王傳奇

（孟菲斯大學(xué)土木工程系，美國 孟菲斯 38152）

0 引 言

薄壁型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是由薄壁板材或薄壁構(gòu)件和混凝土組成并共同工作的一種新型結(jié)構(gòu)形式[1,2]。薄壁型鋼-混凝上組合結(jié)構(gòu)主要包括：冷彎薄壁鋼管、冷彎薄壁型鋼及其拼接而成的構(gòu)件與混凝土組合而成的梁、柱和節(jié)點等結(jié)構(gòu)。其中節(jié)點的性能對結(jié)構(gòu)的性能有重要的影響[3,4]，然而目前國內(nèi)外對薄壁型鋼混凝土節(jié)點的研究還相對較少。

1 有限元模型

節(jié)點結(jié)構(gòu)中鋼材均采用Q235，內(nèi)部填充C35混凝土，沒有配筋。梁-柱組合節(jié)點設(shè)計參數(shù)：梁的截面尺寸為250mm×150mm×3mm,柱的截面尺寸為300mm×300mm×3mm，梁兩邊從對稱軸算起各取1000mm,柱上下各取600mm;鋼材強度235 N/mm2,混凝土立方體強度35N/mm2。選用SHELL181單元模擬薄壁型鋼，SOLID65單元模擬混凝土建立有限元分析模型，模型以及單元網(wǎng)格劃分見圖1?？紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性，為減小運算時間和計算機資源的使用，只采用1/2模型進行計算，柱的對稱面施加對稱約束。

2 常溫下極限承載力分析

本文設(shè)計了14組構(gòu)件，分別從截面尺寸、鋼板厚度、混凝土強度和鋼板強度等方面對影響薄壁型鋼-混凝土梁-柱節(jié)點承載力的因素做了相應(yīng)的分析。試驗結(jié)果表明：①在建立有限元模型時，不考慮混凝土和鋼材直接的粘結(jié)滑移會導(dǎo)致計算剛度，節(jié)點的承載力比實際情況偏大；②鋼板屈服強度和柱截面的尺寸對節(jié)點的承載力影響不大；③混凝土的強度和梁截面的尺寸對節(jié)點的承載力有較大的影響；④組合節(jié)點極限承載力隨鋼板厚度的增大而增大，然而當(dāng)鋼板厚度小于6mm時組合節(jié)點的承載力隨鋼板厚度變化不大，而當(dāng)采用大于6mm的鋼板時組合節(jié)點的承載力有明顯的提高[5]。

圖1 薄壁鋼板及混凝土有限單元劃分

圖2 組合節(jié)點的溫度場分布

3 高溫下抗火性能分析

為深入了解高溫下薄壁型鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)梁－柱節(jié)點的強度和變形的變化規(guī)律，以及為后面的結(jié)構(gòu)分析做準(zhǔn)備，首先必須分析梁-柱節(jié)點構(gòu)件的截面溫度場。本文利用有限元分析軟件ANSYS，建立薄壁型鋼-混凝土梁-柱節(jié)點在火災(zāi)作用下的有限元理論分析模型，對ISO-834火災(zāi)升溫模型下的薄壁型鋼-混凝土梁-柱節(jié)點的溫度場進行分析，然后將得到的溫度作為一種荷載導(dǎo)入到ANSYS中進行結(jié)構(gòu)分析?？紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性，組合節(jié)點180min時溫度場分布見圖2[6]。

在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線條件下，對影響薄壁型鋼-混凝土梁-柱節(jié)點耐火極限的因素進行參數(shù)化分析。從模擬結(jié)果得出如下結(jié)論。①荷載水平對薄壁型鋼-混凝土梁-柱節(jié)點耐火極限影響顯著；荷載水平一定時，防火保護層厚度對梁-柱組合節(jié)點耐火極限影響很大，梁高及填充混凝土強度對梁-柱組合節(jié)點耐火極限影響較小，而其他參數(shù)如鋼板厚度、屈服強度、梁寬、柱截面尺寸等對梁-柱組合節(jié)點耐火極限影響很小，可以忽略不計。②沒有防火保護的薄壁型鋼-混凝土梁-柱節(jié)點在“荷載水平”為0.6時，耐火時間僅為15min~25min左右，因此對于有防火要求的結(jié)構(gòu)，梁-柱組合節(jié)點必須采取防火保護，如防火涂層，使得構(gòu)件達到國家現(xiàn)行建筑防火規(guī)范的耐火極限要求[7]。

4 結(jié) 論

通過本文分析，結(jié)果表明：①常溫下，填充混凝土的強度，梁截面的尺寸對節(jié)點的承載力有一定的提高，而鋼板的屈服強度和柱截面的尺寸對節(jié)點承載力影響較小，當(dāng)鋼板厚度增加到6mm以上時對節(jié)點承載力有顯著提高；②高溫下，荷載水平的大小對組合節(jié)點的耐火極限具有很大影響，然而當(dāng)荷載水平保持不變時，防火保護層厚度則是另一個對梁-柱組合節(jié)點的耐火極限有顯著影響的重要因素，而其他參數(shù)如材料特性、構(gòu)件幾何尺寸等對梁-柱組合節(jié)點耐火極限影響很小。

[1] 王傳奇,高軒能.鋼結(jié)構(gòu)半剛性連接節(jié)點的應(yīng)用[J].新型建筑材料,2008(4).

[2] 王傳奇,高軒能,李琨.變截面門式剛架動力特性的數(shù)值模擬分析[J].華僑大學(xué)學(xué)報,2009(1).

[3] 王傳奇.薄壁型鋼－混凝土梁-柱節(jié)點抗火性能研究[D].廈門：華僑大學(xué),2009.

[4] Xuanneng Gao,,Chuanqi Wang,Kun Li.Dynamic Behavior of Portal Frame Structure with Tapered Members[C].Proceedings of the Tenth International Symposium on Structural Engineering for Young Expert,Changsha,China,2008：1213-1218.

[5] 李巧,王傳奇.薄壁-型鋼混凝土梁柱節(jié)點承載力ANSYS 分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版）,2013(11).

[6] 王傳奇.薄壁-型鋼混凝土梁-柱節(jié)點溫度場數(shù)值分析[J].新型建筑材料,2013(9).

[7] 王傳奇.薄壁-型鋼混凝土梁柱節(jié)點抗火性能數(shù)值分析[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展,2013(4).