約束PEC柱—組合梁節點（弱軸方向）抗火性能研究

薛道恒++毛小勇++徐浩然

摘 要：利用有限元軟件ABAQUS建立了約束PEC柱-組合梁節點（弱軸方向）的模型，分析其常溫下極限承載力，火災下溫度場分布及力學性能。研究了不同柱上荷載比，梁上荷載比，梁柱線剛度比柱，軸向約束剛度對節點火災下變形的影響。分析結果表明：節點溫度場分布總體呈現下高上低，外高內低的分布規律。節點破壞主要是受梁變形控制，柱和螺栓的變形影響不大；對節點變形影響較大的因素是梁上荷載比和梁柱線剛度比。

關鍵詞：節點；約束PEC柱；組合梁；螺栓；溫度場；抗火性能

0 引言

PEC柱-組合梁節點沿弱軸方向的構造方式多為高強度對拉螺栓連接方式。高強度螺栓與鋼端板的共同作用不僅解決了PEC柱組合梁節點繞弱軸方向的連接剛度不足的問題，而且提高了節點的極限承載力。火災下，高強螺栓端板連接的PEC柱—組合梁節點的變形相對復雜，柱，梁所受約束，高溫下各構件的強度剛度退化都對節點的整體性能有著不可忽視的影響。

目前，國內外學者對各類節點的抗火性能進行了一系列的研究。Lawson，Leston-Jones，Al-Jabri[1，2，3]等人先后進行了一系列鋼節點的抗火試驗，試驗最終測出了理想的節點彎矩轉角關系并分析了節點形式，端板厚度，構件尺寸對鋼節點變形的影響。J.Ding和Y.C.Wang[4]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，試驗結果表明，通過合理的節點抗火設計可以產生懸鏈效應提高節點的抗火性能。鄭永乾[5]和韓林海[6]分別對型鋼混凝土節點和鋼管混凝土節點的抗火性能進行了研究，分析了不同參數影響下的節點的力學性能差異。對PEC柱-組合梁節點的抗火性能研究還未見報告。

因此，本文通過對節點溫度場的分析和不同因素影響下的節點火災下的轉角-時間曲線對比分析，考察了此類高強螺栓連接下的節點的高溫性能。

1 高強螺栓連接PEC柱-組合梁節點有限元模型

本文采用ABAQUS非線性有限元軟件來模擬和分析高強螺栓連接節點在火災中的變形過程。分析過程采用ABAQUS中的順序耦合熱應力分析，即將事先分析所得的溫度場視為溫度荷載與模型所受荷載進行耦合最終求得分析結果。

分析時采用如下基本假定：忽略型鋼和混凝土之間的滑移，忽略型鋼和混凝土之間的接觸熱阻（近似認為溫度在不同材料交界面上連續），忽略混凝土在高溫下的爆裂現象，忽略高強螺栓和型鋼接觸面的摩擦系數在高溫下的變化。

1.1 節點選取

選取圖1所示的約束PEC柱-組合梁節點為研究對象。節點的受火方式為組合梁和混凝土樓板下受火，鋼梁上采用20mm厚的防火涂料保護。火災升溫曲線為ISO-834標準升溫曲線。

1.2 材料本構

混凝土的熱工性能采用Lie和Denham[7]研究的出的計算公式。混凝土的混凝土抗壓抗拉強度采用歐洲規范[8]所給出的強度折減系數計算求得。高溫下的混凝土彈性模量計算采用陸洲導[9]建議的公式。混凝土的應力-應變關系采用歐洲規范EC4所建議的模型。混凝土的密度取定值2300kg/m3，泊松比取0.2。

鋼材的熱工性能采用Lie和M. Chabot[10]給出的建議公式計算。鋼材在高溫下的力學性能參數選用歐洲規范所建議的公式及模型。鋼材的密度取常數7850 kg/m3，泊松比取0.3。

高強度螺栓采用10.9級高強度螺栓，材料為20MnTiB鋼。高強度螺栓的熱工性能與普通結構鋼的熱工性能相差無幾，本文采用與普通結構鋼一致的公式取值。高強螺栓在高溫下的強度折減系數參照樓國彪[11]博士給出的公式。彈性模量折減系數參照各國學者[12，13，14]經試驗得出的公式計算求得。

本文選用防火涂料為厚型防火涂料，其熱工參數如下：導熱系數λ=0.1w/（m.k），比熱c=1040J/（kg.k），密度ρ=400kg/m3。

1.3 網格類型

在溫度場的計算中，型鋼，端板，混凝土，螺栓，防火涂料的單元采用ABAQUS中的DC3D8熱傳遞單元，鋼筋采用DC1D2兩節點傳熱單元。

力學分析時型鋼，端板，混凝土的單元類型為C3D8R單元，鋼筋采用T3D2桁架單元，高強螺栓的單元類型為C3D8I非協調單元。防火涂料的受力性能在本文中不是重點，所以力學模型中忽略防火涂料的作用。

1.4 模型接觸界面處理及邊界條件

溫度場計算中，模型與外界的熱量交換主要通過外部的熱對流與熱輻射和構件內部的熱傳導進行。熱對流系數取25w/（m2.k），熱輻射系數取0.5。Stefan-Boltzmann常數取5.67×10-9w/（m2.k）4，初始溫度為20℃，絕對零度-273.15℃。所有的溫度場下的界面接觸都使用Tie綁定約束。力場計算中，模型的邊界條件如圖2所示：

力學模型中的界面接觸關系比較復雜，具體如下：（1）型鋼柱與混凝土，鋼梁與端板，鋼梁與混凝土樓板采用Tie約束。（2）柱內拉結筋和縱筋與混凝土，樓板受力筋與樓板混凝土采用Embeded嵌入約束。（3）高強螺栓栓桿與柱和端板的空洞，螺母與端板，端板與柱定義了接觸面的切向作用和法向作用的接觸屬性。其中切向定義摩擦模型為庫倫摩擦，摩擦系數鋼與鋼取0.3，鋼與混凝土取0.33。法向作用定義為“硬接觸”，表示接觸面之間傳遞的接觸壓力大小不受限制，當接觸壓力變為零或者負值時接觸面分離，并且去掉相應節點上的約束。

模型承受荷載情況如下：高強螺栓上預先通過多個分析步，平緩的施加預緊力；柱頂受集中荷載；梁上受均布荷載。

1.5 節點模型概況

本文共建立三個不同尺寸的梁柱節點來進行參數分析，各節點尺寸見表1

詳細介紹JD1的參數如下：PEC內布置拉結筋HPBΦ8@150；HRBΦ16通長縱筋4根，保護層厚度為40mm。組合梁采用鋼梁上布混凝土樓板形式。鋼梁采用I-32a，混凝土樓板截面1200mm×100mm，樓板內置受力筋HRBΦ8@150，節點區開孔。鋼梁通過焊接連接在鋼端板上。鋼端板通過八根對穿高強螺栓固定在PEC柱之上，高強螺栓為強度等級10.9s級的M20螺栓，每根螺栓的預緊力為155KN。PEC柱內混凝土，型鋼腹板，端板相應處開螺栓孔，孔徑21.5mm。詳細尺寸見圖3。endprint

2 高溫下PEC柱-組合梁節點的溫度場分析

取JD1為算例，圖4～6分別為節點區域不同位置測點受火兩小時的溫度時間曲線。

由溫度-時間曲線可以看出： PEC柱-組合梁節點的溫度分布比較復雜，其溫度分布特點如下（1）PEC柱整體溫度分布呈外高內低，下高上低的狀態。（2）由于混凝土板的吸熱作用，組合梁溫度分布呈下高上低的分布狀態，高溫區主要集中在鋼梁的受壓區（3）高強螺栓的溫度分布由于PEC柱內混凝土的吸熱作用以及受火方式影響，總體上呈由螺帽向栓桿中部溫度逐步下降，由下排螺栓向上排螺栓溫度逐漸下降。

3 高溫下PEC柱-組合梁節點的變形分析及受力分析

3.1 節點變形分析

在JD1模型上施加荷載情況為柱上荷載比為0.3；梁上荷載比為0.4；上層樓層數為10層的荷載。節點區的時間-轉角曲線，梁柱變形曲線見圖7，約束PEC柱-組合梁節點的變形大致分為以下四個階段：（1）常溫加載段：常溫下，將梁柱上的荷載值加載到設計值。在該階段梁柱之間會出現一個較小的初始轉角；（2）材料硬化段：保持梁柱荷載不變，按ISO-834升溫曲線升溫，梁柱內力隨著受火時間變化，柱身膨脹，梁變形較小，梁柱相對轉角緩慢上升；（3）材料軟化段：保持梁柱荷載不變，繼續升溫，但是柱身材料強度和剛度開始劣化導致柱開始由膨脹轉向壓縮，梁也開始軟化。梁柱轉角有微小下降段；（4）突變段：保持梁柱荷載不變，溫度持續上升，柱的壓縮受到軸向彈簧的約束發展緩慢，而梁材料劣化嚴重，梁端撓度變形迅速，出現轉角快速增長的突變段。

由于在設計模型時把PEC柱視為理想模型，并未引入柱身的初始幾何缺陷，所以柱身未發生轉動變形，梁變形成為了主要控制因素，最終導致該算例節點喪失繼續承載能力的原因是組合梁下翼緣屈服。

3.2 螺栓受力分析

螺栓的軸力變化情況如圖8所示，可以看出隨著溫度的不斷上升，由于鋼材的彈性模量下降，螺栓預應力開始下降。其下降的幅度主要取決于溫度的變化情況，溫度越高的受壓區螺栓的預應力松弛越嚴重，而受拉區的螺栓由于受火方式的影響溫度遠低于下排受壓螺栓，所以其應力松弛并不明顯。對比螺栓平均溫度對應下的螺栓軸力與高溫下的螺栓屈服應力可見，螺栓的軸力并未超過螺栓的屈服應力，所有螺栓還處于正常工作階段，且螺栓變形并不明顯。

4 節點轉角-時間曲線的影響因素分析

由于節點結構的復雜性，所以有必要對不同參數影響下的節點的轉角-時間曲線進行深入研究。參數分析時選取的重要參數及其變化范圍如下：

（1）柱上荷載比（n），n按n=NF/Nu計算，其中NF為實際柱上施加的荷載，NU為常溫下PEC柱的極限承載力，NF通過有限元模擬求得。n取0.3、0.5、0.7。

（2）梁上荷載比（q），q按q=qF/qu計算，通過改變梁上均布荷載qF的數值實現節點區彎矩比變化。q取0.2、0.4、0.6.

（3）梁柱線剛度比（k），k按k=ib/ic計算，梁線剛度ib和柱線剛度ic分別按照規范[15]給出的公式計算。本文通過改變柱的截面尺寸實現。

（4）上部樓層對PEC柱提供的軸向約束用ABAQUS里彈簧

模擬，其剛度按下式計算[16]。式中m為柱上部結構層數，

Eb和Ib為梁的彈性模量和截面慣性矩，l為梁的跨度。由于結構對稱性，可以只考慮樓層m的影響。

參數影響趨勢見圖9。

4.1 柱上荷載比影響

圖9（a）為不同柱上火災荷載比作用下的轉角變化曲線。不同柱上火災比對節點轉角出現陡增的時間幾乎無影響，這主要是由于節點的破壞形式主要是梁屈服失去承載力造成的。

4.2 梁上荷載比影響

圖9（b）為不同梁上火災荷載比作用下的轉角變化曲線。由圖可知，隨著梁上荷載的增大，轉角陡增的時間出現的越早，轉角增長速率越快。這是由于較大的梁上荷載比會加快火災下梁的塑性發展。

4.3 梁柱線剛度比影響

圖9（c）為不同梁柱線剛度比影響下的轉角變化曲線。由圖可知梁柱線剛度比k越大，轉角突變時間越早。隨著k的增加，梁對柱的約束作用變大，同時在相同的梁上荷載比情況下，k越大，梁上荷載傳遞給柱上的軸力越大，變相加快了梁柱相對轉角的變大。

4.4 柱上軸向約束影響

圖9（d）為不同上部樓層數下的節點的轉角變化曲線。三條曲線在轉角陡增的時間和斜率上并無明顯差別，僅僅在轉角出現緩慢下降段時有不大的變化。可見，柱上的軸向約束對柱的變形有一定的影響，但是節點變形主要是由于梁的變形造成，所以ks的影響不大。

5 結論

（1）常溫下節點破壞變形的狀態與火災下的破壞形式基本一致，通常都為梁的下翼緣發生屈曲。

（2）節點溫度分布復雜，總體呈由下而上，由外到內漸漸減小的規律。

（3）高強螺栓在常溫與高溫下都起到了連接梁和柱的作用。在高溫下螺栓由于PEC柱內混凝土的保護，并未出現頸縮等破壞現象。

（4）影響高溫下節點轉角的主要因素為梁上荷載比與梁柱線剛度比。柱上荷載比與柱軸向約束比影響甚微。

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（下轉第10頁）

（上接第106頁）

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基金項目：國家自然科學基金（51278321）

作者簡介：薛道恒（1990-），男，江蘇揚州人，學生，研究方向：結構抗火。

通訊作者：毛小勇（1974-），蘇州科技學院，教授，博士，主要從事：結構抗火方面的研究。endprint