一種矩形截面不銹鋼梁抗火計(jì)算方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種建筑不銹鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗火計(jì)算方法，特別地涉及矩形截面不銹鋼梁的極限承載力和臨界溫度的計(jì)算方法。根據(jù)本發(fā)明專利技術(shù)的方法，根據(jù)修正的承載力折減系數(shù)直接計(jì)算高溫(均勻溫度)下矩形截面不銹鋼梁的極限承載力，根據(jù)修正的沿截面四周溫度不均勻分布自適應(yīng)系數(shù)直接計(jì)算高溫(非均勻溫度)下矩形截面不銹鋼梁的極限承載力，根據(jù)以最大截面彎矩和截面抵抗矩為參數(shù)提出的不銹鋼梁臨界溫度的簡(jiǎn)單計(jì)算公式直接計(jì)算矩形截面不銹鋼梁的臨界溫度。本發(fā)明專利技術(shù)通過對(duì)現(xiàn)有歐洲規(guī)范不銹鋼梁承載力計(jì)算公式系數(shù)的調(diào)整和臨界溫度計(jì)算公式的簡(jiǎn)化提出了適用于矩形截面不銹鋼梁的抗火計(jì)算計(jì)算公式。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及建筑不銹鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗火計(jì)算方法，尤其涉及矩形截面不銹鋼梁的極限承載力和臨界溫度的計(jì)算方法。
技術(shù)介紹
抗火計(jì)算的目的是為了了解結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗火性能，目前，國內(nèi)關(guān)于不銹鋼構(gòu)件的抗火試驗(yàn)研究報(bào)道只有東南大學(xué)丁小峰的不銹鋼柱，其在論文中對(duì)軸心受壓不銹鋼柱穩(wěn)定系數(shù)表達(dá)式中的系數(shù)進(jìn)行了擬合，其余關(guān)于不銹鋼構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的抗火研究還未見報(bào)道。國外關(guān)于不銹鋼梁的抗火研究也不多，目前，只有《歐洲規(guī)范》(EN1993-1-2)和《歐規(guī)計(jì)算指導(dǎo)手冊(cè)》(2006)給出了有關(guān)不銹鋼梁的抗火計(jì)算方法，常溫下的受彎承載力計(jì)算偏于保守，是安全的，但對(duì)于高溫下的受彎承載力計(jì)算偏于不安全。另外，L.Gardner和K.T.Ng等人在已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)不銹鋼梁的抗火計(jì)算公式提出了新的建議和修正，公式較為復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的矩形截面不銹鋼梁的抗火計(jì)算方法偏于保守，在高溫下不足以達(dá)到安全需要，或者公式復(fù)雜，計(jì)算的困難巨大。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：一種矩形截面不銹鋼梁的抗火計(jì)算方法，包括以下步驟：1)計(jì)算矩形截面不銹鋼梁在均勻溫度下的極限承載力：11)計(jì)算1～3類截面不銹鋼梁高溫下的承載力折減系數(shù)：(f2,θ/f2)(γM0/γM,fi)(1)式中：f2,θ——高溫下不銹鋼材料2％總應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，f2——常溫下不銹鋼材料2％總應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，γM0——截面屈服(包括局部屈曲)的承載力分項(xiàng)系數(shù)，γM,fi——火災(zāi)下材料性能相關(guān)分項(xiàng)系數(shù)；12)計(jì)算修正后的均勻溫度分布下不銹鋼梁受彎承載力計(jì)算值：Mfi,θ,Rd＝(f2,θ/f2)(γM0/γM,fi)MRd(2)式中：MRd——常溫下全截面塑性受彎承載力，或常溫下全截面彈性受彎承載力；2)計(jì)算矩形截面不銹鋼梁在非均勻溫度下的極限承載力：21)計(jì)算修正的沿截面四周溫度不均勻分布自適應(yīng)系數(shù)：φ＝6×10-7θ2-7×10-5θ+1.0364(100≤θ≤800)(3)式中：θ——溫度；22)計(jì)算修正的非均勻溫度分布下不銹鋼梁抗彎承載力計(jì)算值：Mfi，t，Rd＝Mfi，θ，Rd(κ2/φ)＝(6×10-7θ2-7×10-5θ+1.0364)Mfi，θ，Rd/κ2(4)式中：Mfi，θ，Rd——均勻溫度下的受彎承載力，κ2——沿梁長度溫度不均勻分布自適應(yīng)系數(shù)；3)計(jì)算矩形截面不銹鋼梁的臨界溫度：31)計(jì)算修正的臨界溫度：式中：θ——臨界溫度，M——施加荷載在梁截面產(chǎn)生的最大彎矩，W——梁彈性截面抵抗矩，f2——常溫下不銹鋼材料2％的總應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。所述1-3分類的依據(jù)歐洲分類，且采用的分類標(biāo)準(zhǔn)是常溫的截面分類標(biāo)準(zhǔn)。所述步驟31)中的修正臨界溫度，根據(jù)參數(shù)化分析，得出影響不銹鋼梁臨界溫度最關(guān)鍵的因素是由所受荷載產(chǎn)生的最大截面彎矩M和截面抵抗矩W，以M和W為參數(shù)提出不銹鋼梁臨界溫度的簡(jiǎn)單計(jì)算公式。進(jìn)一步，所述步驟12)中的均勻溫度下不銹鋼梁的受彎承載力計(jì)算方法是：常溫下，1類和2類截面不銹鋼梁的受彎承載力：3類截面不銹鋼梁的受彎承載力：式中：Wpl——塑性截面抵抗矩，Wel,min——彈性截面抵抗矩，f0.2——常溫下不銹鋼材料名義屈服強(qiáng)度，γM0——截面屈服(包括局部屈曲)的承載力分項(xiàng)系數(shù)。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：與現(xiàn)有計(jì)算方法相比，本專利技術(shù)計(jì)算方法計(jì)算簡(jiǎn)便，精度較高，可直接用于矩形截面不銹鋼梁抗火計(jì)算計(jì)算。附圖說明圖1：不銹鋼梁不均為溫度與均勻溫度下的受彎承載力比值。圖2：不同荷載下的臨界溫度與不同溫度下的□180×100×4承載力曲線對(duì)比。圖3：不同荷載下的臨界溫度與不同溫度下的□180×100×5承載力曲線對(duì)比。圖4：不同荷載下的臨界溫度與不同溫度下的□180×100×6承載力曲線對(duì)比。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)該專利技術(shù)做進(jìn)一步具體說明。實(shí)施例1：該實(shí)施例詳細(xì)介紹了高溫(均勻溫度)下的矩形截面不銹鋼梁抗火計(jì)算方法。首先利用有限元模型對(duì)三面受火矩形管截面不銹鋼梁常溫和高溫下的承載力進(jìn)行計(jì)算，再采用現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范中的抗火計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，從而對(duì)規(guī)范中的抗火計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)，選取進(jìn)行計(jì)算的試件基本參數(shù)見表1。表1試件基本參數(shù)由有限元模型計(jì)算得到的各試件在均勻溫度下的極限受彎承載力結(jié)果詳見表2。表2有限元計(jì)算的均勻溫度下極限受彎承載力根據(jù)《歐洲規(guī)范》中的截面分類可知：常溫下，SB1、SB2、SB3、SB4、SB6、SB7、SB8、SB9屬于1類，SB10屬于2類，SB5屬于3類；高溫下，SB4、SB5和SB10屬于3類，其余為1類。本專利技術(shù)采用《歐洲計(jì)算指導(dǎo)手冊(cè)》中的截面分類，即高溫下的截面分類與常溫下的截面分類相同，以保證承載力計(jì)算公式的一致性。根據(jù)規(guī)范公式可計(jì)算得到不銹鋼梁試件SB1～SB10常溫和高溫下的受彎承載力計(jì)算值，詳見表3。表3規(guī)范公式計(jì)算的均勻溫度下受彎承載力計(jì)算值比較表2和表3可知，公式對(duì)于常溫下的受彎承載力計(jì)算偏于保守，是安全的，但對(duì)于高溫下的受彎承載力計(jì)算偏于不安全，因此需要修正高溫下的承載力計(jì)算公式。對(duì)比表2中有限元計(jì)算的高溫下受彎承載力和常溫下受彎承載力，其折減系數(shù)見表4。表4有限元計(jì)算的高溫承載力折減系數(shù)根據(jù)不銹鋼材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，可以獲得不銹鋼材料在2％總應(yīng)變下的強(qiáng)度折減系數(shù)f2,θ/f2，比值詳見表5。表5折減系數(shù)比較表4和表5，發(fā)現(xiàn)二者的折減系數(shù)非常接近，故考慮以表5中的折減系數(shù)代替表4中的折減系數(shù)，從而得到修正后的高溫下均勻溫度受彎承載力計(jì)算公式，見式(2)。實(shí)施例2：該實(shí)施例詳細(xì)介紹了高溫(非均勻溫度)下的矩形截面不銹鋼梁抗火計(jì)算方法。通過傳熱分析模型和抗火分析模型可以獲得試件SB1～SB10在不均勻溫度下的極限受彎承載力。沿橫截面溫度不均勻下的極限受彎承載力計(jì)算結(jié)果詳見表6。表6有限元計(jì)算的不均勻溫度下極限受彎承載力對(duì)比試件SB1～SB10不均勻溫度和均勻溫度下的極限受彎承載力，其比值詳見表7。表7有限元計(jì)算的極限受彎承載力比值由表7可知，不銹鋼梁在不均勻溫度下的受彎承載力與均勻溫度下的受彎承載力比值隨溫度的升高而逐漸增大，在500℃之前增幅較小，超過500℃后增幅較大，到達(dá)700℃后增幅又逐漸減小。《歐洲計(jì)算指導(dǎo)手冊(cè)》中關(guān)于此比值的建議取值是1/κ1，當(dāng)梁四面受火時(shí)，κ1＝1，當(dāng)未采取防火措施的梁三面受火時(shí)，κ1＝0.7。此規(guī)定不太合理，一是因?yàn)楫?dāng)梁四面受火時(shí)，仍然存在著沿截面厚度的溫度不均勻，若厚度較小可以適用，若厚度過大則取κ1＝1略顯保守；二是因?yàn)楫?dāng)梁三面受火時(shí)，1/κ1＝1.43，這高估了不銹鋼梁在三面受火下的承載力。因此，本專利技術(shù)將對(duì)κ1進(jìn)行修正。根據(jù)表7中的系數(shù)擬合出適用于不均勻溫度和均勻溫度的承載力比值的公式，擬合曲線如圖1所示，擬合公式見式(4)。實(shí)施例3：該實(shí)施例詳細(xì)介紹了矩形截面不銹鋼梁的臨界溫度計(jì)算計(jì)算方法。求解不銹鋼梁在某個(gè)溫度下的受彎承載力實(shí)際上是一個(gè)恒溫加載過程(穩(wěn)態(tài))，而實(shí)際結(jié)構(gòu)受火災(zāi)作用是一個(gè)恒載升溫過程(瞬態(tài))，兩者并不完全等效。梁在某個(gè)溫度θ下的承載力可以達(dá)到M，但梁在荷載M下的臨界溫度可能達(dá)不到溫度θ，也可能超過溫度θ。選取截面尺寸為□180×100×4、□180×100×5、□180×100×6的試件(即T1、T2、T3)，比較三個(gè)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種矩形截面不銹鋼梁的抗火計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：1)計(jì)算矩形截面不銹鋼梁在均勻溫度下的極限承載力：11)計(jì)算1～3類截面不銹鋼梁高溫下的承載力折減系數(shù)：(f2,θ/f2)(γM0/γM,fi)(1)式中：f2,θ——高溫下不銹鋼材料2％總應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，f2——常溫下不銹鋼材料2％總應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，γM0——截面屈服(包括局部屈曲)的承載力分項(xiàng)系數(shù)，γM,fi——火災(zāi)下材料性能相關(guān)分項(xiàng)系數(shù)；12)計(jì)算修正后的均勻溫度分布下不銹鋼梁受彎承載力計(jì)算值：Mfi,θ,Rd＝(f2,θ/f2)(γM0/γM,fi)MRd(2)式中：MRd——常溫下全截面塑性受彎承載力，或常溫下全截面彈性受彎承載力；2)計(jì)算矩形截面不銹鋼梁在非均勻溫度下的極限承載力：21)計(jì)算修正的沿截面四周溫度不均勻分布自適應(yīng)系數(shù)：φ＝6×10?7θ2?7×10?5θ+1.0364?(100≤θ≤800)(3)式中：θ——溫度；22)計(jì)算修正的非均勻溫度分布下不銹鋼梁抗彎承載力計(jì)算值：Mfi,t,Rd＝Mfi,θ,Rd(κ2/φ)＝(6×10?7θ2?7×10?5θ+1.0364)Mfi,θ,Rd/κ2(4)式中：Mfi,θ,Rd——均勻溫度下的受彎承載力，κ2——沿梁長度溫度不均勻分布自適應(yīng)系數(shù)；3)計(jì)算矩形截面不銹鋼梁的臨界溫度：31)計(jì)算修正的臨界溫度：θ=-6435.5(MWf2)3+6711.2(MWf2)2-2760.6(MWf2)+1162.20≤MWf2≤0.6-7692.9(MWf2)3+21837(MWf2)2-21053(MWf2)+6958.30.6<MWf2≤1]]>式中：θ——臨界溫度，M——施加荷載在梁截面產(chǎn)生的最大彎矩，W——梁彈性截面抵抗矩，f2——常溫下不銹鋼材料2％的總應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種矩形截面不銹鋼梁的抗火計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：1)計(jì)算矩形截面不銹鋼梁在均勻溫度下的極限承載力：11)計(jì)算1～3類截面不銹鋼梁高溫下的承載力折減系數(shù)：(f2,θ/f2)(γM0/γM,fi)(1)式中：f2,θ——高溫下不銹鋼材料2％總應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，f2——常溫下不銹鋼材料2％總應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，γM0——截面屈服(包括局部屈曲)的承載力分項(xiàng)系數(shù)，γM,fi——火災(zāi)下材料性能相關(guān)分項(xiàng)系數(shù)；12)計(jì)算修正后的均勻溫度分布下不銹鋼梁受彎承載力計(jì)算值：Mfi,θ,Rd＝(f2,θ/f2)(γM0/γM,fi)MRd(2)式中：MRd——常溫下全截面塑性受彎承載力，或常溫下全截面彈性受彎承載力；2)計(jì)算矩形截面不銹鋼梁在非均勻溫度下的極限承載力：21)計(jì)算修正的沿截面四周溫度不均勻分布自適應(yīng)系數(shù)：φ＝6×10-7θ2-7×10-5θ+1.0364(100≤θ≤800)(3)式中：θ——溫度；22)計(jì)算修正的非均勻溫度分布下不銹鋼梁抗彎承載力計(jì)算值：Mfi,t,Rd＝Mfi,θ,Rd(κ2/φ)＝(6×10-7θ2-7×10-5θ+1.0364)Mfi,θ,Rd/κ2(4)式中：Mfi,θ,Rd—...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：范圣剛，夏新鳳，丁智霞，李陽，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32