约束PEC柱—组合梁节点（弱轴方向）抗火性能研究

薛道恒++毛小勇++徐浩然

摘 要：利用有限元软件ABAQUS建立了约束PEC柱-组合梁节点（弱轴方向）的模型，分析其常温下极限承载力，火灾下温度场分布及力学性能。研究了不同柱上荷载比，梁上荷载比，梁柱线刚度比柱，轴向约束刚度对节点火灾下变形的影响。分析结果表明：节点温度场分布总体呈现下高上低，外高内低的分布规律。节点破坏主要是受梁变形控制，柱和螺栓的变形影响不大；对节点变形影响较大的因素是梁上荷载比和梁柱线刚度比。

关键词：节点；约束PEC柱；组合梁；螺栓；温度场；抗火性能

0 引言

PEC柱-组合梁节点沿弱轴方向的构造方式多为高强度对拉螺栓连接方式。高强度螺栓与钢端板的共同作用不仅解决了PEC柱组合梁节点绕弱轴方向的连接刚度不足的问题，而且提高了节点的极限承载力。火灾下，高强螺栓端板连接的PEC柱—组合梁节点的变形相对复杂，柱，梁所受约束，高温下各构件的强度刚度退化都对节点的整体性能有着不可忽视的影响。

目前，国内外学者对各类节点的抗火性能进行了一系列的研究。Lawson，Leston-Jones，Al-Jabri[1，2，3]等人先后进行了一系列钢节点的抗火试验，试验最终测出了理想的节点弯矩转角关系并分析了节点形式，端板厚度，构件尺寸对钢节点变形的影响。J.Ding和Y.C.Wang[4]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，试验结果表明，通过合理的节点抗火设计可以产生悬链效应提高节点的抗火性能。郑永乾[5]和韩林海[6]分别对型钢混凝土节点和钢管混凝土节点的抗火性能进行了研究，分析了不同参数影响下的节点的力学性能差异。对PEC柱-组合梁节点的抗火性能研究还未见报告。

因此，本文通过对节点温度场的分析和不同因素影响下的节点火灾下的转角-时间曲线对比分析，考察了此类高强螺栓连接下的节点的高温性能。

1 高强螺栓连接PEC柱-组合梁节点有限元模型

本文采用ABAQUS非线性有限元软件来模拟和分析高强螺栓连接节点在火灾中的变形过程。分析过程采用ABAQUS中的顺序耦合热应力分析，即将事先分析所得的温度场视为温度荷载与模型所受荷载进行耦合最终求得分析结果。

分析时采用如下基本假定：忽略型钢和混凝土之间的滑移，忽略型钢和混凝土之间的接触热阻（近似认为温度在不同材料交界面上连续），忽略混凝土在高温下的爆裂现象，忽略高强螺栓和型钢接触面的摩擦系数在高温下的变化。

1.1 节点选取

选取图1所示的约束PEC柱-组合梁节点为研究对象。节点的受火方式为组合梁和混凝土楼板下受火，钢梁上采用20mm厚的防火涂料保护。火灾升温曲线为ISO-834标准升温曲线。

1.2 材料本构

混凝土的热工性能采用Lie和Denham[7]研究的出的计算公式。混凝土的混凝土抗压抗拉强度采用欧洲规范[8]所给出的强度折减系数计算求得。高温下的混凝土弹性模量计算采用陆洲导[9]建议的公式。混凝土的应力-应变关系采用欧洲规范EC4所建议的模型。混凝土的密度取定值2300kg/m3，泊松比取0.2。

钢材的热工性能采用Lie和M. Chabot[10]给出的建议公式计算。钢材在高温下的力学性能参数选用欧洲规范所建议的公式及模型。钢材的密度取常数7850 kg/m3，泊松比取0.3。

高强度螺栓采用10.9级高强度螺栓，材料为20MnTiB钢。高强度螺栓的热工性能与普通结构钢的热工性能相差无几，本文采用与普通结构钢一致的公式取值。高强螺栓在高温下的强度折减系数参照楼国彪[11]博士给出的公式。弹性模量折减系数参照各国学者[12，13，14]经试验得出的公式计算求得。

本文选用防火涂料为厚型防火涂料，其热工参数如下：导热系数λ=0.1w/（m.k），比热c=1040J/（kg.k），密度ρ=400kg/m3。

1.3 网格类型

在温度场的计算中，型钢，端板，混凝土，螺栓，防火涂料的单元采用ABAQUS中的DC3D8热传递单元，钢筋采用DC1D2两节点传热单元。

力学分析时型钢，端板，混凝土的单元类型为C3D8R单元，钢筋采用T3D2桁架单元，高强螺栓的单元类型为C3D8I非协调单元。防火涂料的受力性能在本文中不是重点，所以力学模型中忽略防火涂料的作用。

1.4 模型接触界面处理及边界条件

温度场计算中，模型与外界的热量交换主要通过外部的热对流与热辐射和构件内部的热传导进行。热对流系数取25w/（m2.k），热辐射系数取0.5。Stefan-Boltzmann常数取5.67×10-9w/（m2.k）4，初始温度为20℃，绝对零度-273.15℃。所有的温度场下的界面接触都使用Tie绑定约束。力场计算中，模型的边界条件如图2所示：

力学模型中的界面接触关系比较复杂，具体如下：（1）型钢柱与混凝土，钢梁与端板，钢梁与混凝土楼板采用Tie约束。（2）柱内拉结筋和纵筋与混凝土，楼板受力筋与楼板混凝土采用Embeded嵌入约束。（3）高强螺栓栓杆与柱和端板的空洞，螺母与端板，端板与柱定义了接触面的切向作用和法向作用的接触属性。其中切向定义摩擦模型为库伦摩擦，摩擦系数钢与钢取0.3，钢与混凝土取0.33。法向作用定义为“硬接触”，表示接触面之间传递的接触压力大小不受限制，当接触压力变为零或者负值时接触面分离，并且去掉相应节点上的约束。

模型承受荷载情况如下：高强螺栓上预先通过多个分析步，平缓的施加预紧力；柱顶受集中荷载；梁上受均布荷载。

1.5 节点模型概况

本文共建立三个不同尺寸的梁柱节点来进行参数分析，各节点尺寸见表1

详细介绍JD1的参数如下：PEC内布置拉结筋HPBΦ8@150；HRBΦ16通长纵筋4根，保护层厚度为40mm。组合梁采用钢梁上布混凝土楼板形式。钢梁采用I-32a，混凝土楼板截面1200mm×100mm，楼板内置受力筋HRBΦ8@150，节点区开孔。钢梁通过焊接连接在钢端板上。钢端板通过八根对穿高强螺栓固定在PEC柱之上，高强螺栓为强度等级10.9s级的M20螺栓，每根螺栓的预紧力为155KN。PEC柱内混凝土，型钢腹板，端板相应处开螺栓孔，孔径21.5mm。详细尺寸见图3。endprint

2 高温下PEC柱-组合梁节点的温度场分析

取JD1为算例，图4～6分别为节点区域不同位置测点受火两小时的温度时间曲线。

由温度-时间曲线可以看出： PEC柱-组合梁节点的温度分布比较复杂，其温度分布特点如下（1）PEC柱整体温度分布呈外高内低，下高上低的状态。（2）由于混凝土板的吸热作用，组合梁温度分布呈下高上低的分布状态，高温区主要集中在钢梁的受压区（3）高强螺栓的温度分布由于PEC柱内混凝土的吸热作用以及受火方式影响，总体上呈由螺帽向栓杆中部温度逐步下降，由下排螺栓向上排螺栓温度逐渐下降。

3 高温下PEC柱-组合梁节点的变形分析及受力分析

3.1 节点变形分析

在JD1模型上施加荷载情况为柱上荷载比为0.3；梁上荷载比为0.4；上层楼层数为10层的荷载。节点区的时间-转角曲线，梁柱变形曲线见图7，约束PEC柱-组合梁节点的变形大致分为以下四个阶段：（1）常温加载段：常温下，将梁柱上的荷载值加载到设计值。在该阶段梁柱之间会出现一个较小的初始转角；（2）材料硬化段：保持梁柱荷载不变，按ISO-834升温曲线升温，梁柱内力随着受火时间变化，柱身膨胀，梁变形较小，梁柱相对转角缓慢上升；（3）材料软化段：保持梁柱荷载不变，继续升温，但是柱身材料强度和刚度开始劣化导致柱开始由膨胀转向压缩，梁也开始软化。梁柱转角有微小下降段；（4）突变段：保持梁柱荷载不变，温度持续上升，柱的压缩受到轴向弹簧的约束发展缓慢，而梁材料劣化严重，梁端挠度变形迅速，出现转角快速增长的突变段。

由于在设计模型时把PEC柱视为理想模型，并未引入柱身的初始几何缺陷，所以柱身未发生转动变形，梁变形成为了主要控制因素，最终导致该算例节点丧失继续承载能力的原因是组合梁下翼缘屈服。

3.2 螺栓受力分析

螺栓的轴力变化情况如图8所示，可以看出随着温度的不断上升，由于钢材的弹性模量下降，螺栓预应力开始下降。其下降的幅度主要取决于温度的变化情况，温度越高的受压区螺栓的预应力松弛越严重，而受拉区的螺栓由于受火方式的影响温度远低于下排受压螺栓，所以其应力松弛并不明显。对比螺栓平均温度对应下的螺栓轴力与高温下的螺栓屈服应力可见，螺栓的轴力并未超过螺栓的屈服应力，所有螺栓还处于正常工作阶段，且螺栓变形并不明显。

4 节点转角-时间曲线的影响因素分析

由于节点结构的复杂性，所以有必要对不同参数影响下的节点的转角-时间曲线进行深入研究。参数分析时选取的重要参数及其变化范围如下：

（1）柱上荷载比（n），n按n=NF/Nu计算，其中NF为实际柱上施加的荷载，NU为常温下PEC柱的极限承载力，NF通过有限元模拟求得。n取0.3、0.5、0.7。

（2）梁上荷载比（q），q按q=qF/qu计算，通过改变梁上均布荷载qF的数值实现节点区弯矩比变化。q取0.2、0.4、0.6.

（3）梁柱线刚度比（k），k按k=ib/ic计算，梁线刚度ib和柱线刚度ic分别按照规范[15]给出的公式计算。本文通过改变柱的截面尺寸实现。

（4）上部楼层对PEC柱提供的轴向约束用ABAQUS里弹簧

模拟，其刚度按下式计算[16]。式中m为柱上部结构层数，

Eb和Ib为梁的弹性模量和截面惯性矩，l为梁的跨度。由于结构对称性，可以只考虑楼层m的影响。

参数影响趋势见图9。

4.1 柱上荷载比影响

图9（a）为不同柱上火灾荷载比作用下的转角变化曲线。不同柱上火灾比对节点转角出现陡增的时间几乎无影响，这主要是由于节点的破坏形式主要是梁屈服失去承载力造成的。

4.2 梁上荷载比影响

图9（b）为不同梁上火灾荷载比作用下的转角变化曲线。由图可知，随着梁上荷载的增大，转角陡增的时间出现的越早，转角增长速率越快。这是由于较大的梁上荷载比会加快火灾下梁的塑性发展。

4.3 梁柱线刚度比影响

图9（c）为不同梁柱线刚度比影响下的转角变化曲线。由图可知梁柱线刚度比k越大，转角突变时间越早。随着k的增加，梁对柱的约束作用变大，同时在相同的梁上荷载比情况下，k越大，梁上荷载传递给柱上的轴力越大，变相加快了梁柱相对转角的变大。

4.4 柱上轴向约束影响

图9（d）为不同上部楼层数下的节点的转角变化曲线。三条曲线在转角陡增的时间和斜率上并无明显差别，仅仅在转角出现缓慢下降段时有不大的变化。可见，柱上的轴向约束对柱的变形有一定的影响，但是节点变形主要是由于梁的变形造成，所以ks的影响不大。

5 结论

（1）常温下节点破坏变形的状态与火灾下的破坏形式基本一致，通常都为梁的下翼缘发生屈曲。

（2）节点温度分布复杂，总体呈由下而上，由外到内渐渐减小的规律。

（3）高强螺栓在常温与高温下都起到了连接梁和柱的作用。在高温下螺栓由于PEC柱内混凝土的保护，并未出现颈缩等破坏现象。

（4）影响高温下节点转角的主要因素为梁上荷载比与梁柱线刚度比。柱上荷载比与柱轴向约束比影响甚微。

参考文献：

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（下转第10页）

（上接第106页）

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基金项目：国家自然科学基金（51278321）

作者简介：薛道恒（1990-），男，江苏扬州人，学生，研究方向：结构抗火。

通讯作者：毛小勇（1974-），苏州科技学院，教授，博士，主要从事：结构抗火方面的研究。endprint