空間鋼框架全焊接節點抗火設計的有限元分析

孫燕飛　席豐

摘要：為考察鋼框架梁柱連接的抗火性能，建立平面鋼框架全焊接節點有限元模型，用ANSYS分析其在火載荷作用下的行為，得到的溫度轉角曲線與試驗數據基本吻合；通過數值模擬得到不同載荷比值下的4種空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線.結果表明：載荷比值不同，空間鋼框架全焊接節點在火災作用下的臨界溫度不同；在相同的載荷比值下，不同空間鋼框架全焊接節點的臨界溫度也不相同.在空間鋼框架全焊接節點的抗火設計中，應加強對H型柱翼緣與梁連接方向的邊節點和角節點的防火保護.

關鍵詞：空間鋼框架； 梁柱焊接節點； 抗火； 載荷比值； 臨界溫度； 有限元

中圖分類號： TU392

文獻標志碼： B

0引言

近年來，鋼材的優良性能使其在建筑行業得到廣泛應用，但鋼材的力學性能對溫度的敏感性很強.鋼材的耐火性差，在火災下鋼框架會產生嚴重破壞，因此研究鋼框架抗火性能很重要.

梁柱節點是鋼框架的重要組成部分[1]，也是鋼框架組成中的薄弱環節.節點的破壞容易導致鋼框架的整體破壞[2]，造成不可估量的損失，因此研究節點抗火性能尤為重要.盡管鋼框架抗火研究已取得很大進展，但主要集中在整體框架和單個構件的響應和失效行為[34]的探討上，關于梁柱的連接性能以及抗火特性分析相對較少.目前，節點抗火研究的方法主要有試驗和有限元分析2種：試驗能更真實地研究節點的抗火性能，但需要花費大量資金，得到的結構響應和失效信息也有限；有限元分析不僅可以模擬在高溫時的節點性能，進行大量的參數研究，而且可以減少研究的時間和經費.

近年來，國內外學者對鋼框架梁柱節點的研究日益增多.LAWSON[5]對剛性組合節點、半剛性組合節點以及彈性組合節點等進行8組試驗，得到溫度轉角關系；李國強等[6]對梁端軸向約束作用下平端板螺栓連接組合節點的抗火性能進行試驗研究，試驗結果表明在結構中組合節點與梁相互影響、共同作用；DAI等[7]運用Abaqus對10種不同種類的連接形式進行火災模擬，并與試驗結果進行對比，發現有限元可以準確描述節點在火災時發生破壞的全過程；ALJABRI[8]通過對一系列梁柱半剛性連接進行抗火試驗，得到不同連接形式的彎矩轉角溫度曲線，研究半剛性節點在高溫時的力學行為；王衛永等[9]通過試驗和有限元分析得到焊接邊節點溫度轉角曲線，對高溫下焊接邊節點進行抗火性能研究；李曉東等[10]通過試驗得到幾種鋼框架梁柱節點的溫度轉角關系，并對節點在高溫時的力學性能進行討論；隋炳強等[11]通過試驗和有限元分析得到幾種節點在高溫時的溫度轉角曲線，并對幾種節點的抗火性能進行對比分析；BURSI等[12]運用Abaqus模擬梁柱在高溫時螺栓連接的力學性能.SHRIH等[13]運用ANSYS對平齊式端板連接節點進行抗火分析，得到在不同載荷工況時節點的溫度轉角曲線，并與試驗進行對比.

綜合上述研究可知，對節點抗火性能的研究主要集中在對平面鋼框架節點的試驗和有限元分析上.在實際結構中，空間鋼框架梁與柱不僅在柱截面的強軸方向上有連接，而且在柱截面的弱軸方向也有連接，并且在柱截面弱軸方向上與梁的連接對節點抗火性能有影響.目前，關于這種影響的評估尚不充分，需通過數值模擬進行定量分析.基于這樣的考慮，本文對帶有梁柱弱軸連接的空間鋼框架全焊接節點進行初步研究，得到在不同載荷工況時空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線，為空間鋼框架全焊接節點抗火設計提供參考.

1有限元模型驗證

1.1有限元模型

平面鋼框架全焊接邊節點幾何尺寸和載荷與文獻[10]相同：鋼柱采用H244×175×7×11規格（在常溫下，其鋼材屈服強度為285 MPa）；鋼梁采用H250×125×6×9規格（在常溫下，其鋼材屈服強度為330 MPa），柱長3.0 m，柱頂施加125 kN集中力，梁長1.35 m，梁懸臂端施加30 kN集中力.

平面鋼框架全焊接中節點幾何尺寸和載荷與文獻[11]相同：鋼柱采用H244×175×7×11規格，鋼梁采用H250×125×6×9規格（在常溫下，梁和柱鋼材屈服強度均為285 MPa），柱長3.0 m，柱頂施加125 kN集中力，梁長1.35 m，距梁懸臂端1.2 m對稱施加30 kN集中力.

運用ANSYS建立平面鋼框架全焊接節點模型時采用SOLID 45單元.SOLID 45單元適用于構造三維固體結構，通過8個節點定義，每個節點有沿著x，y和z這3個方向的平移自由度；具有塑性、膨脹、應力強化、大變形和大應變能力，可以施加單元表面載荷和節點溫度體載荷等.在劃分網格時，為得到精確的計算結果，需要對梁柱節點附近網格進行加密處理[14]，見圖1，平面鋼框架全焊接邊節點單元數目為51 803個，平面鋼框架全焊接中節點單元數目為68 101個.

另外，由圖3可知，本文計算所得結果與文獻[1011]試驗所得結果基本一致，但計算所得結果的臨界溫度偏高一點.產生這種差距的原因有多種，如模擬采用的材料模型與實際鋼材的材料性質有差距，有限元模擬受火與試驗受火情況有差距等.但是，本文模擬所得溫度轉角曲線趨勢是合理的，在一定程度上可以合理反映節點受火的性能，同時，若要比較不同節點受火時臨界溫度的大小關系，該誤差不會影響比較結果.

由圖3還可知，本文計算的節點受火變形圖與文獻[10]試驗中的變形圖一致，說明本文建立的有限元模型正確，加載方法也合理，有限元模擬結果可以合理地描述節點在高溫時的溫度轉角關系和變形形態.

2空間節點在高溫時的有限元分析

在實際情況下，鋼框架的節點都為空間節點，即梁和柱不僅在柱截面強軸方向（圖4中x方向）上有連接，而且在柱截面弱軸方向（圖4中y方向）上有連接.本文在文獻[10]平面鋼框架全焊接節點試驗的基礎上，建立空間鋼框架中的幾種全焊接節點，運用ANSYS建模進行計算，提取4種節點在不同載荷作用下的溫度轉角關系進行對比分析.

2.24種空間鋼框架全焊接節點的有限元模型

2.2.1有限元模型

由圖11～14可對比4種空間鋼框架全焊接節點的變形特征：（1）對于有梁連接的柱翼緣，與梁上翼緣對應處的柱翼緣受火外凸，與梁下翼緣對應的柱翼緣受火內凹.這是因為節點處在彎矩作用下梁上翼緣受拉帶動相應位置的柱翼緣向外凸出，同時梁下翼緣受壓導致柱翼緣相應位置內凹.（2）對于沒有梁連接的柱翼緣，其變形較小且較均勻.這是因為這類柱翼緣受到的作用力來自于腹板傳遞，力經腹板傳遞到柱翼緣，導致受拉和受壓的區域增大[9]，使沒有梁連接的柱翼緣彎曲變形變小.

2.3.2空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線

空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線的提取原則：首先分別提取x和y方向上節點的溫度轉角曲線，然后取2條溫度轉角曲線中臨界溫度中相對較小的那條作為空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線，用于判斷空間鋼框架全焊接節點的臨界溫度.

對計算數據進行處理，結果見圖15.

由圖15可知，4種空間鋼框架全焊接節點隨著載荷比值的增大，臨界溫度降低，即載荷比值γ的增大對抗火不利；在4種空間鋼框架全焊接節點中，y方向邊節點和中節點的臨界溫度較高，x方向邊節點和角節點臨界溫度較低，因此，在鋼框架節點抗火保護中尤其需要注意加強角節點和x方向邊節

點的防火保護；γ>1.0時角節點的臨界溫度與γ≤1.0時角節點的臨界溫度相比，變化幅度比其他幾種節點明顯，因此當y方向上梁的載荷大于x方向上梁的載荷時，尤其需要注意加強角節點的防火保護.

3結論

運用ANSYS采用簡化模擬方法對平面鋼框架全焊接邊節點、平面鋼框架全焊接中節點以及4種空間鋼框架全焊接節點進行抗火計算，得到以下結論：

（1）對平面鋼框架全焊接邊節點和平面鋼框架全焊接中節點進行計算，所得的結果與文獻[1011]的試驗結果吻合，驗證本文有限元模型的合理性.

（2）通過對比4種空間鋼框架全焊接節點高溫下的有限元模擬結果發現，與梁連接的柱翼緣的變形形態一致，且較無梁連接的柱翼緣變形大；從溫度轉角曲線可知，H型柱翼緣與梁連接方向的邊節點和角節點臨界溫度較低，H型柱腹板與梁連接方向的邊節點和中節點臨界溫度較高.因此，在空間鋼框架全焊接節點的抗火設計中，要注意加強對H型柱翼緣與梁連接方向的邊節點和角節點的防火保護；γ>1.0時角節點的臨界溫度明顯小于γ≤1.0時角節點的臨界溫度.當H型柱腹板與梁連接方向梁端載荷大于H型柱翼緣與梁連接方向梁端載荷時，角節點臨界溫度明顯降低，在進行抗火設計時，要注意加強對角節點的防火保護.

參考文獻：

[1]WANG Y C. Steel and composite structures： behavior and design for fire safety[M]. London： Spon Press， 2002.

[2]余紅霞， 劉濤. 美國世貿中心WTC7次梁柱節點高溫下的破壞行為分析[J]. 鋼結構， 2010， 25（8）： 7682.

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[6]李國強， 李僥婷， 樓國彪. 梁端受框架約束的平端板連接組合節點抗火性能試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2011， 32（4）： 125133.

[7]DAI X H， WANG Y C. Numerical modelling of structural fire behaviour of restrained steel beamcolumn assemblies using typical joint types[J]. Eng Structures， 2010， 32（8）： 23372351.

[8]ALJABRI K S. Momentrotationtemperature curves for semirigid joints[J]. J Constructional Steel Res， 2005， 61（3）： 281303.

[9]王衛永， 董毓利， 隋炳強. 焊接鋼框架邊節點抗火性能試驗[J]. 東南大學學報： 自然科學版， 2007， 37（2）： 240244.

[10]李曉東， 董毓利， 高立堂， 等. 鋼框架邊節點抗火性能的試驗研究[J]. 實驗力學， 2007， 22（1）： 1319.

[11]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： 自然科學版， 2007， 37（4）：651655.

[12]BURSI O S， JASPART J P. Benchmarks for finite element modelling of bolted steel connections[J]. J Constructional Steel Resh， 1997， 43（13）： 1742.

[13]SHIRH A， ADEEB R， ALJABRI K S. Finite element analyses of flush endplate connections between steel beams and columns at elevated temperatures[J]. Advances Struct Eng， 2009， 12（3）： 311324.

[14]陶津平， 秦琴. 復雜結構數值模擬的精細分析[J]. 計算機輔助工程， 2009， 18（3）： 5557.

（編輯陳鋒杰）

2.24種空間鋼框架全焊接節點的有限元模型

2.2.1有限元模型

由圖11～14可對比4種空間鋼框架全焊接節點的變形特征：（1）對于有梁連接的柱翼緣，與梁上翼緣對應處的柱翼緣受火外凸，與梁下翼緣對應的柱翼緣受火內凹.這是因為節點處在彎矩作用下梁上翼緣受拉帶動相應位置的柱翼緣向外凸出，同時梁下翼緣受壓導致柱翼緣相應位置內凹.（2）對于沒有梁連接的柱翼緣，其變形較小且較均勻.這是因為這類柱翼緣受到的作用力來自于腹板傳遞，力經腹板傳遞到柱翼緣，導致受拉和受壓的區域增大[9]，使沒有梁連接的柱翼緣彎曲變形變小.

2.3.2空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線

空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線的提取原則：首先分別提取x和y方向上節點的溫度轉角曲線，然后取2條溫度轉角曲線中臨界溫度中相對較小的那條作為空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線，用于判斷空間鋼框架全焊接節點的臨界溫度.

對計算數據進行處理，結果見圖15.

由圖15可知，4種空間鋼框架全焊接節點隨著載荷比值的增大，臨界溫度降低，即載荷比值γ的增大對抗火不利；在4種空間鋼框架全焊接節點中，y方向邊節點和中節點的臨界溫度較高，x方向邊節點和角節點臨界溫度較低，因此，在鋼框架節點抗火保護中尤其需要注意加強角節點和x方向邊節

點的防火保護；γ>1.0時角節點的臨界溫度與γ≤1.0時角節點的臨界溫度相比，變化幅度比其他幾種節點明顯，因此當y方向上梁的載荷大于x方向上梁的載荷時，尤其需要注意加強角節點的防火保護.

3結論

運用ANSYS采用簡化模擬方法對平面鋼框架全焊接邊節點、平面鋼框架全焊接中節點以及4種空間鋼框架全焊接節點進行抗火計算，得到以下結論：

（1）對平面鋼框架全焊接邊節點和平面鋼框架全焊接中節點進行計算，所得的結果與文獻[1011]的試驗結果吻合，驗證本文有限元模型的合理性.

（2）通過對比4種空間鋼框架全焊接節點高溫下的有限元模擬結果發現，與梁連接的柱翼緣的變形形態一致，且較無梁連接的柱翼緣變形大；從溫度轉角曲線可知，H型柱翼緣與梁連接方向的邊節點和角節點臨界溫度較低，H型柱腹板與梁連接方向的邊節點和中節點臨界溫度較高.因此，在空間鋼框架全焊接節點的抗火設計中，要注意加強對H型柱翼緣與梁連接方向的邊節點和角節點的防火保護；γ>1.0時角節點的臨界溫度明顯小于γ≤1.0時角節點的臨界溫度.當H型柱腹板與梁連接方向梁端載荷大于H型柱翼緣與梁連接方向梁端載荷時，角節點臨界溫度明顯降低，在進行抗火設計時，要注意加強對角節點的防火保護.

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（編輯陳鋒杰）

2.24種空間鋼框架全焊接節點的有限元模型

2.2.1有限元模型

由圖11～14可對比4種空間鋼框架全焊接節點的變形特征：（1）對于有梁連接的柱翼緣，與梁上翼緣對應處的柱翼緣受火外凸，與梁下翼緣對應的柱翼緣受火內凹.這是因為節點處在彎矩作用下梁上翼緣受拉帶動相應位置的柱翼緣向外凸出，同時梁下翼緣受壓導致柱翼緣相應位置內凹.（2）對于沒有梁連接的柱翼緣，其變形較小且較均勻.這是因為這類柱翼緣受到的作用力來自于腹板傳遞，力經腹板傳遞到柱翼緣，導致受拉和受壓的區域增大[9]，使沒有梁連接的柱翼緣彎曲變形變小.

2.3.2空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線

空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線的提取原則：首先分別提取x和y方向上節點的溫度轉角曲線，然后取2條溫度轉角曲線中臨界溫度中相對較小的那條作為空間鋼框架全焊接節點的溫度轉角曲線，用于判斷空間鋼框架全焊接節點的臨界溫度.

對計算數據進行處理，結果見圖15.

由圖15可知，4種空間鋼框架全焊接節點隨著載荷比值的增大，臨界溫度降低，即載荷比值γ的增大對抗火不利；在4種空間鋼框架全焊接節點中，y方向邊節點和中節點的臨界溫度較高，x方向邊節點和角節點臨界溫度較低，因此，在鋼框架節點抗火保護中尤其需要注意加強角節點和x方向邊節

點的防火保護；γ>1.0時角節點的臨界溫度與γ≤1.0時角節點的臨界溫度相比，變化幅度比其他幾種節點明顯，因此當y方向上梁的載荷大于x方向上梁的載荷時，尤其需要注意加強角節點的防火保護.

3結論

運用ANSYS采用簡化模擬方法對平面鋼框架全焊接邊節點、平面鋼框架全焊接中節點以及4種空間鋼框架全焊接節點進行抗火計算，得到以下結論：

（1）對平面鋼框架全焊接邊節點和平面鋼框架全焊接中節點進行計算，所得的結果與文獻[1011]的試驗結果吻合，驗證本文有限元模型的合理性.

（2）通過對比4種空間鋼框架全焊接節點高溫下的有限元模擬結果發現，與梁連接的柱翼緣的變形形態一致，且較無梁連接的柱翼緣變形大；從溫度轉角曲線可知，H型柱翼緣與梁連接方向的邊節點和角節點臨界溫度較低，H型柱腹板與梁連接方向的邊節點和中節點臨界溫度較高.因此，在空間鋼框架全焊接節點的抗火設計中，要注意加強對H型柱翼緣與梁連接方向的邊節點和角節點的防火保護；γ>1.0時角節點的臨界溫度明顯小于γ≤1.0時角節點的臨界溫度.當H型柱腹板與梁連接方向梁端載荷大于H型柱翼緣與梁連接方向梁端載荷時，角節點臨界溫度明顯降低，在進行抗火設計時，要注意加強對角節點的防火保護.

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（編輯陳鋒杰）