈服强度时的温度值。

B：约等于-0.07。

X：时间。

Y：时间变化后构件达到屈服强度时的温度值。

3实验验证

3.1 钢构件的监测仪器

为验证有限元分析的准确性，现做实验用以验证理论分析的可行性[8]。选择DH5925N便携式动态数据采集仪，仪器可以设置Q235钢相关参数，DH5925N便携式动态数据采集仪可以同时采集温度及应力。

3.2 钢构件的监测方案

该项目采用均质材料Q235钢两端固结的结构形式作为基准结构，采用硅胶加热片作为热源给构件一侧进行加热，通过硅胶加热片来给设备进行加热，通过改变硅胶加热片的温度，用以控制钢构件的升温时间，来达到控制温度上升的速率。在温度变化下，结构两端受到约束，从而产生温度应力，钢棒包裹岩棉板防止热量散失。温度传感器及应变片分别布置到温度升温侧，温度升温边侧，1/4侧，2/4侧，3/4侧。设置温度升温侧为A区，温度升温边侧为B区，1/4侧为C区，2/4侧为D区，3/4侧为E区。

3.3 监测值与理论值的对比分析

以1500S温度从22℃升温到45.67℃，2400S温度从22℃升温到49.84℃，有限元模拟数据与实验测得的数据对比如图4所示。

最大误差为A区，不超过15%，且A区直对硅胶加热片，对精度影响很大，实验结果验证了有限元分析的可行性。

4结语

通过有限元模拟得到了基于Q235钢的骤然升温公式定义Y=A*X^B，并且解释了相关参数的来源及取值。该定义以钢构件的屈服强度为界限，分析了升温情况，构件在何种温度及作用时间下，构件达到了屈服强度，并且运用实例验证，验证了理论分析的可行性。

参考文献

[1]冯程远，李国强，蒋彬辉.钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响研究[J].工程力学，2019，36（12）：24-36，78.

[2]游颖，张泽涛，王君，等.考虑温度影响的空间钢结构应力及变形变化规律[J].空间结构，2020，26（4）：58-63.

[3]刘俊，刘彦生，李果，等.上海国家会展中心大跨钢结构屋盖温度应力分析与对策[J].建筑结构，2020，50（12）：40-45.

[4]赵九峰.温度载荷对大型游乐设施钢结构应力影响试验分析[J].机械研究与应用，2020，33（4）：16-18.

[5]陈适才，王尚则，王亚辉，等.钢结构火灾反应相似模型及试验研究与分析[J].工程力学，2019，36（8）：79-86，105.

[6]钢结构设计规范GB50017-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[7]潘劍峰.钢结构住宅建筑现浇混凝土楼板温度收缩裂缝分析与控制研究[D].合肥：合肥工业大学，2021.

[8]张泽涛.网安中心大跨度钢结构应力及变形分析与监测[D].武汉：湖北工业大学，2020.