約束PEC柱―組合梁節(jié)點(弱軸方向)抗火性能研究

1、約束PEC柱組合梁節(jié)點（弱軸方向）抗火性能研究摘 要：利用有限元軟件ABAQUS建立了約束PEC柱-組合梁節(jié)點（弱軸方向） 的模型， 分析其常溫下極限承載 力，火災(zāi)下溫度場分布及力學(xué)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(jié)點火災(zāi)下 變形的影響。分析結(jié)果表明：節(jié)點溫度場分布總體呈現(xiàn)下高 上低，外高內(nèi)低的分布規(guī)律。 節(jié)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(jié)點變形影響較大的因素是梁 上荷載比和梁柱線剛度比。關(guān)鍵詞：節(jié)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(jié)點沿弱軸方向的構(gòu)造方式多為高強(qiáng)度 對拉螺栓連接方式。高強(qiáng)度

2、螺栓與鋼端板的共同作用不僅解 決了PEC柱組合梁節(jié)點繞弱軸方向的連接剛度不足的問題， 而且提高了節(jié)點的極限承載力?；馂?zāi)下，高強(qiáng)螺栓端板連接 的PEC柱一組合梁節(jié)點的變形相對復(fù)雜，柱，梁所受約束， 高溫下各構(gòu)件的強(qiáng)度剛度退化都對節(jié)點的整體性能有著不 可忽視的影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者對各類節(jié)點的抗火性能進(jìn)行了一系列 的研究。Lawson，Leston-Jones，Al-Jabri1，2，3等人先后 進(jìn)行了一系列鋼節(jié)點的抗火試驗，試驗最終測出了理想的節(jié) 點彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系并分析了節(jié)點形式，端板厚度，構(gòu)件尺寸對鋼節(jié)點變形的影響。J.Ding和Y.C.Wang4報道了10個鋼梁和鋼管混凝土節(jié)點的試驗研究過程和

3、結(jié)果，試驗結(jié)果表明， 通過合理的節(jié)點抗火設(shè)計可以產(chǎn)生懸鏈效應(yīng)提高節(jié)點的抗 火性能。鄭永乾5和韓林海6分別對型鋼混凝土節(jié)點和鋼管 混凝土節(jié)點的抗火性能進(jìn)行了研究，分析了不同參數(shù)影響下 的節(jié)點的力學(xué)性能差異。對PEC柱-組合梁節(jié)點的抗火性能研究還未見報告。因此，本文通過對節(jié)點溫度場的分析和不同因素影響下 的節(jié)點火災(zāi)下的轉(zhuǎn)角-時間曲線對比分析， 考察了此類高強(qiáng)螺 栓連接下的節(jié)點的高溫性能。1高強(qiáng)螺栓連接PEC柱-組合梁節(jié)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(qiáng)螺栓連接節(jié)點在火災(zāi)中的變形過程。 分析過程采用ABAQUS中的順序耦合熱應(yīng)力分析，即將事先分析所得的溫 度場視為溫

4、度荷載與模型所受荷載進(jìn)行耦合最終求得分析 結(jié)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(rèn)為溫度在不 同材料交界面上連續(xù)） ，忽略混凝土在高溫下的爆裂現(xiàn)象，忽略高強(qiáng)螺栓和型鋼接觸面的摩擦系數(shù)在高溫下的變化。1.1節(jié)點選取選取圖1所示的約束PEC柱-組合梁節(jié)點為研究對象。 節(jié)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(hù)?；馂?zāi)升溫曲線為ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升 溫曲線。1.2材料本構(gòu)混凝土的熱工性能采用Lie和Denham7研究的出的計 算公式。 混凝土的混凝土抗壓抗拉強(qiáng)度采用歐洲規(guī)范8所給 出的強(qiáng)度折減系數(shù)計算求得。高溫

5、下的混凝土彈性模量計算 采用陸洲導(dǎo)9建議的公式?；炷恋膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用歐 洲規(guī)范EC4所建議的模型?；炷恋拿芏热《ㄖ?300kg/m3, 泊松比取0.2。鋼材的熱工性能采用Lie和M. Chabot10給出的建議公 式計算。鋼材在高溫下的力學(xué)性能參數(shù)選用歐洲規(guī)范所建議 的公式及模型。鋼材的密度取常數(shù)7850 kg/m3，泊松比取0.3。高強(qiáng)度螺栓采用10.9級高強(qiáng)度螺栓，材料為20MnTiB鋼。高強(qiáng)度螺栓的熱工性能與普通結(jié)構(gòu)鋼的熱工性能相差無 幾，本文采用與普通結(jié)構(gòu)鋼一致的公式取值。高強(qiáng)螺栓在高 溫下的強(qiáng)度折減系數(shù)參照樓國彪11博士給出的公式。彈性模量折減系數(shù)參照各國學(xué)者12，13，14

6、經(jīng)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(shù)如下： 導(dǎo)熱系數(shù)入=0.1w/(m.k),比熱c=1040J/(kg.k),密度p=400kg/m3。1.3網(wǎng)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(jié)點傳熱單元。力學(xué)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(qiáng)螺栓的單元類型為C3D8I非協(xié)調(diào)單元。防火涂料的受力性能在本文中不是重點， 所以力學(xué)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

7、外部的 熱對流與熱輻射和構(gòu)件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)進(jìn)行。熱對流系數(shù)取25w/(m2.k),熱輻射系數(shù)取0.5。Stefan-Boltzmann常數(shù)取5.67X10-9w/(m2.k)4,初始溫度為20C,絕對零度-273.15C。 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(xué)模型中的界面接觸關(guān)系比較復(fù)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(nèi)拉結(jié)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(qiáng)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

8、屬性。其中切向定義摩擦模型為庫倫摩 擦，摩擦系數(shù)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(dāng)接觸壓力變?yōu)榱慊蛘哓?fù)值時接觸面分離，并且去 掉相應(yīng)節(jié)點上的約束。模型承受荷載情況如下：高強(qiáng)螺栓上預(yù)先通過多個分析 步，平緩的施加預(yù)緊力； 柱頂受集中荷載； 梁上受均布荷載。1.5節(jié)點模型概況 本文共建立三個不同尺寸的梁柱節(jié)點來進(jìn)行參數(shù)分析， 各節(jié)點尺寸見表1詳細(xì)介紹JD1的參數(shù)如下：PEC內(nèi)布置拉結(jié)筋HPB8150;HRB16通長縱筋4根，保護(hù)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12

9、00mmx100mm，樓板內(nèi)置受力筋HRB8150, 節(jié)點區(qū)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(qiáng)螺栓固定在PEC柱之上，高強(qiáng)螺栓為強(qiáng)度等級10.9s級的M20螺栓，每根螺栓的預(yù)緊力為155KN。PEC柱內(nèi)混凝土，型鋼腹板，端板相應(yīng)處開螺栓孔，孔徑21.5mm。 詳細(xì)尺寸見圖3。2高溫下PEC柱-組合梁節(jié)點的溫度場分析取JD1為算例，圖46分別為節(jié)點區(qū)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(jié)點的溫度 分布比較復(fù)雜，其溫度分布特點如下（1）PEC柱整體溫度分布呈外高內(nèi)低，下高上低的狀態(tài)。 （2）由于混凝土板的吸 熱作用，組合梁溫度

10、分布呈下高上低的分布狀態(tài)，高溫區(qū)主 要集中在鋼梁的受壓區(qū)（3）高強(qiáng)螺栓的溫度分布由于PEC柱內(nèi)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(jié)點的變形分析及受力分析3.1節(jié)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(shù)為10層的荷載。節(jié)點區(qū)的時間-轉(zhuǎn)角曲線， 梁柱變形曲線見圖7，約束PEC柱-組合梁節(jié)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(shè)計值。在該階段梁柱之間會出現(xiàn)一 個較小的初始轉(zhuǎn)角； （2）材料硬化段：保持梁柱荷

11、載不變， 按ISO-834升溫曲線升溫，梁柱內(nèi)力隨著受火時間變化，柱 身膨脹，梁變形較小，梁柱相對轉(zhuǎn)角緩慢上升； （3）材料軟 化段：保持梁柱荷載不變，繼續(xù)升溫，但是柱身材料強(qiáng)度和 剛度開始劣化導(dǎo)致柱開始由膨脹轉(zhuǎn)向壓縮，梁也開始軟化。梁柱轉(zhuǎn)角有微小下降段； （4）突變段：保持梁柱荷載不變， 溫度持續(xù)上升，柱的壓縮受到軸向彈簧的約束發(fā)展緩慢，而 梁材料劣化嚴(yán)重，梁端撓度變形迅速，出現(xiàn)轉(zhuǎn)角快速增長的 突變段。由于在設(shè)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(fā)生轉(zhuǎn)動變形，梁變形成為 了主要控制因素，最終導(dǎo)致該算例節(jié)點喪失繼續(xù)承載能力的 原因是組合梁下翼緣屈服。3.2

12、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(yù)應(yīng)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(qū)螺栓的預(yù)應(yīng)力松弛越嚴(yán)重，而受拉區(qū)的螺栓由于受火方式 的影響溫度遠(yuǎn)低于下排受壓螺栓，所以其應(yīng)力松弛并不明 顯。對比螺栓平均溫度對應(yīng)下的螺栓軸力與高溫下的螺栓屈 服應(yīng)力可見，螺栓的軸力并未超過螺栓的屈服應(yīng)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(jié)點轉(zhuǎn)角-時間曲線的影響因素分析 由于節(jié)點結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所以有必要對不同參數(shù)影響下 的節(jié)點的轉(zhuǎn)角-時間曲線進(jìn)行深入研究。參數(shù)分析時選取的重 要參數(shù)及其變化范圍如下：(

13、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(shù)值實現(xiàn)節(jié)點區(qū)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(guī)范15給出的公式計算。本文通 過改變柱的截面尺寸實現(xiàn)。（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(jié)構(gòu)層 數(shù)，Eb和Ib為梁的彈性模量和截面慣性矩，l為梁的跨度。 由

14、于結(jié)構(gòu)對稱性，可以只考慮樓層m的影響。參數(shù)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(zāi)荷載比作用下的轉(zhuǎn)角變化曲線。 不同柱上火災(zāi)比對節(jié)點轉(zhuǎn)角出現(xiàn)陡增的時間幾乎無影響，這 主要是由于節(jié)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(zāi)荷載比作用下的轉(zhuǎn)角變化曲線。 由圖可知，隨著梁上荷載的增大，轉(zhuǎn)角陡增的時間出現(xiàn)的越早，轉(zhuǎn)角增長速率越快。這是由于較大的梁上荷載比會加快 火災(zāi)下梁的塑性發(fā)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(zhuǎn)角變化曲線。 由圖可知梁柱線剛度比k越大，轉(zhuǎn)角突變時間越早。隨著k的增加，梁對柱的約束作用變大，同

15、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(zhuǎn)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(shù)下的節(jié)點的轉(zhuǎn)角變化曲線。 三條曲線在轉(zhuǎn)角陡增的時間和斜率上并無明顯差別，僅僅在 轉(zhuǎn)角出現(xiàn)緩慢下降段時有不大的變化?？梢姡系妮S向約 束對柱的變形有一定的影響，但是節(jié)點變形主要是由于梁的 變形造成，所以ks的影響不大。5結(jié)論(1)常溫下節(jié)點破壞變形的狀態(tài)與火災(zāi)下的破壞形式 基本一致，通常都為梁的下翼緣發(fā)生屈曲。(2)節(jié)點溫度分布復(fù)雜，總體呈由下而上，由外到內(nèi) 漸漸減小的規(guī)律。(3)高強(qiáng)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

16、PEC柱內(nèi)混凝土的保護(hù)， 并未出現(xiàn) 頸縮等破壞現(xiàn)象。4）影響高溫下節(jié)點轉(zhuǎn)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。參考文獻(xiàn)：1Lawson R M.Behaviour of Steel Beam toColumnConnections inFire.The Structufal Engineer1990，68（14）：263-271.2Leston-Jones L C，Burgess M，Lennon T，et a1，Elevated-Temperature Moment-Rotation Tests on SteelworkConnections.Pmceed

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