加劲肋对外伸式端板连接节点抗火性能的影响

姜封国，郑重远，孔 超，潘亚豪

（黑龙江科技大学 建筑工程学院，哈尔滨150022）

加劲肋对外伸式端板连接节点抗火性能的影响

姜封国，郑重远，孔 超，潘亚豪

（黑龙江科技大学 建筑工程学院，哈尔滨150022）

为研究加劲肋对外伸式端板连接节点抗火性能的影响，结合前人对外伸式端板钢框架连接节点开展的抗火性能实验，采用有限元软件ABAQUS对抗火实验进行数值模拟，并对比分析热-力耦合与热-位移耦合的模拟结果与实验数据。结果显示：在相同的温度、荷载条件下，设置加劲肋后钢框架节点处的最大应力比未设置加劲肋时小。设置加劲肋能够有效提高外伸式端板连接节点的抗火性能，有效抵抗端板“板底脱空”现象对结构所造成的不利影响。加劲肋亦能够有效减小钢框架结构的跨中挠度，大幅度提高钢节点的屈服时间和极限温度。

加劲肋；外伸端板；型钢节点；抗火性能；有限元法

0　引　言

钢结构因具有自身重量轻、强度大、承载能力高等诸多优点而被广泛应用于现代建筑结构中，但是钢材也存在许多缺陷，限制了它在建筑材料中的发展，其耐火性能差就是严重缺陷［1］之一，如果对其不加重视将造成极其严重的经济损失和人员伤亡。在钢结构建筑设计中，最重要的是对钢结构连接节点实现有效控制。因为节点在结构中起到传递弯矩、剪力的关键作用，如果节点破坏，其结果必将引起整个钢结构系统的破坏，故对于钢结构节点的研究具有重要意义。

目前，关于钢结构的足尺抗火实验研究报道并不多见，而对于加劲肋对钢节点承载力的影响和设置加劲肋后的结构破坏机理的研究则更鲜见。现有文献对于钢节点抗火性能研究主要集中于钢节点高强度螺栓临界温度、钢节点转角以及设置不同参数等对承载力的影响方面。文献［2］研究表明，高强度螺栓的临界温度控制在350℃左右时能正常承载，超过临界温度350℃后则不适合继续承载。文献［3］研究发现，引起钢节点转动的主要原因是柱翼缘的弯曲和腹板的剪切变形，而钢梁跨中的竖向挠度与节点的转角密切有关，减少转角也就意味着减少跨中挠度，那么就相应提高了钢节点的抗火性能。文献［4］主要研究参数变化对承载力的影响，结果表明减少荷载率和适当增加端板厚度可以有效提高钢架节点的抗火时间。文献［5］则证明钢节点高温时的扭曲现象，以及节点刚度对于温度的敏感性等。文献［6］分析了高温下钢框架的非线性。文献［7］综合实验与数值模拟两方面，得出高温下端板与腹板连接的小部分区域为受力危险区域，宜加强构造措施，如设置加劲肋。文献［8］研究了高温下肋板节点域及连接螺栓的受力情况，并证明采用有限元软件ABAQUS对火灾下钢节点模拟切实可行。以上文献的结论说明我们对于钢节点抗火性能研究已经有了一定的理论和实验基础，但是对于加劲肋的研究尚存在不足，因此，对于它的研究将具有非常重要的意义。

基于上述研究成果，笔者将实验研究与数值模拟相结合，研究钢框架边节点设置加劲肋后的钢节点抗火性能，以及高温破坏时设置加劲肋与否对复杂内力的影响，分析钢框架节点失效机理，从而深入研究加劲肋对钢节点的有利影响。

1　几何模型与转角计算

1.1几何模型

实验模型参照文献［9］，钢架柱均采用两端铰支形式的H244 mm×175 mm×7 mm×11 mm型钢制作，长度为3 000 mm。钢架梁采用长1 350 mm的H250 mm×125 mm×6 mm×9 mm型钢制作，一边悬臂，另一边通过端板与钢架柱连接。实验时在悬臂端通过液压千斤顶施加30 kN荷载，同时对钢架柱施加125 kN荷载，文中共选用四个钢架节点，尺寸见图1。构件编号分别为J3、J4、J7、J8，其中试件J3、J4不设置加劲肋，端板厚度分别为16和12 mm，试件J7、J8均设置加劲肋，端板厚度分别为16和12 mm。构件中所有螺栓均采用10.9级高强度螺栓连接。

图1　钢架节点及构件尺寸Fig.1 Steel nodes and component size

整个钢架节点中除了节点部分裸露受火外，其他部分采用石棉防火毡或其他防火材料包裹，梁和柱通过液压千斤顶预加载，加载到30 kN后先稳定15min，再点火加热。

1.2模型网格划分与力学性能参数

有限元ABAQUS节点模型及网格划分如图2所示。当节点单元在三维应力状态下分析时选用C3D8R网格单元，而在热传递分析时采用DC3D8网格单元，构件中所有接触面须设置相应的接触单元属性。

图2　端板钢节点模型Fig.2　End plate steel node model diagram

接触属性切向库伦摩擦系数设定为0.15［10］，当两个接触面由于剪力产生相对滑移时会产生库伦摩擦力，库伦摩擦力的计算式如下：

式中：τt、τn——给定点的切向库伦摩擦力和法向接触面力，kN；

τcr——接触面的极限库伦摩擦力，kN；

μ——接触面的摩擦系数，由于摩擦力在接触面上有两个方向，故有正负值。

理论分析时只要存在相对滑动趋势就会产生静摩擦力，但在ABAQUS模拟时须给定一个大约0.5 mm的滑移才能产生符合实际要求的摩擦力。

已知钢材高温时的力学属性和材料属性是随着温度的变化而不断改变的［6，11］，因此，采用数值软件模拟时材料属性均按照欧洲规范EUROCODE3中给出的有关本构关系设定。钢节点中受力最重要的是螺栓预紧力，在高温状态下螺栓不但受到外部荷载作用而且还要承受由于温差作用而产生的温度荷载，故在有限元分析时应细化螺栓预紧力的加载方式，在有限元模型中螺栓一般分为三步加载:（1）设置螺栓安装时的预紧力10 N；（2）施加最终预紧力15 kN；（3）稳定最终预紧力15 kN。

1.3钢架节点转角计算

实验位移数据是通过差动式位移传感器采集，再根据文献［13］中的计算公式得出相应温度下的转角，其转角计算式如式（2）所示：

式中：hbf——梁的高度，mm；

Δβr——梁柱节点的转角，（°）；

βbr、βcr——梁和柱的转角，（°）；

Δtbf——梁的上翼缘与柱翼缘交接中点的水平位移，mm；

Δbbf——梁的下翼缘与柱翼缘交接中点的水平位移，mm；

Δtcw——上部柱加劲肋与柱腹板交接处中点的水平位移，mm；

Δbcw——下部柱加劲肋与柱腹板交接处中点的水平位移，mm。

2　结果分析

2.1温度场模拟与节点温度变化

数值模拟中模型的节点约束形式和火荷载的加载形式与实验完全相同，有限元模型加载的升温曲线直接取用实验中自制热电偶测得的实验炉温升温曲线［12］来进行温度场的模拟，即:

式中：θ（t）——环境温度，℃；

t——火灾持续时间，min；

θ0——初始环境温度，一般取20℃。

通过加载测得的升温曲线，最终模拟得到钢框架温度场及节点处温度变化曲线，如图3所示。

图3　J7 ABAQUS温度场和节点温度Fig.3　J7 ABAQUS temperature field and node temperature

从图3b两条曲线的变化趋势来看，节点温度和炉温都是一样的，即在加热前26.4 min时温度上升较快，之后温度有下降的趋势。这是因为26.4 min后炉内停止加热，且热量不断向周围环境中转移。从图3b还可以看出，炉内温度上升要比节点温度上升得快，这是因为雾化石油点燃是一个轰燃的过程，导致炉内温度在极短时间内迅速上升，之后温度升高变得缓慢，趋向极限温度。虽然钢材的热传导率很大，但是热流在钢材中有一个传递过程，因此钢架节点温度增长速率明显低于炉温上升的速率。在26.4 min后炉温下降速率比钢结构节点快，是因为实验临近结束，炉内雾化石油燃尽，钢材却在缓慢释放自身过高的热量。

2.2应力对比分析

J4钢架节点（未设置加劲肋）的应力有限元模拟与实验对比结果如图4所示。

图4　J4有限元模拟与实验构件对比Fig.4 J4 Finite element simulation and contrast testcomponents

从图4可以看出，J4钢节点采用ABAQUS模拟的变形趋势和实验结果相吻合，在ABAQUS模拟图中可以看出，应力较大处主要集中在梁上下翼缘和端板接触部位以及最上一排螺栓处；从Mises应力云图中可以看出，此处应力最大值接近9.626×102MPa，这明显小于常温下的静载实验，表明结构在相对较小的应力作用下变形过大，钢节点将遭受破坏，同时也说明了高温极大地削弱了结构的承载力，使结构更容易破坏。

J8钢架节点（设置加劲肋）的应力有限元模拟与实验对比结果如图5所示。

图5　J8有限元模拟与实验构件对比Fig.5 J8 Finite element simulation and contrast test components

由图5可以看出，ABAQUS模型端板上部和柱翼缘接触处相分离，原因是加劲肋的存在限制了柱翼缘向z轴方向的发展，而加劲肋两侧却没有限制作用，在螺栓外力的作用下，柱翼缘跟随螺栓一起向z轴方向移动，故在图中形成“脱离”区，这与实验结果相吻合。ABAQUS模拟中，应力较大处也集中在梁上下翼缘和端板接触处，从图4a和图5a模拟得出的Mises云图中可以看出，这些位置的应力最大值达到7.207×102MPa，这比无加劲肋时的应力9.626×102MPa要小，故设置加劲肋时的承载力要比不设置加劲肋时提高很多。柱翼缘和端板相分离的部位对结构的承载力也有一定的影响。实验采用的是摩擦型高强度螺栓，板与板分离后减少了摩擦接触面积，削弱了高强度螺栓对梁柱的连接作用，因此，降低结构的承载力。但是，从模拟的Mises图可以看出，“板底脱空”对钢节点的不利影响不如设置加劲肋对结构的影响大。从应力分析方面来说在高温下还是以设置加劲肋效果最佳。

2.3节点温度-转角关系对比

图6与图7从实验数据和有限元模拟两方面的对比来说明加劲肋对钢架节点承载力的影响。

图6　J3和J4实验与模拟温度-转角关系曲线Fig.6 Test and simulation temperature force-angle curve of J3 and J4

从图6可以看出，实验数据与有限元模拟得出的数据贴合程度较好，但是，在图6a中J3构件在温度低于377℃时，模拟结果与实验相偏离。这主要是因为模拟中高强度螺栓强度损失较大，造成模拟时转角大于正常的实验情形，之后模拟的强度损失趋于平衡，但实验温度高于377℃后，螺栓强度才进入大衰退期，造成了之后的实验转角偏大。

图7a是J3与J7构件钢节点的温度-转角曲线，它与ABAQUS模拟出的曲线几乎相贴合，但在图7b中J4与J8构件钢节点的温度-转角关系发生偏离。这主要是由于设置加劲肋强化了钢架节点的作用，虽然设置加劲肋最终会造成钢架柱翼缘与梁相连的端板相“脱离”，减少两者之间的接触面积，应会出现由于摩擦力减少而造成的高强度螺栓利用率降低的现象。但从实验和模拟结果平看，“板底脱离”并没有降低钢架的承载力，相反钢架的承载力提高了。这主要是因为加劲肋的存在极大地提高了结构的整体刚度，弥补了“脱空”所造成的承载力下降。从图7b中也可以看出，设置加劲肋时节点的转角要明显小于未设置加劲肋的情形。

图7　J3与J7和J4与J8温度-转角关系曲线Fig.7 J3 and J7-J4 and J8 temperature force-angle curve contrast

2.4设置加劲肋对跨中挠度的影响

图8是从框架跨中时间-位移关系曲线来说明设置加劲肋对钢架节点承载力的影响。

图8　J3与J7构件时间-位移曲线Fig.8 J3 and J7 component test component timedisplacement curve

从图8可以看出，未设置加劲肋的J3构件位移曲线的斜率明显要大于设置加劲肋的J7构件位移曲线，这就说明加劲肋对于提高结构的承载力确实发挥了作用。通过计算可知，设置加劲肋，梁端位移减少了28.5%，对提高承载力的效果非常明显。

3　结论

（1）ABAQUS模拟显示温度场与实际测得温度场拟合程度接近，但与炉温相差较大，故模拟不能直接调用炉温升温曲线。

（2）温度低于450℃对钢架连接节点的影响程度较小，当温度超过450℃后，由于钢材强度损失非常大，故节点的承载力几乎完全丧失。

（3）实验中不同厚度的连接端板没有明显影响钢架节点的抗火承载力。

（4）设置加劲肋的钢梁下翼缘靠近钢梁端板部位有局部屈曲现象，钢梁端板和钢柱翼缘在钢梁上翼缘部位有明显分离现象。

（5）设置加劲肋对钢结构节点的抗火性能影响显著。加劲肋能显著减小构件的竖向挠度，梁端位移减少约28.5%。

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（编辑荀海鑫）

Fire resistance performance of stiffening rib of extended end plate connections

JIANG Fengguo，ZHENG Zhongyuan，KONG Chao，PAN Yahao
（School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is aimed at a deeper insight into the effect of the stiffening rib on the fire resistance performance of extended-end-plate steel connection nodes.The study builds on the previous experiments on the fire resistance performance of steel frame nodes of extended-end-plates；uses the finite element software ABAQUS for numerical simulation of the fire resistance experiment；and compares and analyzes simulation results between the thermal-mechanical coupling and heat-displacement coupling on the one hand and the experimental data on the other.The results show that，when exposed to the same temperature and load，the steel frame nodes provided with stiffening ribs have a smaller maximum stress than those not provided with stiffening ribs.The study concludes that the advantages accompanying stiffening rib provision are an effective improvement in the fire resistance performance of the extended-end-plate steel connections，an effective prevention of negative effect of voids beneath concrete slabs on the extended-end-plate structure，a significant reduction in the cross deflection of steel frame structures，and a great increase in yield time and the limit temperature.

stiffening rib；extended-end-plate；steel joints；fire resistance performance；finite element method

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.018

TU391

2095-7262（2015）06-0664-06

A

2015－11－10

黑龙江省博士后科研启动金资助项目（LBH-Q13141）

姜封国（1977-），男，黑龙江省鸡西人，副教授，博士，研究方向：结构可靠性分析和防灾减灾研究，E-mail:jiangfg123@126.com。