型鋼-混凝土組合結構節點抗火性能綜述

王傳奇 （孟菲斯大學土木工程系，美國 孟菲斯 38152）

0 前 言

節點是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。在火災作用下，組合結構材料的強度和剛度會隨著火災溫度的升高而不斷降低，使得常溫下表現為剛接節點的承載能力和抗變形能力在火災下大大降低，因而火災下節點整體表現出一定的半剛性，從而使得結構的變形性能以及內力重分布的機制發生改變[1-3]。由此可見，進行組合結構梁-柱連接節點火災下力學性能的研究非常的必要，并且也是解決薄壁型鋼-混凝土結構抗火的性能化設計問題的重要環節。

1 國內外建筑結構抗火研究現狀

國際上從20世紀50年代開始重視結構抗火研究。波特蘭水泥協會、美國混凝土協會、美國預應力混凝土協會、歐洲國際混凝土協會先后成立混凝土結構抗火研究小組，主要研究了混凝土的高溫材性、梁、柱和板的抗火性能與計算方法及框架的火災反應。對鋼結構的抗火性能進行研究大約始于1970年左右。20世紀80年代以來國際范圍內對鋼結構的抗火研究越來越廣泛、深入，美國、日本、英國、德國、瑞典、澳大利亞、新西蘭等國家在結構鋼的高溫性質、鋼梁、鋼柱和鋼框架的抗火試驗與理論研究方面取得了大量成果，編制了基于計算的鋼結構抗火設計規范。特別在90年代初,英國BRE等在Cardington對一幢8層足尺鋼框架建筑做了6組火災試驗，得到了許多具有開創意義的結果[4],認識到獨立鋼結構構件的抗火性能與結構中受約束的鋼構件的抗火性能有著顯著差別，多數情況下，結構中的鋼結構構件有更好的抗火能力。20世紀80年代國際上開始研究鋼-混凝土組合構件的抗火問題，特別是加拿大國家防火實驗室對鋼管混凝土柱的抗火性能進行了系統的試驗與理論研究[5,6]。

在研究的基礎上，英國、日本、澳大利亞、歐盟等國家或國際組織都專門編制了鋼結構和鋼-混凝土組合結構抗火設計規范，或在鋼結構和鋼-混凝土組合結構設計規范中規定了抗火設計內容，鋼結構和組合結構抗火從研究階段已步入工程實用階段。

國內的抗火研究起步較晚，原冶金部建筑科學研究總院、清華大學、同濟大學等從20世紀80年代中后期開始進行了混凝上的材性、構件和結構的受火性能及反應研究。我國自20世紀80年代末90年代初才開始進行鋼結構抗火研究，主要有中國建筑科學研究院和同濟大學進行了高溫鋼材特性、各類鋼構件、高強螺栓連接節點、鋼框架結構的抗火試驗與理論研究。國內原哈爾濱建筑大學、福州大學90年代后期開始研究鋼管混凝土柱的抗火性能，同濟大學則于90年代末以后分別研究了鋼-混凝土組合板[7]和組合梁[8]的抗火性能。

然而，在結構抗火工程應用方面我國遠不如國外該領域的先進國家，我國至今沒有結構抗火設計的國家標準，結構抗火設計主要依據國家標準《建筑設計防火規范》和《高層民用建筑設計防火規范》中所采納的基于獨立構件標準耐火試驗的方法，這種方法不能反映真實火災升溫、結構整體性能和火災下荷載作用的大小對結構構件抗火能力的影響，因此不能確保結構抗火安全和結構抗火設計的經濟性[9]。

2 鋼節點抗火研究現狀

和鋼構件相比，雖然鋼梁-柱節點抗火性能的研究近些年才被重視，研究歷史并不長，但近年來通過試驗和理論分析也已經取得了一些成果。

早在1976年法國的Kruppa進行了鋼梁柱節點的火災試驗研究，隨后英國鋼鐵公司于1982年完成了類似的試驗研究工作，研究的目的在于確定高強螺栓在火災下的工作性能[10]。

1990年Lawson[11]進行了8個十字形梁柱節點試驗研究，其中包括剛性節點、半剛性節點以及鉸接點，所有鋼梁上翼緣都蓋有混凝土或混凝土板。試驗采用ISO834標準升溫曲線。實驗結果表明，螺栓以及由其他連接起來的構件在火災下保持承載力的同時能經受相當的變形，同時證明了由于翼緣混凝土的存在提高了試件的抗火能力。但由于Lawson的試件數量不足，無法得出完整的彎矩-轉角曲線。

1997年Leston-Jones[12]等和Al-Jabri[13]等先后進行了由英國建筑科學研究院、謝菲爾德大學以及鋼結構協會合作完成的兩批節點試驗研究。第一批試驗的試件數量少，共進行了5個高溫和一個常溫的試驗，采用平齊式端板連接節點。通過特殊設計的火災試驗爐，試驗時僅節點區位于試驗爐內，梁柱的支撐和加載裝置均放在試驗爐外，加載非常方便。試驗最終測出了較為理想的節點彎矩-轉角關系。文獻[12]報道的第二批試驗的20個試件，在第一批試驗的基礎上增加了節點類型、構件尺寸、端板厚度等變化參數，較為詳盡地考察了各參數的影響。

1999年T·C·H·Liu[14]用數值模擬的方法研究了梁柱端板連接對無保護的工字鋼的抗火性能影響，通過對影響端板連接性能的螺栓尺寸、螺栓的數量以及端板厚度等多個參數進行研究分析發現，無論節點的常溫下極限承載力通過什么方式提高多少，但在火災條件下至多可以讓鋼梁的極限承載力達到常溫下的2/3。

2001年Silva LS和Santiago A[15]利用一種“組合模型”的方法來模擬鋼節點并研究其在高溫下的彎矩-轉角關系以及屈服應力和楊式模量的變化，并通過和實驗數據對比認為這種方法應用于模擬端板連接的梁柱鋼節點在高溫下的反應是可行的。

2006年王衛永[15]和隋炳強[17]等為得到外伸端板節點的抗火性能，使用火災實驗爐對4個足尺H型鋼外伸端板節點進行火災行為的試驗研究。通過試驗結果指出，節點破壞的主要因素是柱的翼緣屈曲和端板彎曲變形，通過增加加勁肋的方法可以提高節點的臨界溫度、端板厚度對節點抗火性能有明顯影響等一系列結論。并且利用非線性有限元軟件對試件進行火災反應分析，得出節點的溫度6分布和節點轉角-溫度關系。有限元分析和試驗結果對比表明，取得了較好的一致。驗證了用有限元進行火災反應分析的正確性和可行性，并根據試驗和有限元分析的結果，對節點的抗火設計和施工提出了建議。

3 型鋼-混凝土梁-柱節點抗火性能研究現狀

和鋼節點相比，組合節點的抗火性能研究更是少之有少，近幾年只有英國的曼徹斯特大學報道過相關試驗，另外國內的福州大學也做過火災后的組合節點力學性能試驗。

2003年Wang Y C和Davies JM[18]報道了8個節點的試驗研究成果，其鋼梁和矩形鋼管混凝土柱的連接采用了外伸式端板連接節點。試驗結果表明，鋼管混凝土柱的外鋼管發生局部屈曲及屈曲位置會影響到柱的計算長度，同時由于節點荷載傳遞的影響，柱中彎矩分布隨升溫過程不斷變化，且變化規律復雜。

2007年霍靜思和韓林海[19]進行了一系列鋼管混凝土結構節點在恒定軸壓力和低周反復荷載作用下的滯回性能實驗，比較了常溫下和火災后鋼管混凝土結構節點力學性能，不同梁柱線剛度比和軸壓比情況下的節點火災后力學性能，以及經過修復后節點與常混下節點的力學性能。并在此基礎上提出了火災后節點水平承載力的實用計算方法，以及火災后節點框架柱的簡化實用P-△滯回模型，為工程實踐提供了一定的參考。

2007年J.Ding和Y.C.Wang[20]報道了10個鋼梁和鋼管混凝土節點的試驗研究過程和結果，采用了4種不同的節點連接形式。論文主要報道了這些節點的在試驗中的顯示的性能和破壞形態，為節點抗火設計方法研究提供了一定的參考。并且試驗結果表明，通過節點的合理的抗火設計可以產生懸鏈效應，從而提高鋼梁的耐火性能。

2013年王傳奇[21][22]利用有限元分析軟件ANSYS，建立薄壁型鋼-混凝土梁-柱組合節點在火災作用下的有限元理論分析模型，對ISO-834火災升溫模型下的薄壁型鋼-混凝土梁-柱節點彎矩-時間曲線和節點耐火時間進行參數化分析。研究結果表明，荷載水平對薄壁型鋼-混凝土梁-柱節點的耐火極限影響很大；當荷載比一定時，防火保護層厚度對梁-柱組合節點的耐火極限影響顯著，而其他參數如材料特性、構件幾何尺寸等對梁-柱組合節點耐火極限影響很小。

4 結 論

國外試驗的組合節點形式在中國幾乎沒有應用，而在國內廣泛應用的組合結構節點在火災高溫下的力學性能、溫度場分布、極限承載力以及影響其耐火性能的因素，都還未見相關報道。隨著薄壁型鋼-混凝土結構在國內土木工程中的不斷推廣應用，有關其梁柱節點抗火性能的研究也急需深入開展，因此作者認為應針對我國目前常用的一些薄壁型鋼-混凝土結構梁柱節點形式，對一些關鍵問題開展研究[23]。

我國規范關于結構防火的考慮還停留在比較初級的階段，即以單個構件進行標準火測試為手段的階段。而對在火災下整體結構的結構反應、承載能力和破壞特征缺乏深入、系統的研究。作為研究框架結構在火災下的力學性能和抗火設計方法的前提和基礎的梁-柱節點的耐火性能的測試及耐火標準也都沒有相關明確的規定。

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[3]王傳奇，高軒能，李琨.變截面門式剛架動力特性的數值模擬分析[J].華僑大學學報，2009(1).

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