受火方式和防火層對梁柱全焊節(jié)點抗火性能影響分析

李利萍，王曉純，潘一山，張宏濤

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，阜新，123000；2.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京，100041）

0 引言

鋼材不耐火，火災(zāi)下溫度的升高對鋼結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)特別是力學(xué)性能有顯著影響，當(dāng)溫度超過550℃時，普通鋼結(jié)構(gòu)強度和剛度將大部分喪失。一旦發(fā)生火災(zāi)，建筑室內(nèi)溫度半小時可達(dá)800℃—1200℃，結(jié)構(gòu)承載能力下降，甚至導(dǎo)致整個建筑物的坍塌，不僅對火災(zāi)直接承受者產(chǎn)生傷害，造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失，還對社會公共福利造成傷害［1］。通過對我國建筑火災(zāi)坍塌事例進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及連接節(jié)點在高溫下的性能劣化是引起建筑物火災(zāi)坍塌事故的主要因素［2］，因此有必要對火災(zāi)下構(gòu)件及節(jié)點性能進(jìn)行深入研究。梁、柱節(jié)點作為鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵連接部分，連接性能直接影響整個結(jié)構(gòu)的受力與安全［3］。目前全焊連接和栓焊連接是應(yīng)用最廣泛的鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接方式。大量研究表明，全焊型梁柱連接的滯回性能好于栓焊型混合連接，具有較好的塑性變形能力［4］。在地震作用下，全焊節(jié)點震害率和破壞程度均遠(yuǎn)低于梁柱栓焊節(jié)點［5］，因此在高烈度地震地區(qū)優(yōu)先考慮全焊連接。

鑒于鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的重要作用，國內(nèi)外學(xué)者對其抗火性能展開研究。最早是以單個構(gòu)件為對象，對鋼結(jié)構(gòu)抗火性能進(jìn)行理論和實驗研究，而對于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接研究較少，不過近幾年國內(nèi)外進(jìn)行了一定的研究。da Silva［6］等、Lawson［7］對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點在火災(zāi)作用下的研究進(jìn)行綜述。李曉東［8］等對不同節(jié)點形式在火災(zāi)中的性能進(jìn)行試驗研究，指出火災(zāi)下節(jié)點破壞的現(xiàn)象和節(jié)點位置、連接形式、是否帶加勁肋有關(guān)。王衛(wèi)永［9］采用試驗和有限元兩種方法對全焊接節(jié)點進(jìn)行初步分析，計算結(jié)果與試驗結(jié)果有較好的相關(guān)性，表明有限元分析方法可行，為研究全焊接節(jié)點在不同火災(zāi)條件下的結(jié)構(gòu)行為提供了實用方法。李杰［10］從地震耗能和累積損傷的角度對梁柱焊接節(jié)點的抗震性能進(jìn)行了研究。隋炳強［11］等對栓焊和全焊4個中節(jié)點足尺試件進(jìn)行抗火試驗，通過試驗發(fā)現(xiàn)全焊節(jié)點抗火臨界溫度高于栓焊節(jié)點。王漢杰［12］等采用有限元方法分析了不同升溫條件下全焊接節(jié)點的火災(zāi)行為。

基于以上研究發(fā)現(xiàn)，受火方式和防火層對全焊節(jié)點抗火性能影響研究依然較少，本文采用ANSYS有限元軟件，對H型截面的梁柱全焊節(jié)點進(jìn)行抗火數(shù)值模擬，研究不同受火方式下全焊節(jié)點的力學(xué)響應(yīng)特性，對比分析有無防火層對梁柱節(jié)點溫度影響規(guī)律，為鋼結(jié)構(gòu)全焊節(jié)點抗火設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 ANSYS有限元計算模型

1.1 有限元模型

有限元模型中梁柱均采用H型截面，長1m，截面尺寸為200mm×160mm×30mm×20mm。水平加勁肋尺寸為222mm×42mm×10mm。有限元模型如圖1所示。進(jìn)行熱分析時，采用SOLID70六面體單元，用于分析三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱問題，該單元有8個結(jié)點，每個結(jié)點只有溫度自由度。熱力耦合分析時采用間接耦合，ANSYS在處理完溫度場分析后，會自動生成rth文件，可直接將熱結(jié)果文件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計算，此時SOLID70單元會直接轉(zhuǎn)變?yōu)镾OLID45單元。

假設(shè)柱子所承受軸力為125kN，柱橫截面有72個節(jié)點，每個節(jié)點施加1.7361kN豎直向下的力，在梁端施加42kN剪力，梁邊緣線有8個節(jié)點，每個節(jié)點施加5.25kN的力，彎矩忽略，柱子底部固定約束，柱子頂端x、y方向簡支約束。

1.2 有限元模型參數(shù)設(shè)置

火災(zāi)下溫度升高影響鋼結(jié)構(gòu)材料性能，導(dǎo)熱系數(shù)采用EUROCODE3規(guī)范［13］，如圖2所示。

由于750℃時鋼材的比熱發(fā)生較大變化，不能取單一值，本次計算比熱取值如圖3所示。

鋼材彈性模量隨溫度升高而下降，彈性模量取值如圖4所示。

高溫下鋼材的泊松比取υs＝0.3，熱膨脹系數(shù)取αs＝1.4×10－5W／（m×℃），鋼材的密度ρs＝7850kg／m3［13］。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線Fig.2 Variation curve of thermal conductivity

圖3 比熱隨溫度變化曲線Fig.3 Variation curve of specific heat with temperature

節(jié)點的初始溫度設(shè)定為20℃，分別施加熱對流和熱輻射兩種受火方式，對流換熱系數(shù)取為25W／（m2·℃），綜合輻射率取值為0.9。瞬態(tài)熱分析中外界溫度運用函數(shù)加載，施加ISO升溫曲線。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4 彈性模量隨溫度變化曲線Fig.4 Variation curve of Young＇s modulus with temperature

本次模擬設(shè)置三種工況：節(jié)點全部受火、梁柱兩面受火、節(jié)點不受火，觀察受火方式不同對全焊節(jié)點的影響；設(shè)置5mm防火層和無防火層，觀察防火層對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響。

2.1 受火方式對全焊節(jié)點的影響

不同受火方式對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點溫度場影響明顯，采用三種不同工況對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點受力情況進(jìn)行分析，工況一：鋼節(jié)點全部施加熱對流和熱輻射；工況二：只對梁的下表面和柱的內(nèi)表面施加熱載荷；工況三：鋼節(jié)點沒有受到火災(zāi)的影響。

通過數(shù)值模擬得到工況一各節(jié)點溫度變化曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，因節(jié)點受火是在整個節(jié)點上施加熱載荷，所以呈現(xiàn)出對稱的結(jié)果，各翼緣和腹板溫度基本相同。節(jié)點各處溫度變化曲線基本接近，結(jié)構(gòu)各部位溫差很小，且柱子的腹板處溫度總是最高，溫度上升最快。

圖5 工況一各節(jié)點溫度變化曲線Fig.5 Variation curve of the joint temperature under work condition（I）

圖6為工況二情況下梁柱兩面受火各節(jié)點溫度變化曲線。分析表明：受火面溫度馬上升高，但是遠(yuǎn)離受火位置溫度升高緩慢。因此梁下翼緣、腹板和柱翼緣溫度相對較高，而梁上翼緣和節(jié)點域溫度升高不明顯。但在240s之后，升溫最快的梁下翼緣各處溫差增大。圖7給出了工況二情況下240s時的溫度分布。

圖6 工況二各節(jié)點溫度變化曲線Fig.6 Variation curve of the joint temperature under work condition（II）

圖7 工況二240秒溫度分布圖Fig.7 Temperature curve under work condition（II）at 240s

將工況一與工況二進(jìn)行對比，得到兩種工況下最大溫差對比，如圖8所示。由圖8可以直觀看出，工況二情況下節(jié)點各處最大溫差明顯大于工況一情況，240s前，兩種工況最大溫差相差不大，240s后，兩者之間最大溫差差值急劇增大。以600s為例，工況二梁柱兩面受火時升溫最快的梁下翼緣最高溫度為460℃，而節(jié)點域處于最低溫度220℃，兩者最大溫差為240℃；工況一節(jié)點受火時柱子腹板最高溫度達(dá)到495℃，而梁腹板處最低溫度為448℃，兩者最大溫差僅為47℃，節(jié)點整體溫度很高。以上對比分析表明：工況一節(jié)點受火比工況二梁柱受火更加危險，節(jié)點受火結(jié)構(gòu)整體處于高溫狀態(tài)，各節(jié)點處溫差較小；工況二梁下側(cè)和柱子內(nèi)側(cè)受火，雖沒使節(jié)點域達(dá)到很高的溫度，但是受火區(qū)域節(jié)點溫度升高很快，節(jié)點各處最大溫差較工況一大，在快速升溫區(qū)域會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，因此受火區(qū)域比較危險。

圖8 兩種工況下最大溫差對比Fig.8 Comparison of maximal temperature difference under two work conditions

工況1情況下熱力耦合240s時各節(jié)點處Mises應(yīng)力與工況3不受火情況進(jìn)行對比，如圖9所示。由圖9可以看出，由于溫度升高，結(jié)構(gòu)熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，工況一節(jié)點受火下各節(jié)點處Mises應(yīng)力明顯比工況三不受火情況大，且不受火節(jié)點應(yīng)力僅在有外力作用的地方有明顯變化。分析表明溫度對節(jié)點Mises應(yīng)力影響很大。在施加熱載荷的情況下，Mises應(yīng)力變化范圍更大，節(jié)點域處Mises應(yīng)力都有明顯變化。

圖9 工況一240s時熱力耦合與工況三 Mises應(yīng)力對比Fig.9 Comparison of Mises stress under work condition（I）with thermal－mechanical coupling at 240s and that under work condition（III）

從溫度與結(jié)構(gòu)耦合240秒圖（圖10）可以看出，梁下翼緣應(yīng)力升高很快，但上翼緣應(yīng)力升高緩慢，梁與翼緣相交處應(yīng)力不高，這是由于在模擬中只在梁邊緣處施加了向下的剪力而沒有考慮彎矩的影響。

圖10 240s工況1熱力耦合z方向應(yīng)力Fig.10 Mises stress under work condition（I）with thermal－mechanical coupling at 240s

2.2 防火層對全焊節(jié)點溫度影響

防火層對降低和延緩構(gòu)件升溫有很大作用。模擬防火層時，將模型中柱子內(nèi)壁和梁下側(cè)加上厚度為5毫米的立方體模擬防火層，其他過程沒有什么變化。需要注意的是，在結(jié)構(gòu)分析的時候選中防火層單元進(jìn)行EKILL，ALL殺死單元的操作。

在柱內(nèi)壁和梁下側(cè)施加防火層，結(jié)構(gòu)各節(jié)點處溫度變化如圖11所示。結(jié)果表明在有防火層的情況下節(jié)點整體溫度不高，升溫最快的是防火層區(qū)域，而翼緣和節(jié)點域升溫比較緩慢，約300s以后，節(jié)點域的溫度超過翼緣升溫區(qū)。

圖11 有防火層節(jié)點各處升溫曲線圖Fig.11 Temperature rise of joints with fire protection layers

以梁翼緣為例，對比有無防火層對翼緣溫度影響，如圖12所示。

圖12 防火層對梁翼緣溫度影響Fig.12 Influence of fire protection layer on the temperature of beam flange girth

通過對比發(fā)現(xiàn)，無防火層區(qū)域節(jié)點溫度整體高于有防火層的節(jié)點，且兩種情況下溫差隨時間急劇增大。以600s為例，無防火層構(gòu)件最高溫度為495.796℃，而有防火層的節(jié)點才達(dá)到183.895℃。當(dāng)達(dá)到450℃的時候，鋼材的力學(xué)性能大大降低，所以對節(jié)點增加防火層是非常有效的。

3 結(jié)論

通過對梁柱全焊節(jié)點抗火性能數(shù)值模擬，分析了受火方式和防火層對梁柱全焊節(jié)點影響，得到如下結(jié)論：

（1）節(jié)點全部受火節(jié)點各處溫差很小，結(jié)構(gòu)整體處于高溫狀態(tài)。梁柱受火只有受熱的表面有明顯的溫度變化。節(jié)點全部受火較梁柱受火更加危險。

（2）有防火層區(qū)域節(jié)點整體溫度不高，防火層可有效降低和延緩節(jié)點火災(zāi)下溫度的升高。

［1］高仲亮，等.火災(zāi)外部性研究及其對策分析［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2012，12（6）：181－185.

［2］李耀莊，李昀暉.中國建筑火災(zāi)引起坍塌事故的統(tǒng)計與分析［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2006，6（5）：133－135.

［3］王萬禎，等.節(jié)點域?qū)︿摽蚣芰褐B接受力性能的影響［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005，35（12）：56－58.

［4］張曉霞.鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點連接設(shè)計方法探討［J］.山西建筑，2011，37（5）：43－44.

［5］王禎.鋼框架梁柱剛接節(jié)點淺析［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2011，（5）：60－63.

［6］Da Silva LS，et al.Behavior of steel joints under fire loading［J］.Steel and Composite Structures，2005，5（6）：485－513.

［7］Lawson RM.Behavior of steel－beam－to－column connec－tions in fire［J］.The Structural Engineer，1990，68（14）：263－271.

［8］李曉東.H型截面鋼框架抗火性能的試驗研究及非線性有限元分析［D］.西安建筑科技大學(xué)，2006.

［9］王衛(wèi)永，等.焊接鋼框架邊節(jié)點抗火性能試驗［J］.東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，37（2）：240－244.

［10］李杰.地震循環(huán)載荷下鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點耗能與損傷行為的研究［D］.天津大學(xué)，2003.

［11］隋炳強，等.鋼框架中柱剛節(jié)點抗火性能試驗研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，37（4）：651－655.

［12］王漢杰，等.梁柱全焊接節(jié)點火災(zāi)響應(yīng)特性分析［J］.火災(zāi)科學(xué)，2010，19（2）：74－81.

［13］胡軍.梁柱栓焊混合邊節(jié)點火災(zāi)響應(yīng)特性分析［D］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.