加勁肋對(duì)外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)抗火性能的影響

姜封國(guó)，鄭重遠(yuǎn)，孔 超，潘亞豪

（黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱150022）

加勁肋對(duì)外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)抗火性能的影響

姜封國(guó)，鄭重遠(yuǎn)，孔 超，潘亞豪

（黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱150022）

為研究加勁肋對(duì)外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)抗火性能的影響，結(jié)合前人對(duì)外伸式端板鋼框架連接節(jié)點(diǎn)開(kāi)展的抗火性能實(shí)驗(yàn)，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)抗火實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比分析熱-力耦合與熱-位移耦合的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：在相同的溫度、荷載條件下，設(shè)置加勁肋后鋼框架節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)力比未設(shè)置加勁肋時(shí)小。設(shè)置加勁肋能夠有效提高外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)的抗火性能，有效抵抗端板“板底脫空”現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)所造成的不利影響。加勁肋亦能夠有效減小鋼框架結(jié)構(gòu)的跨中撓度，大幅度提高鋼節(jié)點(diǎn)的屈服時(shí)間和極限溫度。

加勁肋；外伸端板；型鋼節(jié)點(diǎn)；抗火性能；有限元法

0　引　言

鋼結(jié)構(gòu)因具有自身重量輕、強(qiáng)度大、承載能力高等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中，但是鋼材也存在許多缺陷，限制了它在建筑材料中的發(fā)展，其耐火性能差就是嚴(yán)重缺陷［1］之一，如果對(duì)其不加重視將造成極其嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中，最重要的是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效控制。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中起到傳遞彎矩、剪力的關(guān)鍵作用，如果節(jié)點(diǎn)破壞，其結(jié)果必將引起整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞，故對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的研究具有重要意義。

目前，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的足尺抗火實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道并不多見(jiàn)，而對(duì)于加勁肋對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)承載力的影響和設(shè)置加勁肋后的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的研究則更鮮見(jiàn)。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于鋼節(jié)點(diǎn)抗火性能研究主要集中于鋼節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)度螺栓臨界溫度、鋼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角以及設(shè)置不同參數(shù)等對(duì)承載力的影響方面。文獻(xiàn)［2］研究表明，高強(qiáng)度螺栓的臨界溫度控制在350℃左右時(shí)能正常承載，超過(guò)臨界溫度350℃后則不適合繼續(xù)承載。文獻(xiàn)［3］研究發(fā)現(xiàn)，引起鋼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的主要原因是柱翼緣的彎曲和腹板的剪切變形，而鋼梁跨中的豎向撓度與節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角密切有關(guān)，減少轉(zhuǎn)角也就意味著減少跨中撓度，那么就相應(yīng)提高了鋼節(jié)點(diǎn)的抗火性能。文獻(xiàn)［4］主要研究參數(shù)變化對(duì)承載力的影響，結(jié)果表明減少荷載率和適當(dāng)增加端板厚度可以有效提高鋼架節(jié)點(diǎn)的抗火時(shí)間。文獻(xiàn)［5］則證明鋼節(jié)點(diǎn)高溫時(shí)的扭曲現(xiàn)象，以及節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)于溫度的敏感性等。文獻(xiàn)［6］分析了高溫下鋼框架的非線性。文獻(xiàn)［7］綜合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬兩方面，得出高溫下端板與腹板連接的小部分區(qū)域?yàn)槭芰ξｋU(xiǎn)區(qū)域，宜加強(qiáng)構(gòu)造措施，如設(shè)置加勁肋。文獻(xiàn)［8］研究了高溫下肋板節(jié)點(diǎn)域及連接螺栓的受力情況，并證明采用有限元軟件ABAQUS對(duì)火災(zāi)下鋼節(jié)點(diǎn)模擬切實(shí)可行。以上文獻(xiàn)的結(jié)論說(shuō)明我們對(duì)于鋼節(jié)點(diǎn)抗火性能研究已經(jīng)有了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，但是對(duì)于加勁肋的研究尚存在不足，因此，對(duì)于它的研究將具有非常重要的意義。

基于上述研究成果，筆者將實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究鋼框架邊節(jié)點(diǎn)設(shè)置加勁肋后的鋼節(jié)點(diǎn)抗火性能，以及高溫破壞時(shí)設(shè)置加勁肋與否對(duì)復(fù)雜內(nèi)力的影響，分析鋼框架節(jié)點(diǎn)失效機(jī)理，從而深入研究加勁肋對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)的有利影響。

1　幾何模型與轉(zhuǎn)角計(jì)算

1.1幾何模型

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒄瘴墨I(xiàn)［9］，鋼架柱均采用兩端鉸支形式的H244 mm×175 mm×7 mm×11 mm型鋼制作，長(zhǎng)度為3 000 mm。鋼架梁采用長(zhǎng)1 350 mm的H250 mm×125 mm×6 mm×9 mm型鋼制作，一邊懸臂，另一邊通過(guò)端板與鋼架柱連接。實(shí)驗(yàn)時(shí)在懸臂端通過(guò)液壓千斤頂施加30 kN荷載，同時(shí)對(duì)鋼架柱施加125 kN荷載，文中共選用四個(gè)鋼架節(jié)點(diǎn)，尺寸見(jiàn)圖1。構(gòu)件編號(hào)分別為J3、J4、J7、J8，其中試件J3、J4不設(shè)置加勁肋，端板厚度分別為16和12 mm，試件J7、J8均設(shè)置加勁肋，端板厚度分別為16和12 mm。構(gòu)件中所有螺栓均采用10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接。

圖1　鋼架節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件尺寸Fig.1 Steel nodes and component size

整個(gè)鋼架節(jié)點(diǎn)中除了節(jié)點(diǎn)部分裸露受火外，其他部分采用石棉防火氈或其他防火材料包裹，梁和柱通過(guò)液壓千斤頂預(yù)加載，加載到30 kN后先穩(wěn)定15min，再點(diǎn)火加熱。

1.2模型網(wǎng)格劃分與力學(xué)性能參數(shù)

有限元ABAQUS節(jié)點(diǎn)模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)單元在三維應(yīng)力狀態(tài)下分析時(shí)選用C3D8R網(wǎng)格單元，而在熱傳遞分析時(shí)采用DC3D8網(wǎng)格單元，構(gòu)件中所有接觸面須設(shè)置相應(yīng)的接觸單元屬性。

圖2　端板鋼節(jié)點(diǎn)模型Fig.2　End plate steel node model diagram

接觸屬性切向庫(kù)倫摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15［10］，當(dāng)兩個(gè)接觸面由于剪力產(chǎn)生相對(duì)滑移時(shí)會(huì)產(chǎn)生庫(kù)倫摩擦力，庫(kù)倫摩擦力的計(jì)算式如下：

式中：τt、τn——給定點(diǎn)的切向庫(kù)倫摩擦力和法向接觸面力，kN；

τcr——接觸面的極限庫(kù)倫摩擦力，kN；

μ——接觸面的摩擦系數(shù)，由于摩擦力在接觸面上有兩個(gè)方向，故有正負(fù)值。

理論分析時(shí)只要存在相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)就會(huì)產(chǎn)生靜摩擦力，但在ABAQUS模擬時(shí)須給定一個(gè)大約0.5 mm的滑移才能產(chǎn)生符合實(shí)際要求的摩擦力。

已知鋼材高溫時(shí)的力學(xué)屬性和材料屬性是隨著溫度的變化而不斷改變的［6，11］，因此，采用數(shù)值軟件模擬時(shí)材料屬性均按照歐洲規(guī)范EUROCODE3中給出的有關(guān)本構(gòu)關(guān)系設(shè)定。鋼節(jié)點(diǎn)中受力最重要的是螺栓預(yù)緊力，在高溫狀態(tài)下螺栓不但受到外部荷載作用而且還要承受由于溫差作用而產(chǎn)生的溫度荷載，故在有限元分析時(shí)應(yīng)細(xì)化螺栓預(yù)緊力的加載方式，在有限元模型中螺栓一般分為三步加載:（1）設(shè)置螺栓安裝時(shí)的預(yù)緊力10 N；（2）施加最終預(yù)緊力15 kN；（3）穩(wěn)定最終預(yù)緊力15 kN。

1.3鋼架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角計(jì)算

實(shí)驗(yàn)位移數(shù)據(jù)是通過(guò)差動(dòng)式位移傳感器采集，再根據(jù)文獻(xiàn)［13］中的計(jì)算公式得出相應(yīng)溫度下的轉(zhuǎn)角，其轉(zhuǎn)角計(jì)算式如式（2）所示：

式中：hbf——梁的高度，mm；

Δβr——梁柱節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角，（°）；

βbr、βcr——梁和柱的轉(zhuǎn)角，（°）；

Δtbf——梁的上翼緣與柱翼緣交接中點(diǎn)的水平位移，mm；

Δbbf——梁的下翼緣與柱翼緣交接中點(diǎn)的水平位移，mm；

Δtcw——上部柱加勁肋與柱腹板交接處中點(diǎn)的水平位移，mm；

Δbcw——下部柱加勁肋與柱腹板交接處中點(diǎn)的水平位移，mm。

2　結(jié)果分析

2.1溫度場(chǎng)模擬與節(jié)點(diǎn)溫度變化

數(shù)值模擬中模型的節(jié)點(diǎn)約束形式和火荷載的加載形式與實(shí)驗(yàn)完全相同，有限元模型加載的升溫曲線直接取用實(shí)驗(yàn)中自制熱電偶測(cè)得的實(shí)驗(yàn)爐溫升溫曲線［12］來(lái)進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，即:

式中：θ（t）——環(huán)境溫度，℃；

t——火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，min；

θ0——初始環(huán)境溫度，一般取20℃。

通過(guò)加載測(cè)得的升溫曲線，最終模擬得到鋼框架溫度場(chǎng)及節(jié)點(diǎn)處溫度變化曲線，如圖3所示。

圖3　J7 ABAQUS溫度場(chǎng)和節(jié)點(diǎn)溫度Fig.3　J7 ABAQUS temperature field and node temperature

從圖3b兩條曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看，節(jié)點(diǎn)溫度和爐溫都是一樣的，即在加熱前26.4 min時(shí)溫度上升較快，之后溫度有下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)?6.4 min后爐內(nèi)停止加熱，且熱量不斷向周?chē)h(huán)境中轉(zhuǎn)移。從圖3b還可以看出，爐內(nèi)溫度上升要比節(jié)點(diǎn)溫度上升得快，這是因?yàn)殪F化石油點(diǎn)燃是一個(gè)轟燃的過(guò)程，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度在極短時(shí)間內(nèi)迅速上升，之后溫度升高變得緩慢，趨向極限溫度。雖然鋼材的熱傳導(dǎo)率很大，但是熱流在鋼材中有一個(gè)傳遞過(guò)程，因此鋼架節(jié)點(diǎn)溫度增長(zhǎng)速率明顯低于爐溫上升的速率。在26.4 min后爐溫下降速率比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)快，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)臨近結(jié)束，爐內(nèi)霧化石油燃盡，鋼材卻在緩慢釋放自身過(guò)高的熱量。

2.2應(yīng)力對(duì)比分析

J4鋼架節(jié)點(diǎn)（未設(shè)置加勁肋）的應(yīng)力有限元模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4　J4有限元模擬與實(shí)驗(yàn)構(gòu)件對(duì)比Fig.4 J4 Finite element simulation and contrast testcomponents

從圖4可以看出，J4鋼節(jié)點(diǎn)采用ABAQUS模擬的變形趨勢(shì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，在ABAQUS模擬圖中可以看出，應(yīng)力較大處主要集中在梁上下翼緣和端板接觸部位以及最上一排螺栓處；從Mises應(yīng)力云圖中可以看出，此處應(yīng)力最大值接近9.626×102MPa，這明顯小于常溫下的靜載實(shí)驗(yàn)，表明結(jié)構(gòu)在相對(duì)較小的應(yīng)力作用下變形過(guò)大，鋼節(jié)點(diǎn)將遭受破壞，同時(shí)也說(shuō)明了高溫極大地削弱了結(jié)構(gòu)的承載力，使結(jié)構(gòu)更容易破壞。

J8鋼架節(jié)點(diǎn)（設(shè)置加勁肋）的應(yīng)力有限元模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5　J8有限元模擬與實(shí)驗(yàn)構(gòu)件對(duì)比Fig.5 J8 Finite element simulation and contrast test components

由圖5可以看出，ABAQUS模型端板上部和柱翼緣接觸處相分離，原因是加勁肋的存在限制了柱翼緣向z軸方向的發(fā)展，而加勁肋兩側(cè)卻沒(méi)有限制作用，在螺栓外力的作用下，柱翼緣跟隨螺栓一起向z軸方向移動(dòng)，故在圖中形成“脫離”區(qū)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。ABAQUS模擬中，應(yīng)力較大處也集中在梁上下翼緣和端板接觸處，從圖4a和圖5a模擬得出的Mises云圖中可以看出，這些位置的應(yīng)力最大值達(dá)到7.207×102MPa，這比無(wú)加勁肋時(shí)的應(yīng)力9.626×102MPa要小，故設(shè)置加勁肋時(shí)的承載力要比不設(shè)置加勁肋時(shí)提高很多。柱翼緣和端板相分離的部位對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力也有一定的影響。實(shí)驗(yàn)采用的是摩擦型高強(qiáng)度螺栓，板與板分離后減少了摩擦接觸面積，削弱了高強(qiáng)度螺栓對(duì)梁柱的連接作用，因此，降低結(jié)構(gòu)的承載力。但是，從模擬的Mises圖可以看出，“板底脫空”對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)的不利影響不如設(shè)置加勁肋對(duì)結(jié)構(gòu)的影響大。從應(yīng)力分析方面來(lái)說(shuō)在高溫下還是以設(shè)置加勁肋效果最佳。

2.3節(jié)點(diǎn)溫度-轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)比

圖6與圖7從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元模擬兩方面的對(duì)比來(lái)說(shuō)明加勁肋對(duì)鋼架節(jié)點(diǎn)承載力的影響。

圖6　J3和J4實(shí)驗(yàn)與模擬溫度-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.6 Test and simulation temperature force-angle curve of J3 and J4

從圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬得出的數(shù)據(jù)貼合程度較好，但是，在圖6a中J3構(gòu)件在溫度低于377℃時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相偏離。這主要是因?yàn)槟M中高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)度損失較大，造成模擬時(shí)轉(zhuǎn)角大于正常的實(shí)驗(yàn)情形，之后模擬的強(qiáng)度損失趨于平衡，但實(shí)驗(yàn)溫度高于377℃后，螺栓強(qiáng)度才進(jìn)入大衰退期，造成了之后的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)角偏大。

圖7a是J3與J7構(gòu)件鋼節(jié)點(diǎn)的溫度-轉(zhuǎn)角曲線，它與ABAQUS模擬出的曲線幾乎相貼合，但在圖7b中J4與J8構(gòu)件鋼節(jié)點(diǎn)的溫度-轉(zhuǎn)角關(guān)系發(fā)生偏離。這主要是由于設(shè)置加勁肋強(qiáng)化了鋼架節(jié)點(diǎn)的作用，雖然設(shè)置加勁肋最終會(huì)造成鋼架柱翼緣與梁相連的端板相“脫離”，減少兩者之間的接觸面積，應(yīng)會(huì)出現(xiàn)由于摩擦力減少而造成的高強(qiáng)度螺栓利用率降低的現(xiàn)象。但從實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果平看，“板底脫離”并沒(méi)有降低鋼架的承載力，相反鋼架的承載力提高了。這主要是因?yàn)榧觿爬叩拇嬖跇O大地提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，彌補(bǔ)了“脫空”所造成的承載力下降。從圖7b中也可以看出，設(shè)置加勁肋時(shí)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角要明顯小于未設(shè)置加勁肋的情形。

圖7　J3與J7和J4與J8溫度-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.7 J3 and J7-J4 and J8 temperature force-angle curve contrast

2.4設(shè)置加勁肋對(duì)跨中撓度的影響

圖8是從框架跨中時(shí)間-位移關(guān)系曲線來(lái)說(shuō)明設(shè)置加勁肋對(duì)鋼架節(jié)點(diǎn)承載力的影響。

圖8　J3與J7構(gòu)件時(shí)間-位移曲線Fig.8 J3 and J7 component test component timedisplacement curve

從圖8可以看出，未設(shè)置加勁肋的J3構(gòu)件位移曲線的斜率明顯要大于設(shè)置加勁肋的J7構(gòu)件位移曲線，這就說(shuō)明加勁肋對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的承載力確實(shí)發(fā)揮了作用。通過(guò)計(jì)算可知，設(shè)置加勁肋，梁端位移減少了28.5%，對(duì)提高承載力的效果非常明顯。

3　結(jié)論

（1）ABAQUS模擬顯示溫度場(chǎng)與實(shí)際測(cè)得溫度場(chǎng)擬合程度接近，但與爐溫相差較大，故模擬不能直接調(diào)用爐溫升溫曲線。

（2）溫度低于450℃對(duì)鋼架連接節(jié)點(diǎn)的影響程度較小，當(dāng)溫度超過(guò)450℃后，由于鋼材強(qiáng)度損失非常大，故節(jié)點(diǎn)的承載力幾乎完全喪失。

（3）實(shí)驗(yàn)中不同厚度的連接端板沒(méi)有明顯影響鋼架節(jié)點(diǎn)的抗火承載力。

（4）設(shè)置加勁肋的鋼梁下翼緣靠近鋼梁端板部位有局部屈曲現(xiàn)象，鋼梁端板和鋼柱翼緣在鋼梁上翼緣部位有明顯分離現(xiàn)象。

（5）設(shè)置加勁肋對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗火性能影響顯著。加勁肋能顯著減小構(gòu)件的豎向撓度，梁端位移減少約28.5%。

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（編輯荀海鑫）

Fire resistance performance of stiffening rib of extended end plate connections

JIANG Fengguo，ZHENG Zhongyuan，KONG Chao，PAN Yahao
（School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is aimed at a deeper insight into the effect of the stiffening rib on the fire resistance performance of extended-end-plate steel connection nodes.The study builds on the previous experiments on the fire resistance performance of steel frame nodes of extended-end-plates；uses the finite element software ABAQUS for numerical simulation of the fire resistance experiment；and compares and analyzes simulation results between the thermal-mechanical coupling and heat-displacement coupling on the one hand and the experimental data on the other.The results show that，when exposed to the same temperature and load，the steel frame nodes provided with stiffening ribs have a smaller maximum stress than those not provided with stiffening ribs.The study concludes that the advantages accompanying stiffening rib provision are an effective improvement in the fire resistance performance of the extended-end-plate steel connections，an effective prevention of negative effect of voids beneath concrete slabs on the extended-end-plate structure，a significant reduction in the cross deflection of steel frame structures，and a great increase in yield time and the limit temperature.

stiffening rib；extended-end-plate；steel joints；fire resistance performance；finite element method

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.018

TU391

2095-7262（2015）06-0664-06

A

2015－11－10

黑龍江省博士后科研啟動(dòng)金資助項(xiàng)目（LBH-Q13141）

姜封國(guó)（1977-），男，黑龍江省雞西人，副教授，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)可靠性分析和防災(zāi)減災(zāi)研究，E-mail:jiangfg123@126.com。