高溫下預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗火性能分析

顧為健，毛小勇

（蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215011）

裝配式建筑在歐洲、美國(guó)及日本等許多國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，萬(wàn)科、天津住宅集團(tuán)、北京住總集團(tuán)等大型企業(yè)相繼投入裝配式建筑的研發(fā)和建設(shè)，形成了預(yù)制框架-現(xiàn)澆剪力墻體系、預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)體系、預(yù)制框架結(jié)構(gòu)體系、預(yù)制外墻-現(xiàn)澆剪力墻體系、預(yù)制外墻-現(xiàn)澆框架體系等多種建筑體系。

常溫下梁柱節(jié)點(diǎn)性能一直是預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，例如高林等[1]通過(guò)進(jìn)行裝配式混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的普通現(xiàn)澆邊節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，來(lái)評(píng)價(jià)裝配式混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)的力學(xué)和抗震性能。在節(jié)點(diǎn)抗火方面，研究主要集中在鋼節(jié)點(diǎn)、組合節(jié)點(diǎn)、混凝土節(jié)點(diǎn)等方面。陳成等[2]應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)抗火性能進(jìn)行了研究。顧夏英等[3]研究了軸向約束PEC柱-組合梁中柱節(jié)點(diǎn)（繞強(qiáng)軸）耐火性能及高溫下節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系。王玉鐲[4]對(duì)足尺鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)試件的抗火性能及火災(zāi)后的抗震性能進(jìn)行了研究。傅傳國(guó)等[5]進(jìn)行了鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下的抗火性能研究，分析了節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布、變形特點(diǎn)、耐火極限、破壞特征及混凝土爆裂等情況。劉池[6]通過(guò)火災(zāi)試驗(yàn)研究了磷酸鎂混凝土足尺框架節(jié)點(diǎn)的抗火性能，并與普通混凝土框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了比較。

然而，對(duì)火災(zāi)高溫下預(yù)制裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)耐火性能的研究目前還未見相關(guān)報(bào)道?；诖?，本文建立了預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)模型，分析了梁長(zhǎng)、梁寬、梁高、柱高、柱截面邊長(zhǎng)對(duì)預(yù)制裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)抗火性能的影響，并與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，研究成果可為裝配式節(jié)點(diǎn)的抗火設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 有限元模型簡(jiǎn)介

1.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)形式多樣，其鋼筋連接以套筒灌漿連接為主。本研究的預(yù)制柱-疊合梁裝配整體式節(jié)點(diǎn)屬于整體式連接（預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)示意圖見圖1），即框架梁采用疊合梁，框架柱采用預(yù)制柱，預(yù)制梁端部與后澆混凝土結(jié)合面設(shè)置抗剪鍵及鑿毛成粗糙面，預(yù)制上柱的縱筋與現(xiàn)澆部分采用套筒灌漿連接。采用C30混凝土，保護(hù)層厚度為35 mm。節(jié)點(diǎn)尺寸見表1。

圖1 預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)示意圖

表1 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)尺寸

1.2 材料模型

（1）混凝土（灌漿料）。混凝土（灌漿料）強(qiáng)度采用文獻(xiàn)[7]實(shí)測(cè)值。熱傳導(dǎo)率、比熱和本構(gòu)關(guān)系采用Lie[8-10]的模型，熱膨脹系數(shù)采用李引擎等[11]的模型，即 αc=1.0×10-5，密度 2 400 kg/m3，泊松比 0.2。

（2）鋼筋。鋼筋強(qiáng)度采用文獻(xiàn)[7]實(shí)測(cè)值。熱傳導(dǎo)率和比熱采用Lie[8-10]的模型。本構(gòu)關(guān)系采用EC3（考慮鋼材屈服后的應(yīng)力強(qiáng)化）[12]。鋼筋的熱膨脹系數(shù)取為常數(shù)αs=1.4×10-5，即，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。

1.3 單元及邊界

溫度場(chǎng)分析時(shí)，混凝土和灌漿料采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元，縱筋和箍筋采用二節(jié)點(diǎn)桿單元。對(duì)流系數(shù)和綜合輻射系數(shù)分別取為 25 W/（m2·K）和 0.5，玻爾茲曼常數(shù)取 5.67×10-8W/（m2·K）4。鋼筋和混凝土、混凝土和灌漿料，以及現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土之間均采用tie。力學(xué)分析時(shí)，混凝土和灌漿料采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元，鋼筋采用二節(jié)點(diǎn)三維線性桿單元。溫度場(chǎng)分析和力場(chǎng)分析網(wǎng)格劃分相同。柱下端約束Ux、Uy、Uz、Rx、Ry，柱上端約束 Ux、Uz，梁端約束 Uz、Rx、Ry，套筒灌漿連接件均采用 sping2 非線性彈簧單元模擬；高溫下彈簧單元荷載位移曲線參照文獻(xiàn)[7]取值，彈簧剛度在inp文件中進(jìn)行修改。柱受到的軸向約束作用用sping2線性彈簧模擬[13-14]，用sping2非線性彈簧單元模擬豎直疊合面，彈簧剛度參照文獻(xiàn)[7]和Lie[8-10]的模型取值。鋼筋與整個(gè)模型采用Embedded約束，預(yù)制梁與現(xiàn)澆混凝土之間水平疊合面采用面-面接觸，法向采用“硬接觸”，切向摩擦采用罰函數(shù)，摩擦系數(shù)[15]取1.0，其它接觸面法向行為采用硬接觸，切向摩擦采用罰函數(shù)，摩擦系數(shù)同上。節(jié)點(diǎn)有限元分析模型見圖2。

圖2 預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)有限元模型

2 節(jié)點(diǎn)溫度分布規(guī)律

圖3所示為不同階段梁柱中截面等溫線圖。從圖3（a）可以看出，節(jié)點(diǎn)組合體截面溫度呈現(xiàn)出外高內(nèi)低的趨勢(shì)；從圖3（b）可以看出，節(jié)點(diǎn)區(qū)的低溫區(qū)域明顯大于相鄰構(gòu)件的低溫區(qū)域；從圖3（c）可以看出，梁內(nèi)部溫度高于柱內(nèi)部溫度，主要是因?yàn)橹孛娉叽绱笥诹簩?，吸熱能力比較強(qiáng)，內(nèi)部溫度升溫比較慢；從圖3（d）可以看出，節(jié)點(diǎn)區(qū)的溫度低于非節(jié)點(diǎn)區(qū)，等溫線呈“橢圓形”，這主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)區(qū)受到相鄰梁柱的共同影響，節(jié)點(diǎn)區(qū)的梁和柱共同吸熱，熱容高于非節(jié)點(diǎn)區(qū)，外界熱量交換相同時(shí)，熱容越大，溫度變化就越小。此外，節(jié)點(diǎn)區(qū)的受火面積小于非節(jié)點(diǎn)區(qū)。

3 幾何參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗火性能的影響

用梁柱軸線之間所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角變化量來(lái)表示梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)角，為表述方便，本文將梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)角簡(jiǎn)稱為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角，確立方法參考文獻(xiàn)[16]。

3.1 梁長(zhǎng)的影響

（1）梁端位移。圖4（a）-（c）分別為三種梁荷載比不同梁長(zhǎng)下節(jié)點(diǎn)的梁端位移-時(shí)間曲線。從圖4可以看出，節(jié)點(diǎn)的梁端位移隨著梁長(zhǎng)的增大而增大，耐火極限減小，這是因?yàn)榱洪L(zhǎng)的增加會(huì)加快截面抗彎剛度的降低速率，梁端位移的增加更為迅速，最終導(dǎo)致破壞時(shí)間縮短。

圖4 梁長(zhǎng)對(duì)梁端位移-時(shí)間影響曲線

（2）柱端位移。圖5（a）-（c）分別為三種梁荷載比不同梁長(zhǎng)下節(jié)點(diǎn)的柱端位移-時(shí)間曲線。從圖5可以看出，梁長(zhǎng)的增大使得柱端位移呈現(xiàn)出略有減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著梁長(zhǎng)的增大，梁端的極限荷載值減小，下柱受到的荷載在減小，相應(yīng)的變形也在減小。

圖5 梁長(zhǎng)對(duì)柱端位移-時(shí)間影響曲線

（3）轉(zhuǎn)角。圖6（a）-（c）分別為三種梁荷載比不同梁長(zhǎng)下節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線。從圖6可以看出，梁長(zhǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角曲線變化趨勢(shì)基本沒(méi)有影響，梁長(zhǎng)的增大使得轉(zhuǎn)角發(fā)生陡增的時(shí)間點(diǎn)減小。

圖6 梁長(zhǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-時(shí)間影響曲線

3.2 梁寬的影響

（1）梁端位移。圖7（a）-（c）分別為三種梁荷載比不同梁寬下節(jié)點(diǎn)的梁端位移-時(shí)間曲線。從圖7可以看出，節(jié)點(diǎn)的梁端位移剛開始隨著梁寬的變化不明顯，接近破壞時(shí)，梁寬的增加使得梁端位移在減小，破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)榱簩挻笳?，溫度不易傳入?nèi)部，耐火性較好。

圖7 梁寬對(duì)梁端位移-時(shí)間影響曲線

（2）柱端位移。圖8（a）-（c）分別為三種梁荷載比不同梁寬下節(jié)點(diǎn)的柱端位移-時(shí)間曲線。從圖可以看出，隨著梁寬的增大，柱端位移也在增大，增大的速率也在加快，主要是因?yàn)殡S著梁寬的增加，梁端的極限荷載在增大，下柱受到的荷載值在增大，隨著受火時(shí)間的增加，材料劣化嚴(yán)重，構(gòu)件變形速率也在加快。

圖8 梁寬對(duì)柱端位移-時(shí)間影響曲線

（3）轉(zhuǎn)角。圖9（a）-（c）分別為三種荷載比不同梁寬的節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線。從圖9可以看出，t=0的時(shí)候，隨著梁寬的增加，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角略有增大，這是因?yàn)榱簩捲酱螅褐€剛度比越大，梁對(duì)柱約束作用越強(qiáng)，所以節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角隨著梁寬的增大而增大。隨著受火時(shí)間的增加，受梁和柱轉(zhuǎn)動(dòng)變形的影響，相對(duì)轉(zhuǎn)角變化比較復(fù)雜，當(dāng)接近破壞時(shí)，轉(zhuǎn)角變形速率加快，轉(zhuǎn)角發(fā)生陡增的時(shí)間點(diǎn)隨著梁寬的增大而增大。

圖9 梁寬對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-時(shí)間影響曲線

3.3 梁高的影響

（1）梁端位移。圖10（a）-（c）分別三種梁荷載比不同梁高下節(jié)點(diǎn)的梁端位移-時(shí)間曲線。從圖10可以看出，隨著梁高的增加，節(jié)點(diǎn)的梁端位移逐漸減小，破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著梁高的增加，截面抗彎剛度的降低速率減緩，梁端位移的增加更為緩慢，最終導(dǎo)致破壞時(shí)間延長(zhǎng)。

圖10 梁高對(duì)梁端位移-時(shí)間影響曲線

（2）柱端位移。圖11（a）-（c）分別為三種梁荷載比不同梁高下節(jié)點(diǎn)的柱端位移-時(shí)間曲線。從圖11可以看出，梁高對(duì)柱端位移影響不大，隨著梁高的增加，柱端位移略有增大。

圖11 梁高對(duì)柱端位移-時(shí)間影響曲線

（3）轉(zhuǎn)角。圖12（a）-（c）分別為三種梁荷載比不同梁高下節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線。從圖12可以看出，t=0的時(shí)候，隨著梁高的增加，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角略有增大，這是因?yàn)榱焊咴酱螅褐€剛度比越大，梁對(duì)柱約束作用越強(qiáng)，所以節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角隨著梁高的增大而增大。隨著受火時(shí)間的增加，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角隨梁高的增加變形不明顯。

圖12 梁高對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-時(shí)間影響曲線

3.4 柱高的影響

（1）梁端位移。圖13（a）-（c）分別為三種柱荷載比不同柱高下節(jié)點(diǎn)的梁端位移-時(shí)間曲線。從圖13可以看出，柱高對(duì)梁端位移沒(méi)有影響。

（2）柱端位移。圖14（a）-（c）分別為三種柱荷載比不同柱高下節(jié)點(diǎn)的柱端位移-時(shí)間曲線。從圖14可以看出，隨著柱高的增加，柱端位移逐漸增大，破壞時(shí)間在逐漸減小，這是因?yàn)橹礁?，截面抗壓剛度的降低速率越快，柱端位移的增加更為迅速，最終導(dǎo)致破壞時(shí)間縮短。

圖14 柱高對(duì)柱端位移-時(shí)間影響曲線

（3）轉(zhuǎn)角。圖15（a）-（c）分別為三種柱荷載比不同柱高的節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線。從圖15可以看出，柱高對(duì)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角影響不明顯。當(dāng)接近破壞時(shí)，轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)出陡增的趨勢(shì)，隨著柱高的增加，轉(zhuǎn)角陡增的時(shí)間在縮短，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)破壞由柱控制時(shí)，柱越高，節(jié)點(diǎn)越容易破壞。

圖15 柱高對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-時(shí)間影響曲線

3.5 柱截面邊長(zhǎng)的影響

（1）梁端位移。圖16（a）-（c）分別為三種柱荷載比不同柱截面邊長(zhǎng)下節(jié)點(diǎn)的梁端位移-時(shí)間曲線。從圖16可以看出，柱截面邊長(zhǎng)對(duì)梁端位移變化趨勢(shì)沒(méi)有影響。

圖16 柱截面邊長(zhǎng)對(duì)梁端位移-時(shí)間影響曲線

（2）柱端位移。圖17（a）-（c）分別為三種柱荷載比下不同柱截面邊長(zhǎng)下節(jié)點(diǎn)的柱端位移-時(shí)間曲線。從圖17可以看出，隨著柱截面邊長(zhǎng)的增大，柱端位移在減小，破壞時(shí)間在增大。這是因?yàn)殡S著柱截面邊長(zhǎng)的增大，柱和梁的體積越大，吸熱能力越強(qiáng)，內(nèi)部升溫速度比較慢，柱越不易破壞。

圖17 柱截面邊長(zhǎng)對(duì)柱端位移-時(shí)間影響曲線

（3）轉(zhuǎn)角。圖18（a）-（c）分別為三種柱荷載比不同柱截面邊長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線。從圖18可以看出，柱截面邊長(zhǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角變化不明顯。

圖18 柱截面邊長(zhǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-時(shí)間影響曲線

4 與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)抗火性能對(duì)比

4.1 變形

節(jié)點(diǎn)的變形主要包括以下幾個(gè)方面：梁變形、柱變形、節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變形。圖19為現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)變形對(duì)比曲線。圖19（a）為現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)梁端位移-時(shí)間對(duì)比曲線，可以看出，現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)的梁端位移-時(shí)間曲線基本重合，預(yù)制節(jié)點(diǎn)的梁端位移略大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。圖19（b）為現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)柱端位移-時(shí)間對(duì)比曲線，從圖中可以看出，現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)的梁端位移-時(shí)間曲線基本重合。圖19（c）為現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角-時(shí)間對(duì)比曲線，從圖中可以看出，預(yù)制節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角略大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。綜合可見，現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)的變形基本相同。

圖19 現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)變形對(duì)比曲線

4.2 耐火極限

利用上述模型，對(duì)比不同梁荷載比、柱荷載比、柱軸向約束剛度比、梁長(zhǎng)、梁寬、梁高、柱高、柱截面邊長(zhǎng)等參數(shù)條件下預(yù)制節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)和耐火極限的差異。結(jié)果表明：不同梁荷載比、柱荷載比、柱軸向約束剛度比、梁長(zhǎng)、柱截面邊長(zhǎng)等參數(shù)下，兩者幾乎沒(méi)有差異；梁寬、梁高、柱高等參數(shù)下，兩者有細(xì)微的差異。總體上看，預(yù)制節(jié)點(diǎn)的耐火極限可以參照現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)取值。限于篇幅，本文給出了不同梁寬、梁高、柱高條件下耐火極限的對(duì)比情況，分別見圖20（a）-（c）。

圖20 不同參數(shù)下現(xiàn)澆和預(yù)制節(jié)點(diǎn)荷載比-耐火極限對(duì)比曲線

5 結(jié)論

對(duì)預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗火性能進(jìn)行模擬和分析，結(jié)論如下：

（1）受到相鄰梁柱的共同影響，節(jié)點(diǎn)組合體截面溫度呈現(xiàn)出外高內(nèi)低的趨勢(shì)，節(jié)點(diǎn)區(qū)的溫度低于非節(jié)點(diǎn)區(qū)，等溫線呈“橢圓形”。

（2）隨著梁寬、梁高和柱截面邊長(zhǎng)的增加，節(jié)點(diǎn)的耐火極限會(huì)有所增大，但是隨著梁長(zhǎng)和柱高的增加，節(jié)點(diǎn)的耐火極限會(huì)有所減小。

（3）預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)與其現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的變形和破壞形態(tài)差別不大。

（4）預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)與其現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)具有相近的抗火性能，可參照現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)。