H型钢梁-柱节点火灾后力学性能试验及有限元分析_刘链波.pdf

.，.，工业建筑 年第 卷第 期 型钢梁柱节点火灾后力学性能试验及有限元分析刘链波 周 明 王新堂（宁波大学科学技术学院建筑工程学院，浙江宁波；宁波工程学院建筑与交通工程学院，浙江宁波）摘 要：通过对 组火灾后 型钢梁柱节点进行低周往复加载试验及有限元分析，得到节点 滞回曲线及 骨架曲线，并分析了试件的承载力、刚度退化、延性及耗能能力的变化情况。试验表明：受火后螺栓的性能损伤会导致节点的初始刚度降低；受火后节点螺栓的更换可以提高节点的延性、耗能能力及节点刚度，但对极限承载力影响不大；受火时柱子轴压比越大，火灾后节点承载力、延性、耗能能力及初始刚度越低；对节点采取防护措施可以提高火灾后节点的承载力及延性。关键词：型钢梁柱节点；低周往复加载；有限元分析；耗能能力；火灾后承载力 ：.（，；，）：，；，；：；浙江省基础公益研究计划项目（）；浙江省住房和城乡建设厅项目（）；宁波市建设科研计划项目。第一作者：刘链波，男，年出生，硕士，讲师。电子信箱：收稿日期：钢结构构件之间的相互作用由节点传递，一旦节点发生破坏，将直接影响到钢结构的整体工作性能，甚至引起结构的整体破坏。而火灾下的节点性能将对整体结构的变形和内力重分布产生影响，因此加强对梁柱节点在火灾下的力学性能研究至关重要。为了探明钢结构在火灾下的工作性能，对钢结构基本构件的抗火性能进行了大量研究。舒赣平等对 型钢连接梁柱节点进行了火灾试验研究，分析了 型钢厚度及螺栓直径对节点抗火性能的影响。金秀莲等对梁端约束 形钢梁柱节点进行了火灾行为试验研究，分析了防护措施及轴压比对梁柱节点火灾响应的影响。代东亮通过对钢结构半刚性节点的有限元分析，得出增大角钢厚度可以提高节点的抗火性能。王卫永等对 个足尺 型钢外伸端板节点进行了火灾试验研究，发现端板厚度对节点抗火性能有明显影响。李俊华等对火灾后型钢混凝土柱钢梁节点进行了试验研究，得出火灾后节点的抗震性能仍较好。工业建筑 年第 卷第 期 等通过试验，考察了不同构件尺寸、端板厚度等因素对平齐端板连接节点和柔性端板连接节点耐火极限的影响。等对钢结构梁柱节点的高温性能进行了研究，发现端板越厚，节点承载能力越大。等通过 软件模拟火灾试验，分析了火灾后钢管混凝土柱与钢梁约束连接节点的力学性能。综上，现有文献对火灾后钢结构梁柱节点的力学性能研究很少涉及。鉴于此，对 组钢结构梁柱节点进行了火灾后的低周往复加载试验及有限元分析，分析螺栓性能、柱子轴压比、节点防护措施及火灾温度对火灾后节点抗震性能的影响，以期得到有参考价值的结论。试验概况.试件制作试验总共制作了 组试件，梁柱节点连接均为端板连接，节点编号与试验参数见表。试件的梁柱构件均采用 型钢，其中柱高.、截面规格为 ；梁长.、截面规格为。梁的端板与钢柱的连接均采用.级 高 强 螺 栓，端 板 下 部 设 有 尺 寸 为 的受剪支托，具体尺寸和构造特征见图。表 试件的试验参数 编号轴压比受火条件防护特点说明.到 ，恒温 ，自然冷却裸钢火灾后更换梁柱节点螺栓.到 ，恒温 ，自然冷却包 厚的实木板，刷防火漆，其余位置由硅酸铝纤维棉包裹未更换螺栓.到 ，恒温 ，自然冷却包 厚的实木板，刷防火漆，其余位置由硅酸铝纤维棉包裹未更换螺栓图 梁柱节点构造 对于节点采用防护措施的试件（实木包裹和轻质硅酸铝纤维棉包裹），具体做法见图、图。图 实木包裹 .试验用材主要性能指标用于制作试件的钢材均采用 钢，其力学图 硅酸铝纤维棉包裹 性能指标按照 .金属材料拉伸试验 第 部分：室温试验方法和 钢及钢产品力学性能试验取样位置和试样制备的规定，对 种厚度的板材（每种制作 个标准试件）做了材性试验，并取其平均值。试验结果见表。表 钢材的强度指标 板厚 屈服强度 极限强度.试验装置和加载方案试验所用耐火实验炉的净空尺寸为.，设计最高炉温为 。试验过程中整个炉温的变化由终端控制系统控制，通过分布在炉内的 个热电偶测定炉温。试件的受火试验过程为：对柱顶和梁端分别施加荷载，稳定约 后，再点火升温至，温度 型钢梁柱节点火灾后力学性能试验及有限元分析 刘链波，等 持续 后，再熄火并自然冷却。采用拟静力试验对冷却后取出的试件进行低周往复加载，考察火灾后梁柱节点核心部位的受力特征及其相关性能。火灾后的节点拟静力试验装置见图。图 火灾后节点拟静力试验示意 在整个试验过程中，通过千斤顶直接施加在柱顶的竖向荷载保持不变，电液伺服系统通过位移控制在梁端施加循环荷载，加载循环方式见图。图 梁端循环加载方式 梁端循环加载的方案为：首先通过 电液伺服系统加载，梁端产生向下的 位移，接着梁端位移恢复至 ，然后反向加载至 ，再恢复至，完成一个加载循环。每个位移周期循环 次，加载和卸载速度均为.，次循环结束后进行下一个位移周期的循环。位移增加步长为，当位移完成 的 次循环后，再以 为一个增量步长进行循环，此时加、卸载速度增大为 。循环至节点发生破坏时停止加载。试验中须确定节点处梁柱的相对转角以及节点部位的受力特点。为此布置了 个位移测点，其中在钢梁上翼缘设置 个竖向测点，在梁柱节点的上、下柱翼缘上分别设置 个水平测点；柱的翼缘、腹板及端板粘贴有三向电阻应变花，梁端的上、下翼缘和腹板粘贴有单向电阻应变片。位移计及应变片的布置见图、图。图 位移计布置 图 应变片布置 试验结果分析.滞回曲线图 为各试件的 滞回曲线。可见：在加载初期，滞回曲线基本呈线性变化；随着荷载的增大，转角缓慢增大，屈服后转角变化加快；当达到最大荷载时，对应的相对转角在.附近，破坏时的转角接近.。试件 的滞回环所包围曲线较 与 更加饱满，这是由于对 更换了新螺栓，其耗能能力得到提高，说明对受火后节点进行修复时，适当更换连接螺栓可起到改善节点受力性能、增强耗能能力的作用。.骨架曲线图 为各试件的 骨架曲线。可见：试件 比 的初始刚度增加了，说明对受火后试件更换螺栓可以提高节点刚度，但是对节点的抗弯强度影响不大，这是由于节点的破坏表现为端板处连接焊缝破坏及端板开裂；由于试件 比 的柱子轴压比大，导致 的极限荷载对应转角与破坏时对应转角较 的大。.节点承载力分析由表 可见：试件受火时的柱子轴压比大小对受火后节点的力学性能有一定影响。比较 与 可见，随着受火时柱子轴压比的增大，受 工业建筑 年第 卷第 期；。图 滞回曲线 图 骨架曲线 火后节点各阶段承载力均有所下降，正向屈服承载力下降约.，反向屈服承载力下降约.，极限承载力下降约.；由于对受火后更换了螺栓的，其屈服变形较其他 组节点变形要小，且反向加载时的屈服荷载增大，可见螺栓性能对火灾后节点的屈服承载力与变形有影响，但对极限承载力影响不大；对于未更换螺栓的，其各阶段正向加载时的承载力比 的要大，可见节点防护措施可以提高受火后节点的承载力。表 节点各阶段特征荷载及对应位移值 试件加载方式屈服值极限值破坏值 正向.反向.正向.反向.正向.反向.刚度退化图 为各试件的刚度退化曲线。可见：火灾后节点刚度有较明显的退化趋势，这是由于弹塑性变形损伤的不断积累导致节点刚度下降；试件 的初始刚度较其他同类型节点大，这是由于对试件 更换了新螺栓，可见受火后螺栓的性能损伤导致节点的初始刚度降低；组试件在破坏时的刚度基本接近，这是由于节点的破坏表现为端板处连接焊缝破坏及端板开裂，可见螺栓性能的提高只能改变其初始的变形能力；在加载初期，试件 的初始刚度较 的大，说明钢柱的轴压比越大，节点的初始刚度越小。；。图 刚度退化曲线 .延性及耗能能力由表 可见：反向加载时的延性系数较其他两组节点的大，且正向加载时的延性系数较 的大，说明更换螺栓可以提高受火后节点的延性；对于未更换螺栓的，其正向加载时的延性系数比 的大，可见节点防护措施可以提高受火后节点的延性；比较 与 发现，组反向加载时的延性系数差不多，而 正向加载时的延性系数明显大于 的，说明随着受火时柱子轴压比的增大，受火后节点的延性降低。比较 和 发现（表）：受火时柱子轴压比越小，受火后节点的等效黏滞阻尼比就越大，耗能能力也越大；的等效黏滞阻尼比较其他两组节点的大，说明更换螺栓可以提高受火后节点的耗能能力。有限元分析.模型建立利用 软件对 个试件进行了有限 型钢梁柱节点火灾后力学性能试验及有限元分析 刘链波，等 表 节点的延性系数 试件编号加载方式屈服点相对转角 极限点相对转角 转角延性系数 正向加载.反向加载.正向加载.反向加载.正向加载.反向加载.表 试件最大等效黏滞阻尼比 .元分析，梁柱节点构造见图。有限元分析所用梁、柱钢材的力学性能指标均取试验结果（表），弹性模量通过实测值取为 ，.级 高强螺栓的强度采用，端板强度为 。为了简化计算，钢材的本构关系模型采用双折线形式（图），分析中采用 的强度屈服准则及其相关流动准则，泊松比取为.。图 钢材本构关系 钢柱、钢梁、端板及螺栓均采用 单元模拟；螺栓与端板、螺栓与柱翼缘之间的抗滑移系数均取为.，端板与柱翼缘间的抗滑移系数取为.；采用 单元模拟高强螺栓中的预紧力（取值），施加于外部控制点上。结合试验过程，施加荷载主要包括以下几个过程：第一步在柱底和柱顶施加位移约束荷载；第二步施加高强螺栓预紧力；第三步在柱顶施加集中荷载；第四步对梁端施加滑动约束；第五步施加梁端集中荷载；第六步施加温度荷载。.与试验结果对比图 为 组试件受火后破坏形态与有限元分析结果比较。可见：组试件节点破坏形态的有限元分析结果与试验结果比较吻合。端板的主要变形为弯曲，且端板与柱翼缘之间产生明显的缝隙，对螺栓具有撬力作用；由图 中应力分布可见，在螺栓孔附近、梁翼缘与端板连接处的应力较大，柱翼缘的最大应力也在螺栓孔附近，且该区域应力呈三角形分布，越靠近端板处应力越大，柱翼缘只在螺栓附近屈服。；。图 试件破坏形态与有限元分析结果 图 为 组试件 骨架曲线对比。可见：骨架曲线的有限元分析结果和试验数据相当吻合，表明有限元分析结果是可靠的。；。试验；有限元。图 试件 骨架曲线对比 工业建筑 年第 卷第 期.温度对骨架曲线的影响由于试验的局限性，各种参数对节点性能的影响规律难以完全通过试验结果确定。故通过上述有限元模型分析火灾温度对试件 骨架曲线的影响规律。有限元模型具体参数见表。表 试件基本特征参数 编号端板厚度端板强度端板形式端板加劲肋柱加劲肋受剪支托轴压比节点表面温度 两端外伸无无有.常温两端外伸无无有.两端外伸无无有.两端外伸无无有.图 为 组有限元试件 骨架曲线对比。可见：随着受火温度的升高，节点所能承受的弯矩出现明显下降。的最大弯矩值为 ，的最大弯矩值分别较 下降了、及.，可见受火温度对节点火灾后的最大弯矩有明显影响。；。图 骨架曲线 结束语）试验结果表明，更换火灾后梁柱节点的连接螺栓可以提高节点刚度，试件 比试件 的初始刚度增加，但对其火灾后极限承载力影响不大。）随着受火时柱子轴压比的增大，受火后节点各阶段承载力均有所下降。火灾后梁柱节点的正向 屈服承载力下降约.，反向屈服承载力下降约.，极限承载力下降约.。）受火时柱子轴压比越大，火灾后梁柱节点延性及耗能能力越低；火灾后梁柱节点更换螺栓则可以提高节点的延性及耗能能力。）未更换螺栓的，其正向加载时的承载力及延性系数均大于试件，可见梁柱节点的防护措施可以在一定程度上提高火灾后节点的承载力及延性。）试件 比试件 的初始刚度要大，说明受火时柱子轴压比越大，节点的初始刚度越小。参考文献 王卫永，冉甜，逯鹏，等钢结构梁柱节点抗火性能研究进展与展望防灾减灾工程学报，（）：舒赣平，杜二峰，张欣欣，等 型钢连接梁柱节点抗火性能试验研究工程力学，（）：金秀莲，周明，王新堂，等梁端约束 形钢梁柱节点的火灾响应研究空间结构，（）：代东亮钢结构半刚性连接节点抗火性能有限元分析郑州：河南科技大学，王卫永，董毓利，李国强外伸端板节点火灾行为的试验研究和理论分析哈尔滨工业大学学报，（）：李俊华，马超，陈建华，等火灾后型钢混凝土柱钢梁节点抗震性能试验研究防灾减灾工程学报，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：，：