受火方式和防火層對(duì)梁柱全焊節(jié)點(diǎn)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(duì)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(guò)550℃時(shí)，普通鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shí)可達(dá)800℃—1200℃，結(jié)構(gòu)承載能力下降，甚至導(dǎo)致整個(gè)建筑物的坍塌，不僅對(duì)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(duì)社會(huì)公共福利造成傷害［1］。通過(guò)對(duì)我國(guó)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(diǎn)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(duì)火災(zāi)下構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行深入研究。梁、柱節(jié)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)震害率和破壞程度均遠(yuǎn)低于梁柱栓焊節(jié)點(diǎn)［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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其抗火性能展開研究。最早是以單個(gè)構(gòu)件為對(duì)象，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗火性能進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，而對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接研究較少，不過(guò)近幾年國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一定的研究。da Silva［6］等、Lawson［7］對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)作用下的研究進(jìn)行綜述。李曉東［8］等對(duì)不同節(jié)點(diǎn)形式在火災(zāi)中的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，指出火災(zāi)下節(jié)點(diǎn)破壞的現(xiàn)象和節(jié)點(diǎn)位置、連接形式、是否帶加勁肋有關(guān)。王衛(wèi)永［9］采用試驗(yàn)和有限元兩種方法對(duì)全焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步分析，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(diǎn)在不同火災(zāi)條件下的結(jié)構(gòu)行為提供了實(shí)用方法。李杰［10］從地震耗能和累積損傷的角度對(duì)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了研究。隋炳強(qiáng)［11］等對(duì)栓焊和全焊4個(gè)中節(jié)點(diǎn)足尺試件進(jìn)行抗火試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)全焊節(jié)點(diǎn)抗火臨界溫度高于栓焊節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)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(duì)全焊節(jié)點(diǎn)抗火性能影響研究依然較少，本文采用ANSYS有限元軟件，對(duì)H型截面的梁柱全焊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗火數(shù)值模擬，研究不同受火方式下全焊節(jié)點(diǎn)的力學(xué)響應(yīng)特性，對(duì)比分析有無(wú)防火層對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)溫度影響規(guī)律，為鋼結(jié)構(gòu)全焊節(jié)點(diǎn)抗火設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 ANSYS有限元計(jì)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(zhǎng)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(shí)，采用SOLID70六面體單元，用于分析三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱問(wèn)題，該單元有8個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)只有溫度自由度。熱力耦合分析時(shí)采用間接耦合，ANSYS在處理完溫度場(chǎng)分析后，會(huì)自動(dòng)生成rth文件，可直接將熱結(jié)果文件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計(jì)算，此時(shí)SOLID70單元會(huì)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(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)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(shí)鋼材的比熱發(fā)生較大變化，不能取單一值，本次計(jì)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(diǎn)的初始溫度設(shè)定為20℃，分別施加熱對(duì)流和熱輻射兩種受火方式，對(duì)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(yùn)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(diǎn)全部受火、梁柱兩面受火、節(jié)點(diǎn)不受火，觀察受火方式不同對(duì)全焊節(jié)點(diǎn)的影響；設(shè)置5mm防火層和無(wú)防火層，觀察防火層對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響。

2.1 受火方式對(duì)全焊節(jié)點(diǎn)的影響

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

通過(guò)數(shù)值模擬得到工況一各節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，因節(jié)點(diǎn)受火是在整個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加熱載荷，所以呈現(xiàn)出對(duì)稱的結(jié)果，各翼緣和腹板溫度基本相同。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)較高，而梁上翼緣和節(jié)點(diǎn)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(shí)的溫度分布。

圖6 工況二各節(jié)點(diǎn)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(duì)比，得到兩種工況下最大溫差對(duì)比，如圖8所示。由圖8可以直觀看出，工況二情況下節(jié)點(diǎn)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(shí)升溫最快的梁下翼緣最高溫度為460℃，而節(jié)點(diǎn)域處于最低溫度220℃，兩者最大溫差為240℃；工況一節(jié)點(diǎn)受火時(shí)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(diǎn)整體溫度很高。以上對(duì)比分析表明：工況一節(jié)點(diǎn)受火比工況二梁柱受火更加危險(xiǎn)，節(jié)點(diǎn)受火結(jié)構(gòu)整體處于高溫狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)處溫差較??；工況二梁下側(cè)和柱子內(nèi)側(cè)受火，雖沒(méi)使節(jié)點(diǎn)域達(dá)到很高的溫度，但是受火區(qū)域節(jié)點(diǎn)溫度升高很快，節(jié)點(diǎn)各處最大溫差較工況一大，在快速升溫區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，因此受火區(qū)域比較危險(xiǎn)。

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

工況1情況下熱力耦合240s時(shí)各節(jié)點(diǎn)處Mises應(yīng)力與工況3不受火情況進(jìn)行對(duì)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(diǎn)受火下各節(jié)點(diǎn)處Mises應(yīng)力明顯比工況三不受火情況大，且不受火節(jié)點(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)域處Mises應(yīng)力都有明顯變化。

圖9 工況一240s時(shí)熱力耦合與工況三 Mises應(yīng)力對(duì)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(méi)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(duì)全焊節(jié)點(diǎn)溫度影響

防火層對(duì)降低和延緩構(gòu)件升溫有很大作用。模擬防火層時(shí)，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(guò)程沒(méi)有什么變化。需要注意的是，在結(jié)構(gòu)分析的時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)域升溫比較緩慢，約300s以后，節(jié)點(diǎn)域的溫度超過(guò)翼緣升溫區(qū)。

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

以梁翼緣為例，對(duì)比有無(wú)防火層對(duì)翼緣溫度影響，如圖12所示。

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

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

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)梁柱全焊節(jié)點(diǎn)抗火性能數(shù)值模擬，分析了受火方式和防火層對(duì)梁柱全焊節(jié)點(diǎn)影響，得到如下結(jié)論：

（1）節(jié)點(diǎn)全部受火節(jié)點(diǎn)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(diǎn)全部受火較梁柱受火更加危險(xiǎn)。

（2）有防火層區(qū)域節(jié)點(diǎn)整體溫度不高，防火層可有效降低和延緩節(jié)點(diǎn)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(duì)策分析［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，12（6）：181－185.

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

［3］王萬(wàn)禎，等.節(jié)點(diǎn)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(diǎn)連接設(shè)計(jì)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(diǎn)淺析［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，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(yàn)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(diǎn)抗火性能試驗(yàn)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（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(diǎn)耗能與損傷行為的研究［D］.天津大學(xué)，2003.

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

［12］王漢杰，等.梁柱全焊接節(jié)點(diǎn)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(diǎn)火災(zāi)響應(yīng)特性分析［D］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.