型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗火性能綜述

王傳奇 （孟菲斯大學(xué)土木工程系，美國 孟菲斯 38152）

0 前 言

節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位，研究其高溫力學(xué)性能是研究框架乃至整體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下力學(xué)性能的重要基礎(chǔ)。在火災(zāi)作用下，組合結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和剛度會隨著火災(zāi)溫度的升高而不斷降低，使得常溫下表現(xiàn)為剛接節(jié)點(diǎn)的承載能力和抗變形能力在火災(zāi)下大大降低，因而火災(zāi)下節(jié)點(diǎn)整體表現(xiàn)出一定的半剛性，從而使得結(jié)構(gòu)的變形性能以及內(nèi)力重分布的機(jī)制發(fā)生改變[1-3]。由此可見，進(jìn)行組合結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點(diǎn)火災(zāi)下力學(xué)性能的研究非常的必要，并且也是解決薄壁型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)抗火的性能化設(shè)計(jì)問題的重要環(huán)節(jié)。

1 國內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)狀

國際上從20世紀(jì)50年代開始重視結(jié)構(gòu)抗火研究。波特蘭水泥協(xié)會、美國混凝土協(xié)會、美國預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會、歐洲國際混凝土協(xié)會先后成立混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究小組，主要研究了混凝土的高溫材性、梁、柱和板的抗火性能與計(jì)算方法及框架的火災(zāi)反應(yīng)。對鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行研究大約始于1970年左右。20世紀(jì)80年代以來國際范圍內(nèi)對鋼結(jié)構(gòu)的抗火研究越來越廣泛、深入，美國、日本、英國、德國、瑞典、澳大利亞、新西蘭等國家在結(jié)構(gòu)鋼的高溫性質(zhì)、鋼梁、鋼柱和鋼框架的抗火試驗(yàn)與理論研究方面取得了大量成果，編制了基于計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范。特別在90年代初,英國BRE等在Cardington對一幢8層足尺鋼框架建筑做了6組火災(zāi)試驗(yàn)，得到了許多具有開創(chuàng)意義的結(jié)果[4],認(rèn)識到獨(dú)立鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火性能與結(jié)構(gòu)中受約束的鋼構(gòu)件的抗火性能有著顯著差別，多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件有更好的抗火能力。20世紀(jì)80年代國際上開始研究鋼-混凝土組合構(gòu)件的抗火問題，特別是加拿大國家防火實(shí)驗(yàn)室對鋼管混凝土柱的抗火性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)與理論研究[5,6]。

在研究的基礎(chǔ)上，英國、日本、澳大利亞、歐盟等國家或國際組織都專門編制了鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范，或在鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了抗火設(shè)計(jì)內(nèi)容，鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)抗火從研究階段已步入工程實(shí)用階段。

國內(nèi)的抗火研究起步較晚，原冶金部建筑科學(xué)研究總院、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等從20世紀(jì)80年代中后期開始進(jìn)行了混凝上的材性、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受火性能及反應(yīng)研究。我國自20世紀(jì)80年代末90年代初才開始進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗火研究，主要有中國建筑科學(xué)研究院和同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了高溫鋼材特性、各類鋼構(gòu)件、高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)、鋼框架結(jié)構(gòu)的抗火試驗(yàn)與理論研究。國內(nèi)原哈爾濱建筑大學(xué)、福州大學(xué)90年代后期開始研究鋼管混凝土柱的抗火性能，同濟(jì)大學(xué)則于90年代末以后分別研究了鋼-混凝土組合板[7]和組合梁[8]的抗火性能。

然而，在結(jié)構(gòu)抗火工程應(yīng)用方面我國遠(yuǎn)不如國外該領(lǐng)域的先進(jìn)國家，我國至今沒有結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)主要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中所采納的基于獨(dú)立構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)的方法，這種方法不能反映真實(shí)火災(zāi)升溫、結(jié)構(gòu)整體性能和火災(zāi)下荷載作用的大小對結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火能力的影響，因此不能確保結(jié)構(gòu)抗火安全和結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性[9]。

2 鋼節(jié)點(diǎn)抗火研究現(xiàn)狀

和鋼構(gòu)件相比，雖然鋼梁-柱節(jié)點(diǎn)抗火性能的研究近些年才被重視，研究歷史并不長，但近年來通過試驗(yàn)和理論分析也已經(jīng)取得了一些成果。

早在1976年法國的Kruppa進(jìn)行了鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的火災(zāi)試驗(yàn)研究，隨后英國鋼鐵公司于1982年完成了類似的試驗(yàn)研究工作，研究的目的在于確定高強(qiáng)螺栓在火災(zāi)下的工作性能[10]。

1990年Lawson[11]進(jìn)行了8個十字形梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究，其中包括剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)以及鉸接點(diǎn)，所有鋼梁上翼緣都蓋有混凝土或混凝土板。試驗(yàn)采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，螺栓以及由其他連接起來的構(gòu)件在火災(zāi)下保持承載力的同時能經(jīng)受相當(dāng)?shù)淖冃危瑫r證明了由于翼緣混凝土的存在提高了試件的抗火能力。但由于Lawson的試件數(shù)量不足，無法得出完整的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線。

1997年Leston-Jones[12]等和Al-Jabri[13]等先后進(jìn)行了由英國建筑科學(xué)研究院、謝菲爾德大學(xué)以及鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會合作完成的兩批節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究。第一批試驗(yàn)的試件數(shù)量少，共進(jìn)行了5個高溫和一個常溫的試驗(yàn)，采用平齊式端板連接節(jié)點(diǎn)。通過特殊設(shè)計(jì)的火災(zāi)試驗(yàn)爐，試驗(yàn)時僅節(jié)點(diǎn)區(qū)位于試驗(yàn)爐內(nèi)，梁柱的支撐和加載裝置均放在試驗(yàn)爐外，加載非常方便。試驗(yàn)最終測出了較為理想的節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系。文獻(xiàn)[12]報道的第二批試驗(yàn)的20個試件，在第一批試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了節(jié)點(diǎn)類型、構(gòu)件尺寸、端板厚度等變化參數(shù)，較為詳盡地考察了各參數(shù)的影響。

1999年T·C·H·Liu[14]用數(shù)值模擬的方法研究了梁柱端板連接對無保護(hù)的工字鋼的抗火性能影響，通過對影響端板連接性能的螺栓尺寸、螺栓的數(shù)量以及端板厚度等多個參數(shù)進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，無論節(jié)點(diǎn)的常溫下極限承載力通過什么方式提高多少，但在火災(zāi)條件下至多可以讓鋼梁的極限承載力達(dá)到常溫下的2/3。

2001年Silva LS和Santiago A[15]利用一種“組合模型”的方法來模擬鋼節(jié)點(diǎn)并研究其在高溫下的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系以及屈服應(yīng)力和楊式模量的變化，并通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比認(rèn)為這種方法應(yīng)用于模擬端板連接的梁柱鋼節(jié)點(diǎn)在高溫下的反應(yīng)是可行的。

2006年王衛(wèi)永[15]和隋炳強(qiáng)[17]等為得到外伸端板節(jié)點(diǎn)的抗火性能，使用火災(zāi)實(shí)驗(yàn)爐對4個足尺H型鋼外伸端板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行火災(zāi)行為的試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)結(jié)果指出，節(jié)點(diǎn)破壞的主要因素是柱的翼緣屈曲和端板彎曲變形，通過增加加勁肋的方法可以提高節(jié)點(diǎn)的臨界溫度、端板厚度對節(jié)點(diǎn)抗火性能有明顯影響等一系列結(jié)論。并且利用非線性有限元軟件對試件進(jìn)行火災(zāi)反應(yīng)分析，得出節(jié)點(diǎn)的溫度6分布和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-溫度關(guān)系。有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果對比表明，取得了較好的一致。驗(yàn)證了用有限元進(jìn)行火災(zāi)反應(yīng)分析的正確性和可行性，并根據(jù)試驗(yàn)和有限元分析的結(jié)果，對節(jié)點(diǎn)的抗火設(shè)計(jì)和施工提出了建議。

3 型鋼-混凝土梁-柱節(jié)點(diǎn)抗火性能研究現(xiàn)狀

和鋼節(jié)點(diǎn)相比，組合節(jié)點(diǎn)的抗火性能研究更是少之有少，近幾年只有英國的曼徹斯特大學(xué)報道過相關(guān)試驗(yàn)，另外國內(nèi)的福州大學(xué)也做過火災(zāi)后的組合節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)。

2003年Wang Y C和Davies JM[18]報道了8個節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究成果，其鋼梁和矩形鋼管混凝土柱的連接采用了外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管混凝土柱的外鋼管發(fā)生局部屈曲及屈曲位置會影響到柱的計(jì)算長度，同時由于節(jié)點(diǎn)荷載傳遞的影響，柱中彎矩分布隨升溫過程不斷變化，且變化規(guī)律復(fù)雜。

2007年霍靜思和韓林海[19]進(jìn)行了一系列鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在恒定軸壓力和低周反復(fù)荷載作用下的滯回性能實(shí)驗(yàn)，比較了常溫下和火災(zāi)后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能，不同梁柱線剛度比和軸壓比情況下的節(jié)點(diǎn)火災(zāi)后力學(xué)性能，以及經(jīng)過修復(fù)后節(jié)點(diǎn)與?；煜鹿?jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。并在此基礎(chǔ)上提出了火災(zāi)后節(jié)點(diǎn)水平承載力的實(shí)用計(jì)算方法，以及火災(zāi)后節(jié)點(diǎn)框架柱的簡化實(shí)用P-△滯回模型，為工程實(shí)踐提供了一定的參考。

2007年J.Ding和Y.C.Wang[20]報道了10個鋼梁和鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究過程和結(jié)果，采用了4種不同的節(jié)點(diǎn)連接形式。論文主要報道了這些節(jié)點(diǎn)的在試驗(yàn)中的顯示的性能和破壞形態(tài)，為節(jié)點(diǎn)抗火設(shè)計(jì)方法研究提供了一定的參考。并且試驗(yàn)結(jié)果表明，通過節(jié)點(diǎn)的合理的抗火設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生懸鏈效應(yīng)，從而提高鋼梁的耐火性能。

2013年王傳奇[21][22]利用有限元分析軟件ANSYS，建立薄壁型鋼-混凝土梁-柱組合節(jié)點(diǎn)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(diǎn)彎矩-時間曲線和節(jié)點(diǎn)耐火時間進(jìn)行參數(shù)化分析。研究結(jié)果表明，荷載水平對薄壁型鋼-混凝土梁-柱節(jié)點(diǎn)的耐火極限影響很大；當(dāng)荷載比一定時，防火保護(hù)層厚度對梁-柱組合節(jié)點(diǎn)的耐火極限影響顯著，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(diǎn)耐火極限影響很小。

4 結(jié) 論

國外試驗(yàn)的組合節(jié)點(diǎn)形式在中國幾乎沒有應(yīng)用，而在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能、溫度場分布、極限承載力以及影響其耐火性能的因素，都還未見相關(guān)報道。隨著薄壁型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)在國內(nèi)土木工程中的不斷推廣應(yīng)用，有關(guān)其梁柱節(jié)點(diǎn)抗火性能的研究也急需深入開展，因此作者認(rèn)為應(yīng)針對我國目前常用的一些薄壁型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)形式，對一些關(guān)鍵問題開展研究[23]。

我國規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)防火的考慮還停留在比較初級的階段，即以單個構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)火測試為手段的階段。而對在火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)、承載能力和破壞特征缺乏深入、系統(tǒng)的研究。作為研究框架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的力學(xué)性能和抗火設(shè)計(jì)方法的前提和基礎(chǔ)的梁-柱節(jié)點(diǎn)的耐火性能的測試及耐火標(biāo)準(zhǔn)也都沒有相關(guān)明確的規(guī)定。

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