王新武，代東亮，梁 斌，布 欣

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

帶雙腹板頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)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(xué)院土木工程系，河南洛陽 471023；2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽 471023）

建立了帶雙腹板頂?shù)捉卿摿褐B接節(jié)點(diǎn)有限元分析模型，對(duì)模型進(jìn)行了熱－力耦合數(shù)值計(jì)算，分析了在溫度和力荷載工作作用下帶雙腹板頂?shù)捉卿摿褐B接的承載力、溫度傳導(dǎo)和變形狀態(tài)。探討了帶雙腹板頂?shù)捉卿摿褐B接節(jié)點(diǎn)中頂?shù)捉卿摗⒏拱?、螺栓在高溫環(huán)境下受力機(jī)理以及螺栓受溫度影響預(yù)拉力損失規(guī)律，獲得了試驗(yàn)難于測(cè)得的力學(xué)特性，為帶雙腹板頂?shù)捉卿摿褐B接在抗火性能方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

熱－力耦合；半剛性連接；頂?shù)捉卿?；腹板角?/p>

0 引言

帶雙腹板頂?shù)捉卿撨B接是一種典型的半剛性連接，具有較強(qiáng)的變形能力和耗能能力，因此具有優(yōu)越的抗震性能，已逐漸應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)建筑中［1－3］。當(dāng)鋼材處在較高溫度環(huán)境下時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度明顯降低，由于在抗火實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試設(shè)備無法測(cè)出連接模型的應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況；而對(duì)于高強(qiáng)螺栓連接來說，高強(qiáng)螺栓在高溫下的預(yù)拉力松弛表現(xiàn)的非常明顯，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也無法測(cè)出預(yù)拉力的松弛情況，因此，有關(guān)高強(qiáng)螺栓連接的抗火性能研究主要采用有限元數(shù)值模擬的方法進(jìn)行。本文擬通過建立帶雙腹板頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)的有限元模型，研究在高溫環(huán)境作用下節(jié)點(diǎn)內(nèi)部復(fù)雜的受力變化情況，從而對(duì)帶雙腹板頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)的抗火性能進(jìn)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(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行對(duì)比，雙腹板頂?shù)捉卿摿褐B接節(jié)點(diǎn)模型選自文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］，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(hào)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(hào)為200 mm×200 mm（其中，腹板厚度為8 mm，翼緣厚度為12 mm），頂?shù)捉卿摬捎玫冗吔卿揕100 mm×10 mm、腹板選用角鋼為不等邊角鋼L110 mm×70 mm×10 mm，柱節(jié)點(diǎn)域處加設(shè)水平加勁肋，其厚度為12 mm。所用鋼材的牌號(hào)為Q235B，梁柱尺寸如圖1所示。連接中的高強(qiáng)度螺栓采用10.9級(jí)直徑為20的螺栓，按照摩擦型高強(qiáng)螺栓來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 雙腹板頂?shù)捉卿摿褐B接節(jié)點(diǎn)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(duì)模型中所有構(gòu)件進(jìn)行劃分單元，對(duì)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(qiáng)螺栓的預(yù)拉力的模擬由預(yù)緊單元PRETS179完成。

1.3 高溫下結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能參數(shù)選取

對(duì)于構(gòu)件的抗火性能最早是通過試驗(yàn)來確定的。為了使試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)能相互比較，許多國家和組織都制定了標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)火災(zāi)升溫曲線，即ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線［5－8］。本文對(duì)于結(jié)構(gòu)的升溫處理，采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。

對(duì)鋼材在高溫下的力學(xué)性能，本文選取歐洲規(guī)范EUROCODE3給出的鋼材的應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，鋼材在高溫下的熱膨脹系數(shù)、初始彈性模量折減系數(shù)以及熱傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)，均按照歐洲規(guī)范EUROCODE3來采用。

1.4 荷載的加載

在工程實(shí)踐中，鋼結(jié)構(gòu)連接本身在安裝時(shí)需要給高強(qiáng)螺栓施加一定的預(yù)拉力，在使用過程中要承受外部荷載，當(dāng)遇到火災(zāi)時(shí)，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(yù)緊單元PRETS179對(duì)高強(qiáng)螺栓施加預(yù)拉力155 kN，同時(shí)鎖定預(yù)拉力。

第2步，施加外部荷載，主要包括梁柱連接節(jié)點(diǎn)所受的力。

圖2 節(jié)點(diǎn)溫度作用位置圖

第3步，通過熱分析得到的溫度場(chǎng)，以體荷載的形式進(jìn)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(gè)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(duì)于溫度荷載是以對(duì)流和輻射的形式分別施加在梁的上翼緣和梁的下翼緣節(jié)點(diǎn)附近，當(dāng)溫度荷載施加在梁上翼緣時(shí)為上升溫，施加在梁下翼緣時(shí)為下升溫，如圖2所示。

2 結(jié)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(shí)間變化曲線圖，符合國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。從圖3a中可以看出：對(duì)于相同點(diǎn)位上升溫要比下升溫對(duì)鋼結(jié)構(gòu)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(dāng)下升溫時(shí)，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(shì)，當(dāng)梁端溫度達(dá)到600℃后，由于鋼材的屈服強(qiáng)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(shì)。對(duì)于上升溫和下升溫兩種不同工況，當(dāng)上升溫溫度為678℃時(shí)，梁端位移為75.4 mm，當(dāng)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(dá)到12.9 mm，可見，由于頂部角鋼是影響帶雙腹板頂?shù)捉卿摿褐B接承載力的主要部件，上升溫時(shí)頂部角鋼直接受熱，因此相比下升溫對(duì)梁端位移影響更大。

圖3 梁端溫度和位移變化情況

2.2 節(jié)點(diǎn)區(qū)頂?shù)捉卿撎厥恻c(diǎn)受力性能分析

鋼材的強(qiáng)度和彈性模量會(huì)隨溫度的上升而降低。對(duì)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(biāo)準(zhǔn)升溫曲線規(guī)律。在兩種不同工況下，頂角鋼的應(yīng)變隨時(shí)間的變化差別不大，當(dāng)升溫到10 min后，角鋼的應(yīng)變已經(jīng)很大，基本喪失承載力。而對(duì)于下升溫，由于上部角鋼不直接受火，因此當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，應(yīng)變還能較平緩的增加；對(duì)于上升溫，由于上部角鋼直接受火，因此隨著溫度上升，應(yīng)變幾乎呈直線快速上升，如圖4a所示。對(duì)于頂角鋼應(yīng)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(shí)，變化基本一致，當(dāng)溫度達(dá)到600℃，角鋼的應(yīng)變急劇增加，同時(shí)上升溫對(duì)于角鋼的影響要大于下升溫對(duì)角鋼的影響。

圖4 頂角鋼應(yīng)變變化曲線

2.3 腹板角鋼特殊點(diǎn)受力情況分析

經(jīng)分析，離梁上翼緣較近腹板角鋼處的點(diǎn)應(yīng)變值較大，因此以此點(diǎn)作為特殊點(diǎn)來進(jìn)行分析。圖5為腹板角鋼應(yīng)變變化曲線。兩種工況下對(duì)腹板角鋼強(qiáng)度的影響基本一致，當(dāng)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(dāng)升溫溫度達(dá)到647℃時(shí)，腹板角鋼最上端點(diǎn)的應(yīng)變達(dá)到0.02，已基本喪失承載力，從而在此處形成塑性鉸，應(yīng)變隨之急劇增加。

圖5 腹板角鋼應(yīng)變變化曲線

2.4 高強(qiáng)螺栓受力性能分析

對(duì)于摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，主要靠高強(qiáng)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(yù)拉力和摩擦面的抗滑移系數(shù)產(chǎn)生。在高溫作用下，高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力會(huì)發(fā)生松弛，從而對(duì)高強(qiáng)螺栓連接承載力有嚴(yán)重影響。為了分析方便，對(duì)于此連接中的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，頂角鋼與柱連接處的螺栓編號(hào)為1，頂角鋼與梁連接處螺栓編號(hào)為5，底角鋼與柱連接處螺栓編號(hào)為3，底角鋼與梁連接的螺栓編號(hào)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(hào)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(hào)為15、16、17。

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

在雙腹板頂?shù)捉卿摿褐B接的所有螺栓中，1號(hào)螺栓即頂角鋼與柱連接的螺栓對(duì)連接的承載力影響最大，另外9號(hào)螺栓對(duì)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(hào)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(shí)，1號(hào)螺栓的溫度達(dá)到672.7℃，而下升溫10 m in時(shí)，1號(hào)螺栓的溫度達(dá)到650.0℃。

3 結(jié)論

（1）無論是上升溫還是下升溫，當(dāng)在升溫10 m in之前，對(duì)連接承載力影響較小，當(dāng)溫度超過600℃時(shí)，由于鋼材的屈服強(qiáng)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(shí)，頂角鋼是此類連接的關(guān)鍵部位，因此，上升溫會(huì)使頂角鋼直接受火，而下升溫時(shí)頂角鋼不直接受火，因此在此類連接設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(duì)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(shí)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(xué)基金項(xiàng)目（51278238）；河南省科技創(chuàng)新杰出青年基金項(xiàng)目

王新武（1971－），男，河南洛陽人，教授，博士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)方面的研究.

2012－12－10