型钢-混凝土组合结构节点抗火性能综述

王传奇 （孟菲斯大学土木工程系，美国 孟菲斯 38152）

0 前 言

节点是结构受力的关键部位，研究其高温力学性能是研究框架乃至整体结构在火灾下力学性能的重要基础。在火灾作用下，组合结构材料的强度和刚度会随着火灾温度的升高而不断降低，使得常温下表现为刚接节点的承载能力和抗变形能力在火灾下大大降低，因而火灾下节点整体表现出一定的半刚性，从而使得结构的变形性能以及内力重分布的机制发生改变[1-3]。由此可见，进行组合结构梁-柱连接节点火灾下力学性能的研究非常的必要，并且也是解决薄壁型钢-混凝土结构抗火的性能化设计问题的重要环节。

1 国内外建筑结构抗火研究现状

国际上从20世纪50年代开始重视结构抗火研究。波特兰水泥协会、美国混凝土协会、美国预应力混凝土协会、欧洲国际混凝土协会先后成立混凝土结构抗火研究小组，主要研究了混凝土的高温材性、梁、柱和板的抗火性能与计算方法及框架的火灾反应。对钢结构的抗火性能进行研究大约始于1970年左右。20世纪80年代以来国际范围内对钢结构的抗火研究越来越广泛、深入，美国、日本、英国、德国、瑞典、澳大利亚、新西兰等国家在结构钢的高温性质、钢梁、钢柱和钢框架的抗火试验与理论研究方面取得了大量成果，编制了基于计算的钢结构抗火设计规范。特别在90年代初,英国BRE等在Cardington对一幢8层足尺钢框架建筑做了6组火灾试验，得到了许多具有开创意义的结果[4],认识到独立钢结构构件的抗火性能与结构中受约束的钢构件的抗火性能有着显著差别，多数情况下，结构中的钢结构构件有更好的抗火能力。20世纪80年代国际上开始研究钢-混凝土组合构件的抗火问题，特别是加拿大国家防火实验室对钢管混凝土柱的抗火性能进行了系统的试验与理论研究[5,6]。

在研究的基础上，英国、日本、澳大利亚、欧盟等国家或国际组织都专门编制了钢结构和钢-混凝土组合结构抗火设计规范，或在钢结构和钢-混凝土组合结构设计规范中规定了抗火设计内容，钢结构和组合结构抗火从研究阶段已步入工程实用阶段。

国内的抗火研究起步较晚，原冶金部建筑科学研究总院、清华大学、同济大学等从20世纪80年代中后期开始进行了混凝上的材性、构件和结构的受火性能及反应研究。我国自20世纪80年代末90年代初才开始进行钢结构抗火研究，主要有中国建筑科学研究院和同济大学进行了高温钢材特性、各类钢构件、高强螺栓连接节点、钢框架结构的抗火试验与理论研究。国内原哈尔滨建筑大学、福州大学90年代后期开始研究钢管混凝土柱的抗火性能，同济大学则于90年代末以后分别研究了钢-混凝土组合板[7]和组合梁[8]的抗火性能。

然而，在结构抗火工程应用方面我国远不如国外该领域的先进国家，我国至今没有结构抗火设计的国家标准，结构抗火设计主要依据国家标准《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》中所采纳的基于独立构件标准耐火试验的方法，这种方法不能反映真实火灾升温、结构整体性能和火灾下荷载作用的大小对结构构件抗火能力的影响，因此不能确保结构抗火安全和结构抗火设计的经济性[9]。

2 钢节点抗火研究现状

和钢构件相比，虽然钢梁-柱节点抗火性能的研究近些年才被重视，研究历史并不长，但近年来通过试验和理论分析也已经取得了一些成果。

早在1976年法国的Kruppa进行了钢梁柱节点的火灾试验研究，随后英国钢铁公司于1982年完成了类似的试验研究工作，研究的目的在于确定高强螺栓在火灾下的工作性能[10]。

1990年Lawson[11]进行了8个十字形梁柱节点试验研究，其中包括刚性节点、半刚性节点以及铰接点，所有钢梁上翼缘都盖有混凝土或混凝土板。试验采用ISO834标准升温曲线。实验结果表明，螺栓以及由其他连接起来的构件在火灾下保持承载力的同时能经受相当的变形，同时证明了由于翼缘混凝土的存在提高了试件的抗火能力。但由于Lawson的试件数量不足，无法得出完整的弯矩-转角曲线。

1997年Leston-Jones[12]等和Al-Jabri[13]等先后进行了由英国建筑科学研究院、谢菲尔德大学以及钢结构协会合作完成的两批节点试验研究。第一批试验的试件数量少，共进行了5个高温和一个常温的试验，采用平齐式端板连接节点。通过特殊设计的火灾试验炉，试验时仅节点区位于试验炉内，梁柱的支撑和加载装置均放在试验炉外，加载非常方便。试验最终测出了较为理想的节点弯矩-转角关系。文献[12]报道的第二批试验的20个试件，在第一批试验的基础上增加了节点类型、构件尺寸、端板厚度等变化参数，较为详尽地考察了各参数的影响。

1999年T·C·H·Liu[14]用数值模拟的方法研究了梁柱端板连接对无保护的工字钢的抗火性能影响，通过对影响端板连接性能的螺栓尺寸、螺栓的数量以及端板厚度等多个参数进行研究分析发现，无论节点的常温下极限承载力通过什么方式提高多少，但在火灾条件下至多可以让钢梁的极限承载力达到常温下的2/3。

2001年Silva LS和Santiago A[15]利用一种“组合模型”的方法来模拟钢节点并研究其在高温下的弯矩-转角关系以及屈服应力和杨式模量的变化，并通过和实验数据对比认为这种方法应用于模拟端板连接的梁柱钢节点在高温下的反应是可行的。

2006年王卫永[15]和隋炳强[17]等为得到外伸端板节点的抗火性能，使用火灾实验炉对4个足尺H型钢外伸端板节点进行火灾行为的试验研究。通过试验结果指出，节点破坏的主要因素是柱的翼缘屈曲和端板弯曲变形，通过增加加劲肋的方法可以提高节点的临界温度、端板厚度对节点抗火性能有明显影响等一系列结论。并且利用非线性有限元软件对试件进行火灾反应分析，得出节点的温度6分布和节点转角-温度关系。有限元分析和试验结果对比表明，取得了较好的一致。验证了用有限元进行火灾反应分析的正确性和可行性，并根据试验和有限元分析的结果，对节点的抗火设计和施工提出了建议。

3 型钢-混凝土梁-柱节点抗火性能研究现状

和钢节点相比，组合节点的抗火性能研究更是少之有少，近几年只有英国的曼彻斯特大学报道过相关试验，另外国内的福州大学也做过火灾后的组合节点力学性能试验。

2003年Wang Y C和Davies JM[18]报道了8个节点的试验研究成果，其钢梁和矩形钢管混凝土柱的连接采用了外伸式端板连接节点。试验结果表明，钢管混凝土柱的外钢管发生局部屈曲及屈曲位置会影响到柱的计算长度，同时由于节点荷载传递的影响，柱中弯矩分布随升温过程不断变化，且变化规律复杂。

2007年霍静思和韩林海[19]进行了一系列钢管混凝土结构节点在恒定轴压力和低周反复荷载作用下的滞回性能实验，比较了常温下和火灾后钢管混凝土结构节点力学性能，不同梁柱线刚度比和轴压比情况下的节点火灾后力学性能，以及经过修复后节点与常混下节点的力学性能。并在此基础上提出了火灾后节点水平承载力的实用计算方法，以及火灾后节点框架柱的简化实用P-△滞回模型，为工程实践提供了一定的参考。

2007年J.Ding和Y.C.Wang[20]报道了10个钢梁和钢管混凝土节点的试验研究过程和结果，采用了4种不同的节点连接形式。论文主要报道了这些节点的在试验中的显示的性能和破坏形态，为节点抗火设计方法研究提供了一定的参考。并且试验结果表明，通过节点的合理的抗火设计可以产生悬链效应，从而提高钢梁的耐火性能。

2013年王传奇[21][22]利用有限元分析软件ANSYS，建立薄壁型钢-混凝土梁-柱组合节点在火灾作用下的有限元理论分析模型，对ISO-834火灾升温模型下的薄壁型钢-混凝土梁-柱节点弯矩-时间曲线和节点耐火时间进行参数化分析。研究结果表明，荷载水平对薄壁型钢-混凝土梁-柱节点的耐火极限影响很大；当荷载比一定时，防火保护层厚度对梁-柱组合节点的耐火极限影响显著，而其他参数如材料特性、构件几何尺寸等对梁-柱组合节点耐火极限影响很小。

4 结 论

国外试验的组合节点形式在中国几乎没有应用，而在国内广泛应用的组合结构节点在火灾高温下的力学性能、温度场分布、极限承载力以及影响其耐火性能的因素，都还未见相关报道。随着薄壁型钢-混凝土结构在国内土木工程中的不断推广应用，有关其梁柱节点抗火性能的研究也急需深入开展，因此作者认为应针对我国目前常用的一些薄壁型钢-混凝土结构梁柱节点形式，对一些关键问题开展研究[23]。

我国规范关于结构防火的考虑还停留在比较初级的阶段，即以单个构件进行标准火测试为手段的阶段。而对在火灾下整体结构的结构反应、承载能力和破坏特征缺乏深入、系统的研究。作为研究框架结构在火灾下的力学性能和抗火设计方法的前提和基础的梁-柱节点的耐火性能的测试及耐火标准也都没有相关明确的规定。

[1]韩林海,陶忠.钢管混凝土结构节点力学性能研究若干问题探讨[A].中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会第十次学术会议论文集[C].2005.

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[3]王传奇，高轩能，李琨.变截面门式刚架动力特性的数值模拟分析[J].华侨大学学报，2009(1).

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[5]T.T.Lie.Fire resistance of circular steel columns filled with bar-reinforced concrete[J].ASCE,J.Structural Engineering,1994(5).

[6]T.T.Lie and R.J.Irwin.Fire resistance of rectangular steel columns filled with bar-reinforced concrete[J].ASCE,J.Structural Engineering,1995(5).

[7]蒋首超,李国强,周宏宇.钢-混凝土组合楼盖抗火性能的试验研究[J].建筑结构学报,2004(3).

[8]周宏宇.钢-混凝上组合梁抗火性能理论与试验研究[D].上海:同济大学,2004.

[9]李国强,韩林海,楼国彪,蒋首超.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

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[18]Wang Y C,Davies JM.An Experimental Study of the Fire Performance of Non-Sway Loaded Concrete-Filled Steel Tubular Column Assemblies with Extended End PlateConnections[J].Journal of Constructional Steel Research,2003(7).

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[23]王传奇.薄壁型钢－混凝土梁-柱节点抗火性能研究[D].厦门：华侨大学,2009.