帶雙腹板頂底角鋼連接節點的抗火性能

王新武，代東亮，梁 斌，布 欣

（1.洛陽理工學院土木工程系，河南洛陽 471023；2.河南科技大學土木工程學院，河南洛陽 471023）

帶雙腹板頂底角鋼連接節點的抗火性能

王新武1，代東亮2，梁 斌2，布 欣1

（1.洛陽理工學院土木工程系，河南洛陽 471023；2.河南科技大學土木工程學院，河南洛陽 471023）

建立了帶雙腹板頂底角鋼梁柱連接節點有限元分析模型，對模型進行了熱－力耦合數值計算，分析了在溫度和力荷載工作作用下帶雙腹板頂底角鋼梁柱連接的承載力、溫度傳導和變形狀態。探討了帶雙腹板頂底角鋼梁柱連接節點中頂底角鋼、腹板、螺栓在高溫環境下受力機理以及螺栓受溫度影響預拉力損失規律，獲得了試驗難于測得的力學特性，為帶雙腹板頂底角鋼梁柱連接在抗火性能方面的應用提供理論依據。

熱－力耦合；半剛性連接；頂底角鋼；腹板角鋼

0 引言

帶雙腹板頂底角鋼連接是一種典型的半剛性連接，具有較強的變形能力和耗能能力，因此具有優越的抗震性能，已逐漸應用在鋼結構建筑中［1－3］。當鋼材處在較高溫度環境下時，鋼材的屈服強度明顯降低，由于在抗火實驗中，測試設備無法測出連接模型的應力和應變的變化情況；而對于高強螺栓連接來說，高強螺栓在高溫下的預拉力松弛表現的非常明顯，實驗設備也無法測出預拉力的松弛情況，因此，有關高強螺栓連接的抗火性能研究主要采用有限元數值模擬的方法進行。本文擬通過建立帶雙腹板頂底角鋼連接節點的有限元模型，研究在高溫環境作用下節點內部復雜的受力變化情況，從而對帶雙腹板頂底角鋼連接節點的抗火性能進行深入研究。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

為了和常溫下節點受力性能進行對比，雙腹板頂底角鋼梁柱連接節點模型選自文獻中的實驗模型［4］，梁柱連接模型中的梁、柱采用熱軋H型鋼，梁選用中翼緣H型鋼，型號為300 mm×200 mm，腹板厚度為8 mm，翼緣厚度為12 mm，柱選用寬翼緣H型鋼，型號為200 mm×200 mm（其中，腹板厚度為8 mm，翼緣厚度為12 mm），頂底角鋼采用等邊角鋼L100 mm×10 mm、腹板選用角鋼為不等邊角鋼L110 mm×70 mm×10 mm，柱節點域處加設水平加勁肋，其厚度為12 mm。所用鋼材的牌號為Q235B，梁柱尺寸如圖1所示。連接中的高強度螺栓采用10.9級直徑為20的螺栓，按照摩擦型高強螺栓來進行設計。

圖1 雙腹板頂底角鋼梁柱連接節點示意圖

1.2 有限元模型

在有限元分析模型中，采用SOLID70單元對模型中所有構件進行劃分單元，對于模型中各組件之間的接觸傳熱采用TARGET170單元與CONTACT174單元，高強螺栓的預拉力的模擬由預緊單元PRETS179完成。

1.3 高溫下結構鋼的力學性能參數選取

對于構件的抗火性能最早是通過試驗來確定的。為了使試驗測得的數據能相互比較，許多國家和組織都制定了標準的室內火災升溫曲線，即ISO834標準升溫曲線［5－8］。本文對于結構的升溫處理，采用ISO834標準升溫曲線。

對鋼材在高溫下的力學性能，本文選取歐洲規范EUROCODE3給出的鋼材的應力－應變本構關系，鋼材在高溫下的熱膨脹系數、初始彈性模量折減系數以及熱傳導系數等參數，均按照歐洲規范EUROCODE3來采用。

1.4 荷載的加載

在工程實踐中，鋼結構連接本身在安裝時需要給高強螺栓施加一定的預拉力，在使用過程中要承受外部荷載，當遇到火災時，還要承受溫度荷載。因此，在有限元分析中需要按照一定的步驟來模擬這3部分荷載的施加［9－10］：

第1步，利用預緊單元PRETS179對高強螺栓施加預拉力155 kN，同時鎖定預拉力。

第2步，施加外部荷載，主要包括梁柱連接節點所受的力。

圖2 節點溫度作用位置圖

第3步，通過熱分析得到的溫度場，以體荷載的形式進行熱荷載的施加。

為了更好的分析梁柱連接的受力性能，在柱兩端加上X、Y、Z這3個方向的約束，并在柱上端加上160 kN的力，在梁的端部加上12.5 kN的力。而對于溫度荷載是以對流和輻射的形式分別施加在梁的上翼緣和梁的下翼緣節點附近，當溫度荷載施加在梁上翼緣時為上升溫，施加在梁下翼緣時為下升溫，如圖2所示。

2 結果分析

2.1 梁端位移受溫度影響分析

圖3a為梁端溫度隨時間變化曲線圖，符合國際標準升溫曲線。從圖3a中可以看出：對于相同點位上升溫要比下升溫對鋼結構溫度影響略高，但兩種基本上趨于一致。圖3b為梁端位移隨溫度變化曲線圖，當下升溫時，由于梁下翼緣直接受熱，因此梁下部受熱膨脹，從而梁有向上彎曲趨勢，當梁端溫度達到600℃后，由于鋼材的屈服強度下降明顯，梁在力的作用下開始屈服，從而梁有向下彎曲趨勢。對于上升溫和下升溫兩種不同工況，當上升溫溫度為678℃時，梁端位移為75.4 mm，當下升溫溫度為670℃，梁端位移為62.5 mm，在兩種工況溫度相差不大的情況下，梁端位移相差較大，達到12.9 mm，可見，由于頂部角鋼是影響帶雙腹板頂底角鋼梁柱連接承載力的主要部件，上升溫時頂部角鋼直接受熱，因此相比下升溫對梁端位移影響更大。

圖3 梁端溫度和位移變化情況

2.2 節點區頂底角鋼特殊點受力性能分析

鋼材的強度和彈性模量會隨溫度的上升而降低。對于上升溫和下升溫兩種情況，角鋼溫度影響不大，均符合國際標準升溫曲線規律。在兩種不同工況下，頂角鋼的應變隨時間的變化差別不大，當升溫到10 min后，角鋼的應變已經很大，基本喪失承載力。而對于下升溫，由于上部角鋼不直接受火，因此當溫度繼續上升時，應變還能較平緩的增加；對于上升溫，由于上部角鋼直接受火，因此隨著溫度上升，應變幾乎呈直線快速上升，如圖4a所示。對于頂角鋼應變隨溫度的變化如圖4b所示，從圖4b中可以看出：兩種不同工況下，在540℃左右時，變化基本一致，當溫度達到600℃，角鋼的應變急劇增加，同時上升溫對于角鋼的影響要大于下升溫對角鋼的影響。

圖4 頂角鋼應變變化曲線

2.3 腹板角鋼特殊點受力情況分析

經分析，離梁上翼緣較近腹板角鋼處的點應變值較大，因此以此點作為特殊點來進行分析。圖5為腹板角鋼應變變化曲線。兩種工況下對腹板角鋼強度的影響基本一致，當升溫7 min后，兩種工況略有差異，原因可能是由于連接其他部位的變形引起的，如圖5a所示。在圖5b中，當升溫溫度達到647℃時，腹板角鋼最上端點的應變達到0.02，已基本喪失承載力，從而在此處形成塑性鉸，應變隨之急劇增加。

圖5 腹板角鋼應變變化曲線

2.4 高強螺栓受力性能分析

對于摩擦型高強螺栓連接，主要靠高強螺栓與被連接件之間的摩擦力來承受荷載，而摩擦力主要是由施加的預拉力和摩擦面的抗滑移系數產生。在高溫作用下，高強螺栓的預拉力會發生松弛，從而對高強螺栓連接承載力有嚴重影響。為了分析方便，對于此連接中的高強螺栓進行統一編號，頂角鋼與柱連接處的螺栓編號為1，頂角鋼與梁連接處螺栓編號為5，底角鋼與柱連接處螺栓編號為3，底角鋼與梁連接的螺栓編號為7，腹板角鋼與柱連接處的螺栓從梁上翼緣向下依次編號為9、10、11，腹板角鋼與梁腹板連接處的螺栓從梁上翼緣向下依次編號為15、16、17。

高強螺栓溫度隨時間變化曲線符合國際標準升溫曲線ISO834。由于升溫位置不同，高強螺栓的溫度也有所不同。當上升溫時，高強螺栓預拉力隨著溫度上升，損失較高，當升溫10 m in時，高強螺栓預拉力損失達79.2%，平均值只有32.3 kN，其中預拉力最大為3號螺栓，預拉力為48.5 kN，1號螺栓的預拉力最小為25.9 kN。由于上升溫時，頂角鋼直接受熱，首先發生屈服，從而引起高強螺栓產生明顯滑移，1號螺栓最先失效。當下升溫時，高強螺栓預拉力損失為77.4%，略小于上升溫時的損失，平均值為35.3 kN，預拉力損失最小的為11號螺栓，預拉力為42.1 kN，預拉力損失最大的螺栓為7號螺栓，預拉力只有23.0 kN，主要原因為7號螺栓是底角鋼與梁連接的螺栓，直接受火，因此，預拉力損失最快。

在雙腹板頂底角鋼梁柱連接的所有螺栓中，1號螺栓即頂角鋼與柱連接的螺栓對連接的承載力影響最大，另外9號螺栓對連接的承載力影響也較大。上升溫和下升溫兩種不同工況下，由于1號螺栓受火情況不同，因此溫度上升的值也有所不同，上升溫10 m in時，1號螺栓的溫度達到672.7℃，而下升溫10 m in時，1號螺栓的溫度達到650.0℃。

3 結論

（1）無論是上升溫還是下升溫，當在升溫10 m in之前，對連接承載力影響較小，當溫度超過600℃時，由于鋼材的屈服強度損失非常多，連接承載力幾乎全部喪失。

（2）由于在承受外部荷載作用時，頂角鋼是此類連接的關鍵部位，因此，上升溫會使頂角鋼直接受火，而下升溫時頂角鋼不直接受火，因此在此類連接設計時應考慮增加頂角鋼厚度或采取一定的防火措施，以增加此類連接抗火能力。腹板角鋼由于不直接受火，所以兩種工況作用下對連接承載力影響不大。

（3）此類連接在高溫下破壞形式為：頂部角鋼首先屈服，然后腹板角鋼開始屈服，最后由于連接變形過大而破壞，破壞時溫度在600℃左右，這和鋼材在高溫下的受力性能基本吻合。

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TU391

A

1672－6871（2014）01－0063－04

國家自然科學基金項目（51278238）；河南省科技創新杰出青年基金項目

王新武（1971－），男，河南洛陽人，教授，博士，主要從事鋼結構節點方面的研究.

2012－12－10