梁柱節點抗火研究評述

張麗娜 王暉

摘要：鋼材雖然不能燃燒，但是鋼材在高溫下其力學性受溫度影響很大。一旦火災發生，鋼結構極易破壞。節點作為鋼結構受力的關鍵部位，研究其高溫力學性能是研究框架乃至整體結構在火災下力學性能的重要基礎。本文介紹了梁柱節點的不同類型，總結了國內外研究人員開展試驗研究和理論研究的成果, 指出了目前梁柱節點研究亟待解決的問題和今后發展的方向。

關鍵字：鋼結構；梁柱節點；抗火

中圖分類號：TU319 文獻標識碼： A

1研究背景與意義

梁柱節點作為鋼結構建筑中一個重要的連接組成部分，對于整個結構的性能發揮著不可或缺的作用，梁柱節點的特性不僅關系到整個鋼結構建筑的整體性、安全性、經濟型、可靠性，同時還與結構的自振周期、內力分布、整體變形有著密切聯系。伴隨著對鋼結構抗火性能的深入研究，人們逐漸意識到梁柱節點在鋼結構抗火研究中的重要地位，一旦梁柱節點在火災中發生破壞，可能會導致整體結構的坍塌，對人民的生命安全和財產安全造成嚴重的威脅，因此研究梁柱節點其在火災下的力學性能至關重要。

2梁柱節點的分類

根據連接的剛度將梁柱連接分為剛性連接、半剛性連接和柔性連接三類。

剛性連接是指梁柱之間沒有相對轉角，連接處可以傳遞彎矩，具有較高的抵抗彎矩的能力，因其構造簡單而廣泛采用。可將剛性連接分為全焊接連接、栓焊連接和全螺栓連接三類。

柔性連接是指梁柱之間不能傳遞彎矩作用，只能傳遞剪力作用，且能發生較大的相對轉動，通常我們近似認為內縮式端板連接和角鋼腹板連接是柔性連接。

半剛性連接是指梁柱之間的連接性能介于剛性連接和柔性連接之間，不但可以傳遞彎矩和剪力，而且允許節點產生一定的轉動。半剛性連接的常見形式有以下幾種：外伸式（平齊式)端板連接、頂底角鋼連接、短T型鋼連接節點、帶雙腹板角鋼的頂底角鋼連接。

4 國內外研究現狀

4.1 國外研究現狀

Lawson[1]于1990年對三種不同形式的端板連接進行抗火試驗，實驗結果表明，三種梁柱節點在高溫下具有非常顯著的抗彎承載力，可達到常溫時對應的抗彎承載力的2/3，同時Lawson提出了節點傳遞彎矩對鋼梁抗火設計的有所影響。1998年Al-Jabri[2]對平齊式端板連接、柔性端板連接和柔性端板復合連接進行了一系列的抗火試驗，分析研究節點在恒載升溫條件下，不同端板類型、厚度、尺寸大小對結果的影響并得到各種連接的彎矩-轉角-溫度曲線。2005年K.S.Al-Jabri[3]對五種不同類型的半剛性梁柱節點進行高溫試驗，研究在不同荷載情況下節點的抗火性能，根據試驗得到的彎矩-轉角-溫度曲線并通過分析對比節點的抗彎承載力、轉動剛度。2004年A.Rahman[4]用ANSYS建立三維有限元模型，模擬了鋼結構柔性剪力板連接節點在火荷載作用下的行為響應，得出了不同荷載情況下剪力板塑性應變發展情況和節點的時間-轉角曲線。2006年K.S.Al-Jabri[5]運用有限元軟件ABAQUS模擬實驗中相同參數的平齊式端板連接，通過與試驗結果相對比，發現得到的失效模式和彎矩-轉角曲線比較吻合。

4.2 國內研究現狀

王衛永[6]等通過火災試驗爐對全焊接、栓焊節點和外伸端板節點進行火災試驗，發現加勁肋能明顯提高全焊接節點和外伸端板連接節點抗火性能，端板厚度對外伸端板連接節點抗火性能影響不大。隋炳強對全焊接連接和栓焊連接進行抗火試驗研究，研究表明，全焊接接連的臨界溫度比栓焊連接略高且二者的極限轉角相差不大，試驗結果與有限元的結果基本一致，并對梁柱節點的抗火設計提出建議[7]。楊秀萍[8]等通過有限元軟件ANSYS利用殼單元和梁單元建立有限元模型，對上端外伸式端板連接梁柱節點進行抗火分析，得到了節點的轉角-時間曲線及應力云圖，并進行了少量的參數分析。

5、結論

綜上所述，目前國內對梁柱節點抗火分析有較多的實驗與理論研究，今后應在一下方向進行進一步的研究：

（1）梁柱節點是構件相互作用、相互約束的關鍵。目前對節點抗火性能的研究,基本上不考慮節點外力的變化。而實際結構中,隨著溫度變化,節點受力有著復雜的變化,這些對節點抗火性能的影響,仍有待進一步研究。

（2）單個構件的研究不能準確反映其在整體結構中的力學性能和反應,應考慮結構整體性影響下的節點力學性能,為結構抗火性能化設計打下良好的基礎。

（3）建立試驗數據庫，為研究人員今后的研究提出借鑒，為組合結構設計規范的制定依據。

（4）開發新的梁柱連接組合節點形式。

參考文獻

[1]Lawson, R. M. Behavior of steel beam-to-column connection in fire[J].Structural Engineer,1990,68(14):263-271.

[2] Al-Jabri, K.S, Lennon, T,Burgess,I.W. Plank, R.J. Behavior of steel and composite beam-column connections in fire[J].Journal of Constructional Steel Research. 1998, 46(1-3):308-309.

[3] Al-Jabri,K.S, Burgess,I.W, Lennon,T. and Plank,R.J.Moment-rotation-temperature curves for semi-rigid joints[J]. Journal of Constructional Steel Research , 2004, 61:281–303.

[4] A. Rahman, R. Hawileh, M. Mahamid. The effect of fire loading on a steel frame and connection[A]. High Performance Structures and Materials II[C], C.A. Brebbia and W.P. De Wilde (Editors). WIT Press,2004: 307-316.

[5] Al-Jabri,K.S, Seibi,A. and Karrech,A. Modelling of un-stiffened flush end-plate bolted connections in fire[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62: 151–159.

[6] 王衛永, 董毓利, 蔣寶鋒, 陳建強. 加勁肋和端板厚度對梁柱邊節點抗火性能的影響[J]. 工業建筑,2008,38(2):99-102.

[7] 隋炳強, 董毓利, 王衛永, 等.鋼框架中柱剛節點抗火性能試驗研究[J]. 東南大學學報,2007, 37(4):651-655.

[8] 楊秀萍，王興武, 郝淑英， 姚斌. 鋼結構外伸端板連接抗火性能研究[J].武漢大學學報,2007, 40(40):55-58.