高温下钢框架荷载效应研究方法综述
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摘要：随着钢结构越来越广泛的应用于实际生产和生活中，对钢结构的防火性能的研究也不断得到重视。本文通过查阅文献，对高温下钢框架结构荷载效应的研究方法进行综述，得出各种方法存在的问题和缺陷，并对以后的研究发展进行了展望。
关键词： 高温 钢框架 温度应力
0 引言
钢结构由于强度高、自重轻、延性好、施工周期短等优点，在建筑结构中被广泛应用。但是由于钢材的导热系数大，高温作用下，钢材温度升高快，强度和弹性模量迅速下降，使钢结构在较短的时间内达到极限状态而发生破坏。
目前，对于钢框架柱荷载效应的研究方法主要有理论分析、试验研究和数值模拟三种方法。
1 高温下钢框架荷载效应的研究方法
1.1理论分析
1990 年，李国强提出了广义 Clough 模型[1]，其后，该校的谭巍[2]、曹文衔[3]分别根据广义 Clough 模型建立了高温钢结构梁单元切线刚度方程。文献[4]中也基于该模型，同时考虑了温度沿单元截面非均匀分布的影响，建立了高温下钢结构梁单元的切线刚度方程。
1994 年，李国强、金福安根据火灾时钢构件的内部温度分布及性能，进行了结构温度内力和钢框架非线性静力反应分析，并基于分析结果提出一种钢框架结构抗火极限状态的实用分析方法[5]。
1999年李国强，蒋首超，林桂祥编写的《钢结构抗火计算与设计》[6]一书中，提出了一种用结构力学处理超静定结构温度变化的方法。2000年蒋首超，李国强[7]利用结构力学的原理, 提出了局部火灾下钢框架温度内力的计算方法。具体步骤为：
①计算梁、住端轴向变形约束刚度;
②计算杆端转动约束刚度。
③根据下式求得带弹性杆端约束构件的温度应力：
具体参数参见文献[7]
2000年赵金城[8]提出一种直接迭代方法来分析受火钢框架的反应。该方法可以计算相应于特定荷载水平和温度分布的结构总体反应，在推导有限元方程时，采用了割线刚度矩阵，而不是常用的切线刚度矩阵，然后采用直接迭代法求解。该方法中考虑了大变形的二阶效应、材料随温度升高逐渐软化的性质、沿截面高度和构件长度方向的非弹性区域的逐渐扩展及钢构件内温度的非均匀分布等因素。根据提出的理论，编制了有限元分析程序NASFAF，与国外完成的一些钢框架火灾试验实例进行比较，吻合得较好。
2002年刘开国[9]提出采用三方程法及有限元分析程序，进行火作用下钢框架结构的温度内力分析。具体方法为，先将目标层各梁端固定，求出不平衡侧力；然后用节点剪力平衡条件建立三方程。计算简便但精度不高。
2006年标准CECS200-20065建筑结构防火规范6[10]用等效作用力的方法计算钢框架构件的温度应力。将受火构件的温度效应等效为杆端作用力, 并将该作用力作用在与该杆端对应的结构节点上, 然后, 按照常温下的分析方法进行结构分析, 得到该构件升温对结构产生的温度内力和变形。
2009年王新堂[11]，郑小尧等人在试验的基础上，对火灾下约束钢柱的结构响应进行了相应的有限元数值模拟。具体即在某个底层框架柱顶部位置施加单位力，但此时需要抽调该柱，再利用有限元软件MSC.marc对考虑火灾温度作用的钢框架进行结构响应计算，求出单位力作用点随温度变化的位移，最后倒数转化为随温度变化的柱端约束刚度。与试验结果对比表明，文中所采用的约束刚度的计算方法可行，可有效地解决多层框架结构单柱分析中所遇到的确定边界条件的难题。
1.2试验研究
国外已进行许多整体钢结构建筑火灾试验。1995-1998年英国钢铁公司进行了著名的卡丁顿试验，获得了大量关于整体结构火灾反应的资料。另外，Boradgate14层办楼试验、Churchill Plaza12层建筑火灾试验，Ausarthna41层火灾试验、German火灾试验以New Zealand火灾试验等均表明:钢框架结构的整体结构行为与未受约束的标准试验炉的单个构件的受力性能是完全不同的，构件间的相互作用也是标准火灾试验所不能模拟的，特别是钢梁、柱与混凝土板等的组合结构的相互作用是无法用标准试验来模拟估算的[12]。
C.G.Baily和D.B.Moore通过钢结构的试验，发现在钢框架受火过程中，由于钢梁的作用，对钢柱施加了一个水平力，这个力使得柱子产生了非常大的横向位移。这种由梁传递给柱子的横向位移对结构刚度和支点中心影响很大。文中介绍，当前的规范都忽略了由于温度作用而产生的梁传给柱子的力，并且建议对此进行进一步的研究，以保证钢柱在受火过程中的稳定性[13]。
沈祖炎、赵金城在同济大学土木工程防灾国家实验室进行了四次不同水平荷载作用下单层单跨钢框架结构的抗火试验[14]，试验得到了在火灾条件下钢框架结构各构件的温度分布、结构反应和破坏模式，以及高温下钢框架节点的变形情况。
2006年董毓利，李晓东[15~17]等人在国内首次进行了一系列钢框架足尺结构的火灾试验。一是对2榀H型截面单层单跨进行了火灾行为的足尺试验研究。结果表明，温度应力对整个试件的破坏形式、承载力都有一定的影响；钢框架中框架柱的破坏形式、破坏位置和极限温度与单个构件有明显的不同。二是对两层两跨组合钢框架进行抗火试验研究。试验主要测量局部火灾下各构件的温度，位移以及框架整体的位移，未涉及温度应力研究。
1.3 Ansys模拟
文献[18]利用ansys分析一3层3跨的框架结构火灾下钢柱的局部稳定性。结果表明：局部屈曲一般出现在H型钢柱端部翼缘处；当长细比较小时往往整体失稳与局部屈曲同时发生；当长细比相对较大是局部屈曲将先于整体失稳出现。
文献[19]利用ansys首先对支撑钢柱在不同温升曲线下钢柱的应力进行模拟研究，然后分析一2层3跨的钢框架柱内力分布。结果表明随温度升高，钢柱柱轴力先增加后减小。对于多高层钢框架结构，火灾发生在框架底层房间和中跨房间对整体结构更为不利。
方言勇，章涛林等[20]运用ansys软件进行了热力耦合作用下的单层钢框架力学性能研究。分析热力耦合作用下，不同应力-温度路径下钢材的应力-温度-应变三者的耦合关系。
方言勇，章涛林等[21]用ansys对3层3跨钢框架进行受热分析。结果表明火灾发生后，不仅是受火构件的内力受到高温的影响，未受火构件的内力也会发生变化，受火构件与周围结构中间的相互影响使得整体结构火灾下的内力分布是采用单根构件计算所无法模拟的。
2.结论与展望
本文对高温下钢框架荷载效应的研究方法进行综述，目前的研究方法中存在以下问题：
（1）运用非线性分析方法分析高温下钢框架的力学响应，对于钢结构温度应力的分析有着重要的意义，但是计算过程较为复杂。不便于实际工程运用。
（2）试验研究能观察到结构在火灾中的真实反应，根据试验结果可以更充分了解火灾条件下结构的整体性能，并为验证不同的理论模型提供试验依据，是验证理论分析方法正确与否的检验标准。但是试验研究中构件所处的环境固定，试验数据有限，无法给出在不同环境中构件稳定性的评估依据。
(3) 利用有限元软件Ansys进行结构受热研究，考虑几何非线性，材料非线性等，强大的后处理器为分析结构各参数对于结构温度应力的影响提供便利。但是建模过程繁琐，如果处理不当，对结果影响很大。
目前国内对于高温下的钢框架的荷载响应的研究主要局限于以上三个方面。基于试验数据研发高温下钢框架结构力学响应的软件，将是今后主要发展方向。
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