鋼結(jié)構(gòu)溫度試驗研究

鋼結(jié)構(gòu)溫度試驗研究

0鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場分布的定量分析隨著大型鋼結(jié)構(gòu)建設項目的增多，溫度影響鋼結(jié)構(gòu)的影響引起了設計師的廣泛關(guān)注。目前,由于GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》以及其他相關(guān)規(guī)范并沒有給出鋼結(jié)構(gòu)在露天日照條件下溫度場分布的確定方法,設計者一般只能根據(jù)經(jīng)驗定性地對鋼結(jié)構(gòu)的溫度效應進行分析處理。然而文獻指出,當箱形截面構(gòu)件平均溫升(構(gòu)件溫度與環(huán)境溫度之間的差值)達到10℃、20℃時,構(gòu)件的溫度應力分別為24.72MPa、49.44MPa,可見定量分析鋼結(jié)構(gòu)的溫度效應是必要的。而定量分析鋼結(jié)構(gòu)的溫度效應的基礎是準確確定溫度場的分布,因此,如何確定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件露天日照條件下的溫度成為了一個亟待解決的課題。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在露天日照條件下的溫度的影響因素眾多:環(huán)境溫度、風速、太陽輻射照度、材料熱工性能、構(gòu)件的方位朝向等,而且已有的相關(guān)工程數(shù)據(jù)、資料較少。目前,對于鋼結(jié)構(gòu)溫度場分布的計算方法主要有兩種:室外溫度綜合法以及有限元法。室外溫度綜合法有許多簡化與假定,其準確性難以保證;有限元法的計算量大、商業(yè)運用軟件開發(fā)不完善,并且許多參數(shù)不易確定,難以運用于實際工程。因此,實測露天日照條件下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度有著重要的意義。為合理確定鋼結(jié)構(gòu)的溫度場分布,本文從2009年4月下半月到2009年9月上半月連續(xù)測量了兩種截面鋼結(jié)構(gòu)試件的溫度。1試驗計劃1.1試件的布置和制作試驗的地點為北京清華大學四層建筑的屋頂,日間始終能接受到太陽光的照射;試件的長度方向沿南北方向布置,詳見圖1;試件采用Q345鋼材焊接制成,表面采用深紅色的涂漆;試件包括工字形、箱形兩種截面,具體尺寸見圖2;箱形試件一端用鋼板密封,另一端在用隔熱材料密封,具體試件見圖3。試驗一共制備了4個試件,其中工字形、箱形試件各2個;試驗條件分為通風良好、通風不暢兩種條件,詳見圖4。1.2測點布置和測點溫度的測量現(xiàn)場測量記錄4個試件上各個測點的溫度以及周圍環(huán)境溫度,觀察記錄天氣狀況以及風速狀況。在分析鋼橋的溫度場分布時,可以忽略沿鋼梁縱向的熱流動;在預測箱形鋼結(jié)構(gòu)的溫度場分布時,可忽略沿結(jié)構(gòu)縱向的熱流動。所以,試驗的測點只布置在試件的中間截面上,詳見圖5。定義箱形構(gòu)件朝向上、西、下、東的4塊鋼板的編號分別為A、B、C、D,工字形構(gòu)件上翼緣、下翼緣、腹板的編號分別為E、F、G。試件外部測點溫度的測量采用紅外線測溫儀,精度為1.0℃;箱形試件內(nèi)部測點(編號帶“′”的測點)溫度的測量采用銅-康銅熱電偶測溫,精度為1.0℃;環(huán)境溫度的測量采用水銀溫度計。每日的測溫時刻為9:00、11:00、13:00、15:00、17:00,一次測溫的總時間不超過8min。2好的條件下試驗對象的溫度2.1鋼板溫度的測量以半個月(約15d)為一個時間段,統(tǒng)計出試件整體和各塊鋼板在各測溫時刻的平均溫度,繪制出試件的日間溫度-時間變化曲線。試件整體溫度為各塊鋼板溫度的算術(shù)平均值。A鋼板的溫度為測點1-1、1-3的溫度值與兩倍1-2的溫度值的算術(shù)平均值,其他鋼板的溫度以相同的方法計算。對一個時間段內(nèi)每日各測溫時刻的溫度進行算術(shù)平均,得出試件整體和各塊鋼板的半月平均溫度。2.1.1鋼板溫升-時間變化曲線圖6為箱形構(gòu)件半月平均溫度-時間變化曲線,從中可以看出:(1)在不同時間段內(nèi),箱形試件整體、各塊鋼板以及氣溫的平均溫度-時間變化曲線的變化規(guī)律大致相同。A鋼板始終向陽,其溫度變化呈拋物線的形狀,其溫度在15:00之前是各塊鋼板中最高的。B鋼板垂直朝向西,從中午開始才逐漸接受到太陽光的照射,其溫度在15:00之前一直上升,此后為各塊鋼板中溫度最高的。C鋼板始終背陽,不能接收到太陽輻射,只有空氣、相鄰構(gòu)件的傳熱使它升溫,其溫度變化規(guī)律與氣溫變化規(guī)律相近。D鋼板垂直朝向東,只有在上午才能接受到太陽光的照射,在11:00已經(jīng)接近最高溫度,直到15:00都基本保持同一溫度。試件整體溫度的變化規(guī)律與氣溫的變化規(guī)律相近,于13:00～15:00之間達到最高值。(2)任意時刻箱形試件截面的溫度分布都是不均勻的,相鄰鋼板之間最大的溫差超過5℃。(3)6～8月份為北京的雨季,圖6中7月下半月的試件平均溫度明顯低于7月上半月及8月上半月的試件平均溫度,是因為這半個月里陰雨天氣較多。(4)試件整體平均溫升-時間變化曲線如圖7a所示?？梢钥闯?箱形試件整體平均溫升的變化波動比較大,但就11:00～15:00這個時間段而言,基本維持在7～10℃。(5)箱形試件A鋼板為溫升最多的鋼板,其平均溫升-時間變化曲線如圖7b所示?？梢钥闯?箱形試件向陽面鋼板的最大平均溫升出現(xiàn)在太陽垂直照射在鋼板上的時刻,可達10～15℃,且平均溫升隨時間的變化規(guī)律呈拋物線形狀。2.1.2腹板g鋼板溫升-時間變化規(guī)律圖8為工字形構(gòu)件半月平均溫度-時間變化曲線,從中可以看出:(1)在不同時間段內(nèi),工字形試件整體、各塊鋼板以及氣溫的平均溫度-時間變化曲線的變化規(guī)律大致相同。E鋼板始終向陽,為試件中溫度最高的一塊鋼板,其平均溫度-時間變化曲線呈現(xiàn)拋物線形狀。下翼緣F鋼板在各個時刻只有部分能接受到太陽光照射。腹板G鋼板由于受到上翼緣的遮擋,其溫度變化規(guī)律與F鋼板相近。工字形試件各個鋼板的平均溫度相差不大,試件整體溫度的變化規(guī)律與氣溫的變化規(guī)律相近,于13:00～15:00達到最高值。(2)正午時刻,工字形構(gòu)件截面溫度分布的不均勻程度達到最大,相鄰板之間最大的溫差超過5℃,而在上午、下午,工字形試件的溫度分布比較均勻。(3)試件整體平均溫升-時間變化曲線如圖7c所示?？梢钥闯?工字形試件整體平均溫升的變化波動比較大,但就11:00～15:00這個時間段而言,溫差基本維持在7～10℃。(4)工字形試件E鋼板為溫升最多的鋼板,其平均溫升-時間變化曲線如圖7d所示?？梢钥闯?工字形試件向陽面鋼板的最大平均溫升出現(xiàn)在太陽垂直照射在鋼板上的時刻,可達8～13℃,且其隨時間的變化規(guī)律呈現(xiàn)拋物線形狀。2.2鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面溫度大、氣溫高時當天氣晴朗無云、風速小、太陽照射強烈、氣溫高時,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度會比較高。所以以半個月(約15天)為一個時間段,將試驗中試件溫度最高的晴天稱為典型日。2.2.1鋼板溫升-時間變化曲線圖9為箱形試件典型日溫度-時間變化曲線。可以看出:(1)箱形試件典型日溫度-時間變化曲線與半月平均溫度-時間變化曲線的變化規(guī)律相似,試件整體溫度于13:00～15:00達到最大值,此時試件的溫度場分布不均勻,各塊鋼板最大溫度差超過10℃;(2)北京夏季,箱形試件整體溫度的最大值達到了56℃,鋼板溫度最大值達到了60℃。箱形試件整體溫升-時間變化曲線、A鋼板溫升-時間變化曲線分別如圖10a、10b所示。可以看出:箱形試件各時刻的溫升變化波動比較大,基本在5℃以上。就11:00～15:00而言,整體溫升基本在10～16℃,向陽A鋼板溫升基本在15～22℃。2.2.2溫升-時間變化規(guī)律圖11為工字形試件典型日溫度-時間變化曲線?？梢钥闯?(1)工字形試件典型日溫度-時間變化曲線與半月平均溫度-時間變化曲線的變化規(guī)律相似,試件整體溫度于13:00～15:00達到最大值,此時試件的溫度場分布不均勻,各塊板最大溫度差超過10℃;(2)北京夏季,工字形的整體溫度最大值達到了56℃,鋼板溫度最大值達到了58℃。工字形試件整體溫升-時間變化曲線、E鋼板溫升-時間變化曲線分別如圖10c、10d所示。可以看出:工字形試件各時刻的溫升變化波動比較大,基本在5℃以上。就11:00～15:00而言,整體溫升基本在9～15℃,向陽E鋼板溫升基本在13～18℃。3比較和分析試驗統(tǒng)計結(jié)果3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度分布的影響因素箱形鋼構(gòu)件頂板的流換熱系數(shù)對溫度場分布的影響最大,其中風速又是流換熱系數(shù)大小的重要影響因素之一。風速越大,結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度越接近環(huán)境溫度。結(jié)構(gòu)設計中,風速一般取1m/s,而且得到多數(shù)文獻證實,這樣的計算結(jié)果偏于安全。但是,在準確確定溫度場分布時,風速的影響是不可忽略的。因此,試驗做了兩種通風條件下試件溫度的對比。3.1.1京夏季風速特征北京夏季的平均風速為1.6m/s,在全國各城市里是比較小的,氣象局實測數(shù)據(jù)也顯示北京夏季的風速一般小于微風(風速為3m/s)。本試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:在一般風速較小的條件下,兩種狀態(tài)下試件的溫差最大不會超過3.0℃,而且一般都是在1.0℃左右的。由此可見,北京夏季一般天氣情況下,通風不暢條件下與通風良好條件下試件溫度的差別可以忽略。3.1.2典型風暴天氣中的高差在大風天氣條件下,兩種條件下試件溫度會有較大的差別,在中午太陽光照射最強烈的時候這種差值最大能達到6.0℃。3.2試驗鋼兩側(cè)溫度的比較3.2.1鋼板兩側(cè)溫度測定從4月20日到4月29日,實驗在圖5的測點布置方案的基礎上,增加工字形試件的溫度測點。實測數(shù)據(jù)顯示:工字形試件鋼板兩側(cè)的溫度差別很小,基本不超過0.4℃。所以,工字形試件可以忽略沿厚度方向的溫度梯度和熱流動。3.2.2箱形試驗(1)統(tǒng)計中的平均差異實測數(shù)據(jù)顯示:在一般天氣條件下,箱形構(gòu)件內(nèi)外壁的溫度差在1.0℃左右且最大值小于2.0℃,所以箱形試件內(nèi)外壁溫度的差別可以忽略。(2)典型日照時間下的高差在極限的日照、風速條件下,內(nèi)外壁溫度的差值依然比較小,但是在下午的時候差值會超過2.0℃。3.3不同溫度和濕度的比較利用各個典型日的數(shù)據(jù),以17:00的測溫數(shù)據(jù)為基數(shù),計算其他時刻測溫數(shù)據(jù)與基數(shù)之間的差值,分析試件日間整體溫度的變化情況。3.3.1整體溫度差值的變化從圖12a、12b中可以看出:(1)試件不同時刻的溫度差值與溫升差值變化幅度大,均超過5℃;(2)整體溫度差值的變化趨勢近似于頂點在15:00的拋物線,由此可見,15:00左右溫度最高,9:00左右溫度最低;(3)整體溫升差值的變化規(guī)律不明顯,但可以看出11:00～15:00間的溫升較為接近,9:00和17:00的溫升較低。3.2.2文本試驗工作如圖12c、12d所示,工字形試件日間整體溫度的變化情況與箱形試件相似。3.4對溫升的不同分析比較5月14日雨天、5月16日陰天、5月18日典型日晴天這三天的試件整體溫升,分析不同天氣狀況時試件溫升的差別。從圖13中可以看出:陰雨天氣條件下,試件的溫升基本在0℃左右,且在一天中保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。其中,陰天中試件的整體溫升為正值,雨天中試件的整體溫升為負值(試件表面有水,紅外測溫儀所測溫度低于環(huán)境溫度)。3.5鋼板的溫度差異利用各個典型日的數(shù)據(jù),以底面鋼板的溫度為基數(shù),計算頂面鋼板溫度與基數(shù)之間的差值,分析構(gòu)件不同鋼板之間的溫度差別。從圖14中可以看出:(1)這兩種試件頂面鋼板與底面鋼板的最大溫差均超過10℃,可見鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件各塊鋼板的溫度差異較大;(2)各塊鋼板的溫度差異大小與試件接受的日照輻射強度以及角度有關(guān),若不均勻接受光照,則溫度差異大,若均勻接受光照,則溫度差異小。3.6測溫數(shù)據(jù)與個數(shù)的關(guān)系利用各個典型日的數(shù)據(jù),以頂面鋼板中間測點(1-2、2-2)的測溫數(shù)據(jù)為基數(shù),分別計算東側(cè)點(1-1、2-1)、西側(cè)點(1-3、2-3)測溫數(shù)據(jù)與基數(shù)之間的差值,分析試件頂面鋼板各測點的溫度差值(圖15、16)。3.6.1鋼板溫度的變化從圖15中可以看出:(1)頂面鋼板3個測點的溫度差別可超過5℃?？梢娂词故峭粔K鋼板,各部分的溫度差別也是比較大的;(2)溫度梯度方向與時間(即日照角度)有關(guān)。如早上9:00,測點1-1溫度最高,1-3溫度最低;中午13:00,測點1-2溫度最高;下午17:00,1-3溫度最高,1-1溫度最低。3.6.2常用的幾種方法從圖16中可以看出:(1)工字形試件頂板各測點溫度基本相同;(2)工字形試件頂板尺寸小于箱形試件頂板尺寸,而且其與鋼板中間與腹板焊接,而不是像箱形試件在鋼板兩側(cè)與其他鋼板焊接,因此其溫度分布較為均勻。4鋼板與工字形構(gòu)件最高溫升溫通過對鋼結(jié)構(gòu)箱形構(gòu)件、工字形構(gòu)件的露天日照條件下溫度變化的試驗研究,測量了北京夏季兩種試件各個測點在每一天各個測溫時刻的溫度,在大量溫度數(shù)據(jù)的基礎上進行了統(tǒng)計分析,得出了如下結(jié)論:(1)北京夏季,箱形、工字形構(gòu)件整體的最大溫度為56℃,單塊鋼板的最大溫度為60℃。(2)北京夏季的11:00～15:00,箱形、工字形構(gòu)件整體的半月平均溫升為