带双腹板顶底角钢连接节点的抗火性能

2014-06-07王新武代东亮

河南科技大学学报(自然科学版) 2014年1期

关键词：顶角梁柱角钢

王新武，代东亮，梁斌，布欣

（1.洛阳理工学院土木工程系，河南洛阳 471023；2.河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471023）

带双腹板顶底角钢连接节点的抗火性能

王新武1，代东亮2，梁斌2，布欣1

（1.洛阳理工学院土木工程系，河南洛阳 471023；2.河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471023）

建立了带双腹板顶底角钢梁柱连接节点有限元分析模型，对模型进行了热－力耦合数值计算，分析了在温度和力荷载工作作用下带双腹板顶底角钢梁柱连接的承载力、温度传导和变形状态。探讨了带双腹板顶底角钢梁柱连接节点中顶底角钢、腹板、螺栓在高温环境下受力机理以及螺栓受温度影响预拉力损失规律，获得了试验难于测得的力学特性，为带双腹板顶底角钢梁柱连接在抗火性能方面的应用提供理论依据。

热－力耦合；半刚性连接；顶底角钢；腹板角钢

0 引言

带双腹板顶底角钢连接是一种典型的半刚性连接，具有较强的变形能力和耗能能力，因此具有优越的抗震性能，已逐渐应用在钢结构建筑中［1－3］。当钢材处在较高温度环境下时，钢材的屈服强度明显降低，由于在抗火实验中，测试设备无法测出连接模型的应力和应变的变化情况；而对于高强螺栓连接来说，高强螺栓在高温下的预拉力松弛表现的非常明显，实验设备也无法测出预拉力的松弛情况，因此，有关高强螺栓连接的抗火性能研究主要采用有限元数值模拟的方法进行。本文拟通过建立带双腹板顶底角钢连接节点的有限元模型，研究在高温环境作用下节点内部复杂的受力变化情况，从而对带双腹板顶底角钢连接节点的抗火性能进行深入研究。

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型

为了和常温下节点受力性能进行对比，双腹板顶底角钢梁柱连接节点模型选自文献中的实验模型［4］，梁柱连接模型中的梁、柱采用热轧H型钢，梁选用中翼缘H型钢，型号为300 mm×200 mm，腹板厚度为8 mm，翼缘厚度为12 mm，柱选用宽翼缘H型钢，型号为200 mm×200 mm（其中，腹板厚度为8 mm，翼缘厚度为12 mm），顶底角钢采用等边角钢L100 mm×10 mm、腹板选用角钢为不等边角钢L110 mm×70 mm×10 mm，柱节点域处加设水平加劲肋，其厚度为12 mm。所用钢材的牌号为Q235B，梁柱尺寸如图1所示。连接中的高强度螺栓采用10.9级直径为20的螺栓，按照摩擦型高强螺栓来进行设计。

图1 双腹板顶底角钢梁柱连接节点示意图

1.2 有限元模型

在有限元分析模型中，采用SOLID70单元对模型中所有构件进行划分单元，对于模型中各组件之间的接触传热采用TARGET170单元与CONTACT174单元，高强螺栓的预拉力的模拟由预紧单元PRETS179完成。

1.3 高温下结构钢的力学性能参数选取

对于构件的抗火性能最早是通过试验来确定的。为了使试验测得的数据能相互比较，许多国家和组织都制定了标准的室内火灾升温曲线，即ISO834标准升温曲线［5－8］。本文对于结构的升温处理，采用ISO834标准升温曲线。

对钢材在高温下的力学性能，本文选取欧洲规范EUROCODE3给出的钢材的应力－应变本构关系，钢材在高温下的热膨胀系数、初始弹性模量折减系数以及热传导系数等参数，均按照欧洲规范EUROCODE3来采用。

1.4 荷载的加载

在工程实践中，钢结构连接本身在安装时需要给高强螺栓施加一定的预拉力，在使用过程中要承受外部荷载，当遇到火灾时，还要承受温度荷载。因此，在有限元分析中需要按照一定的步骤来模拟这3部分荷载的施加［9－10］：

第1步，利用预紧单元PRETS179对高强螺栓施加预拉力155 kN，同时锁定预拉力。

第2步，施加外部荷载，主要包括梁柱连接节点所受的力。

图2 节点温度作用位置图

第3步，通过热分析得到的温度场，以体荷载的形式进行热荷载的施加。

为了更好的分析梁柱连接的受力性能，在柱两端加上X、Y、Z这3个方向的约束，并在柱上端加上160 kN的力，在梁的端部加上12.5 kN的力。而对于温度荷载是以对流和辐射的形式分别施加在梁的上翼缘和梁的下翼缘节点附近，当温度荷载施加在梁上翼缘时为上升温，施加在梁下翼缘时为下升温，如图2所示。

2 结果分析

2.1 梁端位移受温度影响分析

图3a为梁端温度随时间变化曲线图，符合国际标准升温曲线。从图3a中可以看出：对于相同点位上升温要比下升温对钢结构温度影响略高，但两种基本上趋于一致。图3b为梁端位移随温度变化曲线图，当下升温时，由于梁下翼缘直接受热，因此梁下部受热膨胀，从而梁有向上弯曲趋势，当梁端温度达到600℃后，由于钢材的屈服强度下降明显，梁在力的作用下开始屈服，从而梁有向下弯曲趋势。对于上升温和下升温两种不同工况，当上升温温度为678℃时，梁端位移为75.4 mm，当下升温温度为670℃，梁端位移为62.5 mm，在两种工况温度相差不大的情况下，梁端位移相差较大，达到12.9 mm，可见，由于顶部角钢是影响带双腹板顶底角钢梁柱连接承载力的主要部件，上升温时顶部角钢直接受热，因此相比下升温对梁端位移影响更大。

图3 梁端温度和位移变化情况

2.2 节点区顶底角钢特殊点受力性能分析

钢材的强度和弹性模量会随温度的上升而降低。对于上升温和下升温两种情况，角钢温度影响不大，均符合国际标准升温曲线规律。在两种不同工况下，顶角钢的应变随时间的变化差别不大，当升温到10 min后，角钢的应变已经很大，基本丧失承载力。而对于下升温，由于上部角钢不直接受火，因此当温度继续上升时，应变还能较平缓的增加；对于上升温，由于上部角钢直接受火，因此随着温度上升，应变几乎呈直线快速上升，如图4a所示。对于顶角钢应变随温度的变化如图4b所示，从图4b中可以看出：两种不同工况下，在540℃左右时，变化基本一致，当温度达到600℃，角钢的应变急剧增加，同时上升温对于角钢的影响要大于下升温对角钢的影响。

图4 顶角钢应变变化曲线

2.3 腹板角钢特殊点受力情况分析

经分析，离梁上翼缘较近腹板角钢处的点应变值较大，因此以此点作为特殊点来进行分析。图5为腹板角钢应变变化曲线。两种工况下对腹板角钢强度的影响基本一致，当升温7 min后，两种工况略有差异，原因可能是由于连接其他部位的变形引起的，如图5a所示。在图5b中，当升温温度达到647℃时，腹板角钢最上端点的应变达到0.02，已基本丧失承载力，从而在此处形成塑性铰，应变随之急剧增加。

图5 腹板角钢应变变化曲线

2.4 高强螺栓受力性能分析

对于摩擦型高强螺栓连接，主要靠高强螺栓与被连接件之间的摩擦力来承受荷载，而摩擦力主要是由施加的预拉力和摩擦面的抗滑移系数产生。在高温作用下，高强螺栓的预拉力会发生松弛，从而对高强螺栓连接承载力有严重影响。为了分析方便，对于此连接中的高强螺栓进行统一编号，顶角钢与柱连接处的螺栓编号为1，顶角钢与梁连接处螺栓编号为5，底角钢与柱连接处螺栓编号为3，底角钢与梁连接的螺栓编号为7，腹板角钢与柱连接处的螺栓从梁上翼缘向下依次编号为9、10、11，腹板角钢与梁腹板连接处的螺栓从梁上翼缘向下依次编号为15、16、17。

高强螺栓温度随时间变化曲线符合国际标准升温曲线ISO834。由于升温位置不同，高强螺栓的温度也有所不同。当上升温时，高强螺栓预拉力随着温度上升，损失较高，当升温10 m in时，高强螺栓预拉力损失达79.2%，平均值只有32.3 kN，其中预拉力最大为3号螺栓，预拉力为48.5 kN，1号螺栓的预拉力最小为25.9 kN。由于上升温时，顶角钢直接受热，首先发生屈服，从而引起高强螺栓产生明显滑移，1号螺栓最先失效。当下升温时，高强螺栓预拉力损失为77.4%，略小于上升温时的损失，平均值为35.3 kN，预拉力损失最小的为11号螺栓，预拉力为42.1 kN，预拉力损失最大的螺栓为7号螺栓，预拉力只有23.0 kN，主要原因为7号螺栓是底角钢与梁连接的螺栓，直接受火，因此，预拉力损失最快。

在双腹板顶底角钢梁柱连接的所有螺栓中，1号螺栓即顶角钢与柱连接的螺栓对连接的承载力影响最大，另外9号螺栓对连接的承载力影响也较大。上升温和下升温两种不同工况下，由于1号螺栓受火情况不同，因此温度上升的值也有所不同，上升温10 m in时，1号螺栓的温度达到672.7℃，而下升温10 m in时，1号螺栓的温度达到650.0℃。