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(jié)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(zhuǎn)角曲線與試驗數(shù)據(jù)基本吻合；通過數(shù)值模擬得到不同載荷比值下的4種空間鋼框架全焊接節(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線.結(jié)果表明：載荷比值不同，空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點的臨界溫度也不相同.在空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點和角節(jié)點的防火保護.

關(guān)鍵詞：空間鋼框架； 梁柱焊接節(jié)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(yōu)良性能使其在建筑行業(yè)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(chǎn)生嚴重破壞，因此研究鋼框架抗火性能很重要.

梁柱節(jié)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(huán)節(jié).節(jié)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(jié)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(gòu)件的響應和失效行為[34]的探討上，關(guān)于梁柱的連接性能以及抗火特性分析相對較少.目前，節(jié)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(jié)點的抗火性能，但需要花費大量資金，得到的結(jié)構(gòu)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(jié)點性能，進行大量的參數(shù)研究，而且可以減少研究的時間和經(jīng)費.

近年來，國內(nèi)外學者對鋼框架梁柱節(jié)點的研究日益增多.LAWSON[5]對剛性組合節(jié)點、半剛性組合節(jié)點以及彈性組合節(jié)點等進行8組試驗，得到溫度轉(zhuǎn)角關(guān)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(jié)點的抗火性能進行試驗研究，試驗結(jié)果表明在結(jié)構(gòu)中組合節(jié)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(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)有限元可以準確描述節(jié)點在火災時發(fā)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(zhuǎn)角溫度曲線，研究半剛性節(jié)點在高溫時的力學行為；王衛(wèi)永等[9]通過試驗和有限元分析得到焊接邊節(jié)點溫度轉(zhuǎn)角曲線，對高溫下焊接邊節(jié)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(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角關(guān)系，并對節(jié)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(jié)點在高溫時的溫度轉(zhuǎn)角曲線，并對幾種節(jié)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(jié)點進行抗火分析，得到在不同載荷工況時節(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線，并與試驗進行對比.

綜合上述研究可知，對節(jié)點抗火性能的研究主要集中在對平面鋼框架節(jié)點的試驗和有限元分析上.在實際結(jié)構(gòu)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(jié)點抗火性能有影響.目前，關(guān)于這種影響的評估尚不充分，需通過數(shù)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(jié)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(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線，為空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點幾何尺寸和載荷與文獻[10]相同：鋼柱采用H244×175×7×11規(guī)格（在常溫下，其鋼材屈服強度為285 MPa）；鋼梁采用H250×125×6×9規(guī)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(jié)點幾何尺寸和載荷與文獻[11]相同：鋼柱采用H244×175×7×11規(guī)格，鋼梁采用H250×125×6×9規(guī)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(jié)點模型時采用SOLID 45單元.SOLID 45單元適用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，通過8個節(jié)點定義，每個節(jié)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(jié)點溫度體載荷等.在劃分網(wǎng)格時，為得到精確的計算結(jié)果，需要對梁柱節(jié)點附近網(wǎng)格進行加密處理[14]，見圖1，平面鋼框架全焊接邊節(jié)點單元數(shù)目為51 803個，平面鋼框架全焊接中節(jié)點單元數(shù)目為68 101個.

另外，由圖3可知，本文計算所得結(jié)果與文獻[1011]試驗所得結(jié)果基本一致，但計算所得結(jié)果的臨界溫度偏高一點.產(chǎn)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(zhì)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(zhuǎn)角曲線趨勢是合理的，在一定程度上可以合理反映節(jié)點受火的性能，同時，若要比較不同節(jié)點受火時臨界溫度的大小關(guān)系，該誤差不會影響比較結(jié)果.

由圖3還可知，本文計算的節(jié)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(jié)果可以合理地描述節(jié)點在高溫時的溫度轉(zhuǎn)角關(guān)系和變形形態(tài).

2空間節(jié)點在高溫時的有限元分析

在實際情況下，鋼框架的節(jié)點都為空間節(jié)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(jié)點試驗的基礎上，建立空間鋼框架中的幾種全焊接節(jié)點，運用ANSYS建模進行計算，提取4種節(jié)點在不同載荷作用下的溫度轉(zhuǎn)角關(guān)系進行對比分析.

2.24種空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)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(nèi)凹.這是因為節(jié)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(nèi)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(jīng)腹板傳遞到柱翼緣，導致受拉和受壓的區(qū)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(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線

空間鋼框架全焊接節(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線的提取原則：首先分別提取x和y方向上節(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線，然后取2條溫度轉(zhuǎn)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(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線，用于判斷空間鋼框架全焊接節(jié)點的臨界溫度.

對計算數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果見圖15.

由圖15可知，4種空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點中，y方向邊節(jié)點和中節(jié)點的臨界溫度較高，x方向邊節(jié)點和角節(jié)點臨界溫度較低，因此，在鋼框架節(jié)點抗火保護中尤其需要注意加強角節(jié)點和x方向邊節(jié)

點的防火保護；γ>1.0時角節(jié)點的臨界溫度與γ≤1.0時角節(jié)點的臨界溫度相比，變化幅度比其他幾種節(jié)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(jié)點的防火保護.

3結(jié)論

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

（1）對平面鋼框架全焊接邊節(jié)點和平面鋼框架全焊接中節(jié)點進行計算，所得的結(jié)果與文獻[1011]的試驗結(jié)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(jié)點高溫下的有限元模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與梁連接的柱翼緣的變形形態(tài)一致，且較無梁連接的柱翼緣變形大；從溫度轉(zhuǎn)角曲線可知，H型柱翼緣與梁連接方向的邊節(jié)點和角節(jié)點臨界溫度較低，H型柱腹板與梁連接方向的邊節(jié)點和中節(jié)點臨界溫度較高.因此，在空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點和角節(jié)點的防火保護；γ>1.0時角節(jié)點的臨界溫度明顯小于γ≤1.0時角節(jié)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(jié)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(jié)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(mào)中心WTC7次梁柱節(jié)點高溫下的破壞行為分析[J]. 鋼結(jié)構(gòu)， 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(jié)點抗火性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報， 2011， 32（4）： 125133.

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[10]李曉東， 董毓利， 高立堂， 等. 鋼框架邊節(jié)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(wèi)永， 等. 鋼框架中柱剛節(jié)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(jié)構(gòu)數(shù)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(jié)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(jié)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(nèi)凹.這是因為節(jié)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(nèi)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(jīng)腹板傳遞到柱翼緣，導致受拉和受壓的區(qū)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(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線

空間鋼框架全焊接節(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線的提取原則：首先分別提取x和y方向上節(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線，然后取2條溫度轉(zhuǎn)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(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線，用于判斷空間鋼框架全焊接節(jié)點的臨界溫度.

對計算數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果見圖15.

由圖15可知，4種空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點中，y方向邊節(jié)點和中節(jié)點的臨界溫度較高，x方向邊節(jié)點和角節(jié)點臨界溫度較低，因此，在鋼框架節(jié)點抗火保護中尤其需要注意加強角節(jié)點和x方向邊節(jié)

點的防火保護；γ>1.0時角節(jié)點的臨界溫度與γ≤1.0時角節(jié)點的臨界溫度相比，變化幅度比其他幾種節(jié)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(jié)點的防火保護.

3結(jié)論

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

（1）對平面鋼框架全焊接邊節(jié)點和平面鋼框架全焊接中節(jié)點進行計算，所得的結(jié)果與文獻[1011]的試驗結(jié)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(jié)點高溫下的有限元模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與梁連接的柱翼緣的變形形態(tài)一致，且較無梁連接的柱翼緣變形大；從溫度轉(zhuǎn)角曲線可知，H型柱翼緣與梁連接方向的邊節(jié)點和角節(jié)點臨界溫度較低，H型柱腹板與梁連接方向的邊節(jié)點和中節(jié)點臨界溫度較高.因此，在空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點和角節(jié)點的防火保護；γ>1.0時角節(jié)點的臨界溫度明顯小于γ≤1.0時角節(jié)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(jié)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(jié)點的防火保護.

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[11]隋炳強， 董毓利， 王衛(wèi)永， 等. 鋼框架中柱剛節(jié)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(jié)構(gòu)數(shù)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(jié)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(jié)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(nèi)凹.這是因為節(jié)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(nèi)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(jīng)腹板傳遞到柱翼緣，導致受拉和受壓的區(qū)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(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線

空間鋼框架全焊接節(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線的提取原則：首先分別提取x和y方向上節(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線，然后取2條溫度轉(zhuǎn)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(jié)點的溫度轉(zhuǎn)角曲線，用于判斷空間鋼框架全焊接節(jié)點的臨界溫度.

對計算數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果見圖15.

由圖15可知，4種空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點中，y方向邊節(jié)點和中節(jié)點的臨界溫度較高，x方向邊節(jié)點和角節(jié)點臨界溫度較低，因此，在鋼框架節(jié)點抗火保護中尤其需要注意加強角節(jié)點和x方向邊節(jié)

點的防火保護；γ>1.0時角節(jié)點的臨界溫度與γ≤1.0時角節(jié)點的臨界溫度相比，變化幅度比其他幾種節(jié)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(jié)點的防火保護.

3結(jié)論

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

（1）對平面鋼框架全焊接邊節(jié)點和平面鋼框架全焊接中節(jié)點進行計算，所得的結(jié)果與文獻[1011]的試驗結(jié)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(jié)點高溫下的有限元模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與梁連接的柱翼緣的變形形態(tài)一致，且較無梁連接的柱翼緣變形大；從溫度轉(zhuǎn)角曲線可知，H型柱翼緣與梁連接方向的邊節(jié)點和角節(jié)點臨界溫度較低，H型柱腹板與梁連接方向的邊節(jié)點和中節(jié)點臨界溫度較高.因此，在空間鋼框架全焊接節(jié)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(jié)點和角節(jié)點的防火保護；γ>1.0時角節(jié)點的臨界溫度明顯小于γ≤1.0時角節(jié)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(jié)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(jié)點的防火保護.

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（編輯陳鋒杰）