钢结构温度试验研究

钢结构温度试验研究

0钢结构构件温度场分布的定量分析随着大型钢结构建设项目的增多，温度影响钢结构的影响引起了设计师的广泛关注。目前,由于GB50009—2001《建筑结构荷载规范》以及其他相关规范并没有给出钢结构在露天日照条件下温度场分布的确定方法,设计者一般只能根据经验定性地对钢结构的温度效应进行分析处理。然而文献指出,当箱形截面构件平均温升(构件温度与环境温度之间的差值)达到10℃、20℃时,构件的温度应力分别为24.72MPa、49.44MPa,可见定量分析钢结构的温度效应是必要的。而定量分析钢结构的温度效应的基础是准确确定温度场的分布,因此,如何确定钢结构构件露天日照条件下的温度成为了一个亟待解决的课题。钢结构构件在露天日照条件下的温度的影响因素众多:环境温度、风速、太阳辐射照度、材料热工性能、构件的方位朝向等,而且已有的相关工程数据、资料较少。目前,对于钢结构温度场分布的计算方法主要有两种:室外温度综合法以及有限元法。室外温度综合法有许多简化与假定,其准确性难以保证;有限元法的计算量大、商业运用软件开发不完善,并且许多参数不易确定,难以运用于实际工程。因此,实测露天日照条件下钢结构构件温度有着重要的意义。为合理确定钢结构的温度场分布,本文从2009年4月下半月到2009年9月上半月连续测量了两种截面钢结构试件的温度。1试验计划1.1试件的布置和制作试验的地点为北京清华大学四层建筑的屋顶,日间始终能接受到太阳光的照射;试件的长度方向沿南北方向布置,详见图1;试件采用Q345钢材焊接制成,表面采用深红色的涂漆;试件包括工字形、箱形两种截面,具体尺寸见图2;箱形试件一端用钢板密封,另一端在用隔热材料密封,具体试件见图3。试验一共制备了4个试件,其中工字形、箱形试件各2个;试验条件分为通风良好、通风不畅两种条件,详见图4。1.2测点布置和测点温度的测量现场测量记录4个试件上各个测点的温度以及周围环境温度,观察记录天气状况以及风速状况。在分析钢桥的温度场分布时,可以忽略沿钢梁纵向的热流动;在预测箱形钢结构的温度场分布时,可忽略沿结构纵向的热流动。所以,试验的测点只布置在试件的中间截面上,详见图5。定义箱形构件朝向上、西、下、东的4块钢板的编号分别为A、B、C、D,工字形构件上翼缘、下翼缘、腹板的编号分别为E、F、G。试件外部测点温度的测量采用红外线测温仪,精度为1.0℃;箱形试件内部测点(编号带“′”的测点)温度的测量采用铜-康铜热电偶测温,精度为1.0℃;环境温度的测量采用水银温度计。每日的测温时刻为9:00、11:00、13:00、15:00、17:00,一次测温的总时间不超过8min。2好的条件下试验对象的温度2.1钢板温度的测量以半个月(约15d)为一个时间段,统计出试件整体和各块钢板在各测温时刻的平均温度,绘制出试件的日间温度-时间变化曲线。试件整体温度为各块钢板温度的算术平均值。A钢板的温度为测点1-1、1-3的温度值与两倍1-2的温度值的算术平均值,其他钢板的温度以相同的方法计算。对一个时间段内每日各测温时刻的温度进行算术平均,得出试件整体和各块钢板的半月平均温度。2.1.1钢板温升-时间变化曲线图6为箱形构件半月平均温度-时间变化曲线,从中可以看出:(1)在不同时间段内,箱形试件整体、各块钢板以及气温的平均温度-时间变化曲线的变化规律大致相同。A钢板始终向阳,其温度变化呈抛物线的形状,其温度在15:00之前是各块钢板中最高的。B钢板垂直朝向西,从中午开始才逐渐接受到太阳光的照射,其温度在15:00之前一直上升,此后为各块钢板中温度最高的。C钢板始终背阳,不能接收到太阳辐射,只有空气、相邻构件的传热使它升温,其温度变化规律与气温变化规律相近。D钢板垂直朝向东,只有在上午才能接受到太阳光的照射,在11:00已经接近最高温度,直到15:00都基本保持同一温度。试件整体温度的变化规律与气温的变化规律相近,于13:00～15:00之间达到最高值。(2)任意时刻箱形试件截面的温度分布都是不均匀的,相邻钢板之间最大的温差超过5℃。(3)6～8月份为北京的雨季,图6中7月下半月的试件平均温度明显低于7月上半月及8月上半月的试件平均温度,是因为这半个月里阴雨天气较多。(4)试件整体平均温升-时间变化曲线如图7a所示。可以看出:箱形试件整体平均温升的变化波动比较大,但就11:00～15:00这个时间段而言,基本维持在7～10℃。(5)箱形试件A钢板为温升最多的钢板,其平均温升-时间变化曲线如图7b所示。可以看出:箱形试件向阳面钢板的最大平均温升出现在太阳垂直照射在钢板上的时刻,可达10～15℃,且平均温升随时间的变化规律呈抛物线形状。2.1.2腹板g钢板温升-时间变化规律图8为工字形构件半月平均温度-时间变化曲线,从中可以看出:(1)在不同时间段内,工字形试件整体、各块钢板以及气温的平均温度-时间变化曲线的变化规律大致相同。E钢板始终向阳,为试件中温度最高的一块钢板,其平均温度-时间变化曲线呈现抛物线形状。下翼缘F钢板在各个时刻只有部分能接受到太阳光照射。腹板G钢板由于受到上翼缘的遮挡,其温度变化规律与F钢板相近。工字形试件各个钢板的平均温度相差不大,试件整体温度的变化规律与气温的变化规律相近,于13:00～15:00达到最高值。(2)正午时刻,工字形构件截面温度分布的不均匀程度达到最大,相邻板之间最大的温差超过5℃,而在上午、下午,工字形试件的温度分布比较均匀。(3)试件整体平均温升-时间变化曲线如图7c所示。可以看出:工字形试件整体平均温升的变化波动比较大,但就11:00～15:00这个时间段而言,温差基本维持在7～10℃。(4)工字形试件E钢板为温升最多的钢板,其平均温升-时间变化曲线如图7d所示。可以看出:工字形试件向阳面钢板的最大平均温升出现在太阳垂直照射在钢板上的时刻,可达8～13℃,且其随时间的变化规律呈现抛物线形状。2.2钢结构构件平面温度大、气温高时当天气晴朗无云、风速小、太阳照射强烈、气温高时,钢结构构件温度会比较高。所以以半个月(约15天)为一个时间段,将试验中试件温度最高的晴天称为典型日。2.2.1钢板温升-时间变化曲线图9为箱形试件典型日温度-时间变化曲线。可以看出:(1)箱形试件典型日温度-时间变化曲线与半月平均温度-时间变化曲线的变化规律相似,试件整体温度于13:00～15:00达到最大值,此时试件的温度场分布不均匀,各块钢板最大温度差超过10℃;(2)北京夏季,箱形试件整体温度的最大值达到了56℃,钢板温度最大值达到了60℃。箱形试件整体温升-时间变化曲线、A钢板温升-时间变化曲线分别如图10a、10b所示。可以看出:箱形试件各时刻的温升变化波动比较大,基本在5℃以上。就11:00～15:00而言,整体温升基本在10～16℃,向阳A钢板温升基本在15～22℃。2.2.2温升-时间变化规律图11为工字形试件典型日温度-时间变化曲线。可以看出:(1)工字形试件典型日温度-时间变化曲线与半月平均温度-时间变化曲线的变化规律相似,试件整体温度于13:00～15:00达到最大值,此时试件的温度场分布不均匀,各块板最大温度差超过10℃;(2)北京夏季,工字形的整体温度最大值达到了56℃,钢板温度最大值达到了58℃。工字形试件整体温升-时间变化曲线、E钢板温升-时间变化曲线分别如图10c、10d所示。可以看出:工字形试件各时刻的温升变化波动比较大,基本在5℃以上。就11:00～15:00而言,整体温升基本在9～15℃,向阳E钢板温升基本在13～18℃。3比较和分析试验统计结果3.1结构构件温度分布的影响因素箱形钢构件顶板的流换热系数对温度场分布的影响最大,其中风速又是流换热系数大小的重要影响因素之一。风速越大,结构构件温度越接近环境温度。结构设计中,风速一般取1m/s,而且得到多数文献证实,这样的计算结果偏于安全。但是,在准确确定温度场分布时,风速的影响是不可忽略的。因此,试验做了两种通风条件下试件温度的对比。3.1.1京夏季风速特征北京夏季的平均风速为1.6m/s,在全国各城市里是比较小的,气象局实测数据也显示北京夏季的风速一般小于微风(风速为3m/s)。本试验统计数据表明:在一般风速较小的条件下,两种状态下试件的温差最大不会超过3.0℃,而且一般都是在1.0℃左右的。由此可见,北京夏季一般天气情况下,通风不畅条件下与通风良好条件下试件温度的差别可以忽略。3.1.2典型风暴天气中的高差在大风天气条件下,两种条件下试件温度会有较大的差别,在中午太阳光照射最强烈的时候这种差值最大能达到6.0℃。3.2试验钢两侧温度的比较3.2.1钢板两侧温度测定从4月20日到4月29日,实验在图5的测点布置方案的基础上,增加工字形试件的温度测点。实测数据显示:工字形试件钢板两侧的温度差别很小,基本不超过0.4℃。所以,工字形试件可以忽略沿厚度方向的温度梯度和热流动。3.2.2箱形试验(1)统计中的平均差异实测数据显示:在一般天气条件下,箱形构件内外壁的温度差在1.0℃左右且最大值小于2.0℃,所以箱形试件内外壁温度的差别可以忽略。(2)典型日照时间下的高差在极限的日照、风速条件下,内外壁温度的差值依然比较小,但是在下午的时候差值会超过2.0℃。3.3不同温度和湿度的比较利用各个典型日的数据,以17:00的测温数据为基数,计算其他时刻测温数据与基数之间的差值,分析试件日间整体温度的变化情况。3.3.1整体温度差值的变化从图12a、12b中可以看出:(1)试件不同时刻的温度差值与温升差值变化幅度大,均超过5℃;(2)整体温度差值的变化趋势近似于顶点在15:00的抛物线,由此可见,15:00左右温度最高,9:00左右温度最低;(3)整体温升差值的变化规律不明显,但可以看出11:00～15:00间的温升较为接近,9:00和17:00的温升较低。3.2.2文本试验工作如图12c、12d所示,工字形试件日间整体温度的变化情况与箱形试件相似。3.4对温升的不同分析比较5月14日雨天、5月16日阴天、5月18日典型日晴天这三天的试件整体温升,分析不同天气状况时试件温升的差别。从图13中可以看出:阴雨天气条件下,试件的温升基本在0℃左右,且在一天中保持较为稳定的状态。其中,阴天中试件的整体温升为正值,雨天中试件的整体温升为负值(试件表面有水,红外测温仪所测温度低于环境温度)。3.5钢板的温度差异利用各个典型日的数据,以底面钢板的温度为基数,计算顶面钢板温度与基数之间的差值,分析构件不同钢板之间的温度差别。从图14中可以看出:(1)这两种试件顶面钢板与底面钢板的最大温差均超过10℃,可见钢结构构件各块钢板的温度差异较大;(2)各块钢板的温度差异大小与试件接受的日照辐射强度以及角度有关,若不均匀接受光照,则温度差异大,若均匀接受光照,则温度差异小。3.6测温数据与个数的关系利用各个典型日的数据,以顶面钢板中间测点(1-2、2-2)的测温数据为基数,分别计算东侧点(1-1、2-1)、西侧点(1-3、2-3)测温数据与基数之间的差值,分析试件顶面钢板各测点的温度差值(图15、16)。3.6.1钢板温度的变化从图15中可以看出:(1)顶面钢板3个测点的温度差别可超过5℃。可见即使是同一块钢板,各部分的温度差别也是比较大的;(2)温度梯度方向与时间(即日照角度)有关。如早上9:00,测点1-1温度最高,1-3温度最低;中午13:00,测点1-2温度最高;下午17:00,1-3温度最高,1-1温度最低。3.6.2常用的几种方法从图16中可以看出:(1)工字形试件顶板各测点温度基本相同;(2)工字形试件顶板尺寸小于箱形试件顶板尺寸,而且其与钢板中间与腹板焊接,而不是像箱形试件在钢板两侧与其他钢板焊接,因此其温度分布较为均匀。4钢板与工字形构件最高温升温通过对钢结构箱形构件、工字形构件的露天日照条件下温度变化的试验研究,测量了北京夏季两种试件各个测点在每一天各个测温时刻的温度,在大量温度数据的基础上进行了统计分析,得出了如下结论:(1)北京夏季,箱形、工字形构件整体的最大温度为56℃,单块钢板的最大温度为60℃。(2)北京夏季的11:00～15:00,箱形、工字形构件整体的半月平均温升为