火災下高強鋼栓焊連接節(jié)點力學性能數(shù)值研究

強旭紅，舒 悅，姜 旭，董 浩

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

鋼材在常溫下有較好的力學性能，在火災高溫下力學性能退化，當溫度達到400℃時，鋼材的屈服強度降至常溫時的一半，當溫度達到600℃時，鋼材基本喪失全部剛度和強度［1］。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生火災會造成的人民生命財產(chǎn)、經(jīng)濟等的損失巨大。因此，火災安全是鋼結(jié)構(gòu)安全的重要考量［1-6］。

梁柱節(jié)點是鋼框架結(jié)構(gòu)的重要連接部件，科研領域?qū)Ω邚婁摿褐?jié)點力學性能進行了相關(guān)研究［7-9］。Qiang等［10-13］采用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)火災試驗方法對歐標高強鋼S460、S690以及S960進行靜力拉伸試驗，提出針對高強鋼的抗火設計建議及火災后剩余強度評定建議。劉希月等［14］對4個高強鋼框架梁柱栓焊連接節(jié)點足尺試件進行低周疲勞往復加載的試驗表明，當節(jié)點翼緣焊縫質(zhì)量得以保證且采用有效的構(gòu)造措施時，高強鋼框架梁柱節(jié)點能夠表現(xiàn)出較好的塑性變形能力和良好的斷裂性能。李曉東等［15］對8個H型截面普通鋼框架梁柱邊節(jié)點（栓焊連接、全焊連接以及端板連接節(jié)點）進行的抗火試驗結(jié)果表明，火災高溫下節(jié)點破壞形式與節(jié)點是否帶加勁肋有關(guān)，加勁肋的存在可顯著改善節(jié)點的抗火性能，而節(jié)點連接形式對節(jié)點抗火性能沒有明顯影響。目前，梁柱栓焊連接節(jié)點在土木工程領域應用廣泛，而科研領域?qū)α褐ê高B接節(jié)點在火災高溫下力學性能的研究滯后，尤其對高強鋼梁柱栓焊連接節(jié)點抗火性能的研究，屈指可數(shù)。

為探究高強鋼栓焊連接節(jié)點火災高溫下的力學性能，對高強鋼Q690和Q960梁柱栓焊連接節(jié)點試件在550℃火災高溫下的力學性能進行足尺試驗研究，同時對上述節(jié)點在常溫下的力學性能進行試驗研究，并進行對比分析，詳見文獻［16］。

在火災試驗研究中，不僅結(jié)構(gòu)足尺試驗的成本昂貴，而且節(jié)點主要組件的應力、應變分布等不易通過試驗獲得。此外，火災試驗中可監(jiān)測數(shù)據(jù)少，而有限元分析可準確模擬節(jié)點在加載過程中任意時刻某一研究參數(shù)的變化。采用有限元軟件對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進行經(jīng)濟、高效的數(shù)值分析成為當前土木領域的一種趨勢［17-19］。采用ABAQUS有限元軟件對高強鋼栓焊連接節(jié)點力學性能進行數(shù)值模擬，從模型的幾何尺寸、單元類型、網(wǎng)格生成、接觸定義等方面介紹建模過程，通過有限元分析獲得火災高溫下節(jié)點的失效模態(tài)、M-θ關(guān)系曲線、節(jié)點抗彎承載力、節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度以及節(jié)點轉(zhuǎn)角，并通過試驗結(jié)果驗證數(shù)值模擬的正確性?；诮?jīng)驗證的數(shù)值模型，對可能影響高強鋼栓焊連接節(jié)點力學性能的柱翼緣厚度、柱腹板厚度、連接板尺寸、螺栓預緊力、螺栓直徑、螺栓強度等級、鋼材強度等級以及環(huán)境溫度進行參數(shù)研究。

1 試驗試件概況

試驗中高強鋼栓焊連接節(jié)點的設計參考歐洲鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范Eurocode3：Part1-8［20］和中國鋼結(jié)構(gòu)設計標準GB50017—2017［21］。共設計并制作4個高強鋼栓焊連接節(jié)點試件，分別為Q690A1和Q960A1（符號A表示常溫下）與Q690E1和Q960E1（符號E表示火災高溫下），具體試件尺寸如表1所示［16］，試驗設備及試驗情況詳見文獻［16］。

表1 節(jié)點試件尺寸［16］Tab.1 Dimension of connections[16]

2 有限元模型

2.1 單元類型和網(wǎng)格劃分

有限元模型的幾何尺寸與試驗節(jié)點試件尺寸一致。有限元模型需進行彈塑性分析，且涉及的節(jié)點組件多，各組件間需要定義多種接觸關(guān)系，節(jié)點主要部位需要劃分精細的網(wǎng)格。

單元類型選用C3D8R單元，C3D8R單元能有效模擬組件間的接觸關(guān)系，并準確進行非線性分析，較精確求解位移；當網(wǎng)格存在扭曲時，不會較大影響分析精度；在彎曲荷載下不容易發(fā)生剪切自鎖。在網(wǎng)格劃分中，靠近梁端、節(jié)點剪切域、螺栓、連接板、加勁肋等部位劃分精細網(wǎng)格，保證有限元分析結(jié)果正確性。節(jié)點試件、梁、柱、連接板、螺栓以及螺母有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh generation of finite element model

2.2 接觸定義和分析步設置

在模型中，梁翼緣與柱翼緣間焊縫以及柱與柱腹板加勁肋間焊縫均為實體建模，采用綁定約束。連接板橫截面和柱翼緣間為焊接，螺母與螺栓桿間擰緊不會產(chǎn)生相對滑動，均采用綁定約束。綁定約束如圖2所示。連接板與螺栓帽、連接板與螺母以及連接板與梁腹板均采用面面接觸，滑移方式為有限滑移，法向硬接觸，切向摩擦系數(shù)0.4［21］。螺栓桿和螺栓孔（連接板螺栓孔、梁腹板螺栓孔）采用面面接觸，法向硬接觸，切向不考慮摩擦作用。面面接觸如圖3所示。

圖2 有限元模型中的綁定約束Fig.2 Tie constraints in finite element model

圖3 有限元模型中的面面接觸Fig.3 Surface to surface constraints in finite element model

常溫下有限元分析過程分為4個分析步：第1步，臨時約束螺栓自由度，并在螺栓軸線上施加10 N的預緊力，設置初始溫度場為20℃；第2步，解除對螺栓的臨時約束；第3步，固定所有螺栓的長度；第4步，在梁端布有加勁肋的加載點處施加等效荷載。其中，前三步可保證在減少計算量和分析誤差的基礎上建立組件間的接觸關(guān)系。火災高溫下有限元模型前三個分析步與常溫下相同，第4步，將模型溫度場調(diào)整為550℃；第5步，在梁端布有加勁肋的加載點處施加等效荷載。

2.3 材料力學性能

高強鋼Q690常溫本構(gòu)模型采用武念鐸等［22］的材性試驗結(jié)果，Q690高溫材性以及Q960常溫和高溫材性試驗數(shù)據(jù)缺乏。因此，本文有限元分析所用高溫材性數(shù)據(jù)采用文獻［10，13］的高溫材性折減系數(shù)，武念鐸等［22］的前期研究已驗證該系數(shù)的合理性。高強螺栓常溫及火災高溫下的力學性能采用參考文獻［23］的研究結(jié)果。

常溫下高強鋼Q690的應力-應變關(guān)系曲線如圖4所示，由圖可知國產(chǎn)高強鋼Q690有明顯的屈服平臺，國產(chǎn)高強鋼Q960的屈服平臺消失，但兩者均表現(xiàn)出較好的塑性。有限元模型中輸入的應力和應變?yōu)檎鎸崙驼鎸嵥苄詰?，按式?）和式（2）求得：

式中：F為試件張拉荷載；A0和L0為鋼材試件的初始截面面積和初始長度；A和L為鋼材試件受載荷F作用的即時截面面積和即時長度；σtr、εtr、εpl、εel分別為鋼材的真實應力、真實應變、塑性應變和彈性應變；E為彈性模量；εeng和σeng為分別為鋼材的工程應變和工程應力。

εeng和σeng按式（3）和式（4）求得：

真實應變與工程應變之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（5）所示：

3 有限元模型校驗

3.1 節(jié)點變形與應力分布

以Q960E1為例，圖5為其在550℃火災高溫下，高強鋼栓焊連接節(jié)點試驗結(jié)果與有限元結(jié)果破壞形態(tài)的對比。有限元Mises應力和等效塑性應變(equivalent plastic strain,PEEQ）應變能表征構(gòu)件的塑性發(fā)展情況和變形狀態(tài)。由圖可知，有限元結(jié)果與試驗結(jié)果一致，節(jié)點剪切域變形明顯。有限元分析還表明：剪切域在發(fā)生屈服后，屈服面積在荷載增量較少的情況下會迅速擴展到整個剪切域，最終的剪切域塑性發(fā)展充分。

圖5 Q960E1最終變形形態(tài)的試驗與有限元比較Fig.5 Comparison of final deformation modes between test and finite element simulation of Q960E1

550℃火災高溫下，Q960E1栓焊連接節(jié)點各個組件有限元結(jié)果和試驗結(jié)果對比分別如圖6～圖8所示。有限元各組件模擬的變形狀態(tài)與試驗結(jié)果一致。

圖8 Q960E1梁翼緣-柱翼緣焊縫區(qū)域（受拉區(qū)）試驗與有限元比較Fig.8 Weld zone（tensile zone）of beam flange-column flange between test and finite element simulation result of Q960E

如圖6所示，柱端翼緣發(fā)生屈曲；如圖7所示，有限元應力較大的位置為焊縫裂紋形成并發(fā)生擴展的位置。此外，試驗結(jié)果中Q960E1節(jié)點的柱的翼緣屈曲程度略大于有限元結(jié)果，這是由于在試驗中剪切域過大會導致柱翼緣和柱腹板間焊縫開裂，而隨著焊縫裂紋的擴展，柱翼緣屈曲程度加大，而有限元只能模擬焊縫開裂的位置，尚無法進一步模擬裂紋的擴展過程。

圖7 Q960E1柱焊縫區(qū)域（受拉區(qū)）試驗與有限元比較Fig.7 Weld zone（tensile zone）of column between test and finite element simulation result of Q960E1

3.2 節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系

將火災高溫下栓焊連接節(jié)點Q690E1和Q960E1的M-θ曲線有限元結(jié)果與火災高溫試驗結(jié)果進行對比，同時，也將常溫下的相關(guān)結(jié)果進行比較，如圖9所示。

圖9 M-θ曲線試驗與有限元比較Fig.9 Comparison of M-θ curves between test and finite element simulation

由圖可知：有限元結(jié)果在彈性段擬合效果較好，但試驗中節(jié)點塑性未能與有限元模擬一樣充分發(fā)揮。這是由于火災高溫試驗時，火災爐內(nèi)試驗進展無法觀察，在節(jié)點Q690E1的M-θ曲線剛進入彈塑性段、節(jié)點Q960E1的焊縫在彈性段提前開裂后試驗加載停止，節(jié)點變形狀態(tài)如圖6所示。

圖6 Q960E1節(jié)點柱翼緣彎曲變形試驗與有限元比較Fig.6 Bending deformation modes in column flange between test and finite element simulation result of Q960E1

4 參數(shù)分析

在第3節(jié)已驗證的有限元模型的基礎上，在帶有加勁肋的梁右端施加豎向荷載。有限元模型中常溫鋼材材性數(shù)據(jù)采用參考文獻［22，24-25］的研究結(jié)果；鋼材高溫材性取值是在常溫力學性能（屈服強度、抗拉強度、彈性模量）的基礎上乘以相應的高溫力學性能折減系數(shù)。其中，名義屈服強度為460、690、960 MPa高強鋼材采用文獻［10-13］提出的高溫力學性能折減系數(shù)，屈服強度為345 MPa鋼材與高強螺栓分別采用文獻［26］和文獻［27］提出的高溫力學性能折減系數(shù)。

4.1 柱腹板厚度

不同柱腹板厚度（以下稱為CW系列）對應的高強鋼栓焊連接節(jié)點的信息如表2所示，CW系列節(jié)點的M-θ關(guān)系曲線如圖10所示。在有限元分析中火災高溫下節(jié)點M-θ曲線的下降段難以獲得，故本文以θmax表征節(jié)點的轉(zhuǎn)動能力。

圖10 CW系列節(jié)點M-θ曲線Fig.10 M-θ curves of connections in CW series

表2 CW系列節(jié)點各組件信息Tab.2 Component information of the connections in CW series

節(jié)點的延性用延性系數(shù)δd表征，δd按照式（6）求得：

由M-θ曲線獲得的節(jié)點力學性能指標如表3所示。

表3 CW系列節(jié)點力學性能Tab.3 Mechanical behavior of connections in CW series

由圖10和表3可得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，只改變柱腹板厚度對Mmax基本無影響；隨柱腹板厚度的增加，My和Kini相應增大，極限轉(zhuǎn)動能力θmax下降。根據(jù)式（6）可知：節(jié)點延性隨柱腹板厚度的增加而增大。對于高強鋼栓焊連接節(jié)點，其變形主要來源于節(jié)點域的剪切變形，柱腹板厚度增加，節(jié)點域剪切截面積增大，抗剪變形能力增強，故My和Kini增大，θmax減小。

4.2 柱翼緣厚度

不同柱翼緣厚度（以下稱為CF系列）對應的高強鋼栓焊連接節(jié)點信息如表4所示，CF系列節(jié)點的M-θ關(guān)系曲線如圖11所示，由節(jié)點M-θ曲線獲得的節(jié)點力學性能指標如表5所示。

表4 CF系列節(jié)點各組件信息Tab.4 Component information of connections in CF series

由圖11和表5可得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，只改變柱翼緣厚度，對Mmax、My和Kini影響有限；隨著柱翼緣厚度的增加，Mmax、My、Kini分別略增長，而θmax下降明顯。在加載后期，節(jié)點域柱腹板發(fā)生屈服，節(jié)點剪切變形增大，增加的彎矩主要由柱翼緣和柱腹板加勁肋承擔，故Mmax和My有所增加。此外，柱翼緣厚度的改變對節(jié)點的延性無明顯影響。

表5 CF系列節(jié)點力學性能Tab.5 Mechanical behavior of connections in CF series

圖11 CF系列節(jié)點M-θ曲線Fig.11 M-θ curves of connections in CF series

4.3 連接板尺寸

連接板高度不同（以下稱為SH系列）和連接板厚度不同（以下稱為ST系列）高強鋼栓焊連接節(jié)點各組件尺寸如表6所示。SH和ST系列節(jié)點的M-θ關(guān)系曲線如圖12所示，由節(jié)點M-θ曲線獲得的節(jié)點力學性能指標如表7所示。

表6 SH和ST系列節(jié)點各組件信息Tab.6 Component information of connections in SH and ST series

圖12 SH和ST系列節(jié)點M-θ曲線Fig.12 M-θ curves of connections in SH and ST series

由圖7可知各條曲線基本重合。由表7可知，隨連接板高度和厚度的增加，Mmax和θmax分別略有增大，而My基本無變化。可得出結(jié)論：改變梁柱節(jié)點的連接板厚度和高度，對節(jié)點的力學性能無顯著影響。

表7 SH和ST系列節(jié)點力學性能Tab.7 Mechanical behavior of connections in SH and ST series

4.4 螺栓

螺栓預緊力（以下簡稱為P系列）分別取0、50、100以及290 kN；螺栓公稱直徑（以下簡稱為D系列）分別取20、24、27 mm；螺栓等級（以下簡稱為S系列）分別取8.8S、10.9S。相應系列的高強鋼栓焊連接節(jié)點各組件信息分別如表8、表9所示。螺栓各系列節(jié)點的M-θ曲線如圖13所示，相應各系列節(jié)點的力學性能指標見表10。

表8 P系列節(jié)點各組件信息Tab.8 Component information of connections in P series

表9 D和S系列節(jié)點各組件信息Tab.9 Component information of connections in D and S series

由圖13和表10可知，改變螺栓的預緊力、螺栓的公稱直徑及螺栓的等級，對節(jié)點的主要力學性能基本無影響。對于高強鋼栓焊連接節(jié)點，施加不同的螺栓預緊力，只改變連接板和梁腹板之間的接觸壓力，從而增大連接板和梁腹板之間的摩擦力，使剪力傳遞更有效，但對節(jié)點最終的轉(zhuǎn)動并無明顯影響。此外，高強鋼栓焊連接節(jié)點的破壞一般不由螺栓控制。故可得出結(jié)論：改變螺栓的預緊力、螺栓的公稱直徑及螺栓的等級對節(jié)點的主要力學性能無實質(zhì)性的影響。

表10 P、D和S系列節(jié)點力學性能Tab.10 Mechanical behavior of connections in P,D,and S series

圖13 P、D和S系列節(jié)點M-θ曲線Fig.13 M-θ curves of connections in P,D and S series

4.5 溫度

對處于不同環(huán)境溫度的栓焊連接節(jié)點的力學性能進行研究，每個溫度段包含Q345、Q460、Q690、Q960四種強度等級的節(jié)點，柱尺寸為H350×200×10×12，梁尺寸為H300×200×10×12，連接板尺寸為200×200×10，高強螺栓等級為10.9級M27，根據(jù)溫度與鋼材強度等級將試件分組編號，如表11所示。

表11 試件編號Tab.11 IDs of test specimens

有限元分析獲得溫度系列節(jié)點的M-θ曲線如圖14所示。由圖可知，隨溫度的升高，Mmax、My及Kini下降。

圖14 溫度系列節(jié)點M-θ曲線Fig.14 M-θ curves of connections in temperature series

將所有節(jié)點在相同溫度下按照不同鋼材強度等級進行分類，其M-θ曲線如圖15所示。由圖可知，在相同溫度下，隨節(jié)點鋼材強度等級的提高，Mmax增大；在溫度不高于300℃時，不同強度等級節(jié)點的Kini較為接近；在溫度高于300℃時，不同強度等級的Kini相差較大，在700℃時，最大的Kini與最小的Kini差值超過前者的50%。

在圖15g中，鋼材強度等級為Q690的節(jié)點（編號T7-3）位于4條曲線的最下方，這是因為文獻［22］中材性試驗采用的Q690鋼材材性離散性較大，有限元模型中輸入的材性值偏低；并且本文Q690高溫力學性能數(shù)據(jù)采用的為Q690常溫材性試驗數(shù)據(jù)乘以S690高溫折減系數(shù)，然而歐標鋼與國產(chǎn)鋼的生產(chǎn)加工工藝不同可能導致高溫折減系數(shù)不同，這可能是誤差的主要來源。

圖15 相同溫度下不同強度等級節(jié)點的M-θ曲線Fig.15 M-θ curves of connections made of different steel grades at the same temperature

當節(jié)點在溫度400℃～600℃時，My、Mmax和Kini下降最快，大約僅為常溫時的一半。當溫度達到700℃時，My不超過常溫的12 %，Mmax約為常溫的12%～22%，Kini不超過常溫的15%。

4.6 鋼材強度等級與梁柱翼緣、腹板厚度的綜合影響

不同強度等級（以下稱為MG系列）對應的栓焊連接節(jié)點各組件信息如表12所示，MG系列節(jié)點的M-θ曲線關(guān)系如圖16所示，對應節(jié)點的力學性能指標如表13所示。

表12 MG系列節(jié)點各組件信息Tab.12 Component information of connections in MG series

由 圖16和表13可 知，MG1與MG2的曲 線、MG3與MG4的曲線一致?？傻贸鼋Y(jié)論：在一定范圍內(nèi)，改變節(jié)點材料所用鋼材強度等級，同時匹配合適的梁、柱的翼緣厚度及腹板厚度，保持梁和柱的截面高度不變，可獲得相近的My。隨節(jié)點所用鋼材強度等級的提高，節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)動能力θy和θmax提高，Kini減小。在栓焊節(jié)點極限承載力相近的情況下，鋼材強度等級提高，節(jié)點所用的構(gòu)件截面的翼緣和腹板的厚度得以減小，使θy和θmax提高。同時，構(gòu)件截面積的減小，導致節(jié)點的抗剪能力降低，從而使Kini減小。此外，由MG2～MG4的節(jié)點延性系數(shù)可知，隨鋼材強度等級的提高，節(jié)點的延性也有所提高。

圖16 MG系列節(jié)點M-θ曲線Fig.16 M-θ curves of connections in MG series

表13 MG系列節(jié)點力學性能Tab.13 Mechanical behavior of connections in MG series

5 結(jié)論

（1）本文的有限元模型能正確模擬常溫下和火災高溫下高強鋼梁柱栓焊連接節(jié)點的變形、M-θ曲線關(guān)系和失效模態(tài)。

（2）只改變柱腹板厚度，對高強鋼梁柱栓焊連接節(jié)點的Mmax基本無影響。隨著柱腹板厚度的增加，My和Kini相應增大，θmax減小；只改變柱翼緣厚度，隨著柱翼緣厚度的增加，Mmax、My、Kini分別略增長，而θmax下降明顯。

（3）改變梁柱節(jié)點的連接板厚度和高度，對高強鋼梁柱栓焊連接節(jié)點的力學性能無顯著影響；高強鋼梁柱栓焊連接節(jié)點的失效主要由焊縫控制，故在一定范圍內(nèi)，改變螺栓預緊力、螺栓直徑、螺栓強度等級，對高強鋼梁柱栓焊連接節(jié)點的力學性能無顯著影響。

（4）隨著溫度的升高，Mmax、My和Kini均相應降低；高強鋼梁柱栓焊連接節(jié)點在溫度400℃～600℃時，Mmax、My和Kini下降最快，大約僅為常溫時的一半；當溫度達到700℃時，My不超過常溫時的12%，Mmax約為常溫時的12 %～22 %，Kini不超過常溫時

15%。

（5）在相同溫度下，隨節(jié)點鋼材強度等級的提高，栓焊連接節(jié)點的Mmax增大；在溫度不高于300℃時，不同強度等級的Kini較為接近；在溫度高于300℃時，不同強度等級的Kini相差較大，在700℃時，最大的Kini與最小的Kini差值超過前者的50%。

（6）在不改變節(jié)點梁、柱截面高度的情況下，通過調(diào)整節(jié)點所用鋼材強度等級，同時匹配合適的梁、柱的翼緣厚度與腹板厚度，即強度較低鋼材的節(jié)點匹配較厚的梁柱翼緣和腹板，強度較高鋼材的節(jié)點匹配較薄的梁柱翼緣和腹板，可獲得相近的節(jié)點塑性抗彎承載力My，以及更高的節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)動能力θy和極限轉(zhuǎn)動能力θmax，從而實現(xiàn)節(jié)點優(yōu)化設計與其抗火性能的優(yōu)化分析。

作者貢獻聲明：

強旭紅：本研究的試驗設計者和試驗研究的執(zhí)行人，完成數(shù)據(jù)分析、論文初稿的寫作。

舒悅：參與試驗設計和試驗結(jié)果分析。

姜旭：項目的構(gòu)思者及負責人，指導試驗設計、數(shù)據(jù)分析、論文寫作與修改。

董浩：參與論文撰寫與修訂。