空间钢框架全焊接节点抗火设计有限元研究

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1、空间钢框架全焊接节点抗火设计有限元研究　　摘要：为考察钢框架梁柱连接的抗火性能，建立平面钢框架全焊接节点有限元模型，用ANSYS分析其在火载荷作用下的行为，得到的温度转角曲线与试验数据基本吻合；通过数值模拟得到不同载荷比值下的4种空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线.结果表明：载荷比值不同，空间钢框架全焊接节点在火灾作用下的临界温度不同；在相同的载荷比值下，不同空间钢框架全焊接节点的临界温度也不相同.在空间钢框架全焊接节点的抗火设计中，应加强对H型柱翼缘与梁连接方向的边节点和角节点的防火保护.关键词：空间钢框架；梁柱焊接节点；抗火；载荷比值；临界温度；有限元中图分类号：TU392文献标志码：B0

2、引言近年来，钢材的优良性能使其在建筑行业得到广泛应用，但钢材的力学性能对温度的敏感性很强.钢材的耐火性差，在火灾下钢框架会产生严重破坏，因此研究钢框架抗火性能很重要.9梁柱节点是钢框架的重要组成部分[1]，也是钢框架组成中的薄弱环节.节点的破坏容易导致钢框架的整体破坏[2]，造成不可估量的损失，因此研究节点抗火性能尤为重要.尽管钢框架抗火研究已取得很大进展，但主要集中在整体框架和单个构件的响应和失效行为[34]的探讨上，关于梁柱的连接性能以及抗火特性分析相对较少.目前，节点抗火研究的方法主要有试验和有限元分析2种：试验能更真实地研究节点的抗火性能，但需要花费大量资金，得到的结构响应和失效信息也

3、有限；有限元分析不仅可以模拟在高温时的节点性能，进行大量的参数研究，而且可以减少研究的时间和经费.9近年来，国内外学者对钢框架梁柱节点的研究日益增多.LAWSON[5]对刚性组合节点、半刚性组合节点以及弹性组合节点等进行8组试验，得到温度转角关系；李国强等[6]对梁端轴向约束作用下平端板螺栓连接组合节点的抗火性能进行试验研究，试验结果表明在结构中组合节点与梁相互影响、共同作用；DAI等[7]运用Abaqus对10种不同种类的连接形式进行火灾模拟，并与试验结果进行对比，发现有限元可以准确描述节点在火灾时发生破坏的全过程；ALJABRI[8]通过对一系列梁柱半刚性连接进行抗火试验，得到不同连接形式

4、的弯矩转角温度曲线，研究半刚性节点在高温时的力学行为；王卫永等[9]通过试验和有限元分析得到焊接边节点温度转角曲线，对高温下焊接边节点进行抗火性能研究；李晓东等[10]通过试验得到几种钢框架梁柱节点的温度转角关系，并对节点在高温时的力学性能进行讨论；隋炳强等[11]通过试验和有限元分析得到几种节点在高温时的温度转角曲线，并对几种节点的抗火性能进行对比分析；BURSI等[12]运用Abaqus模拟梁柱在高温时螺栓连接的力学性能.SHRIH等[13]运用ANSYS对平齐式端板连接节点进行抗火分析，得到在不同载荷工况时节点的温度转角曲线，并与试验进行对比.综合上述研究可知，对节点抗火性能的研究主要集

5、中在对平面钢框架节点的试验和有限元分析上.在实际结构中，空间钢框架梁与柱不仅在柱截面的强轴方向上有连接，而且在柱截面的弱轴方向也有连接，并且在柱截面弱轴方向上与梁的连接对节点抗火性能有影响.目前，关于这种影响的评估尚不充分，需通过数值模拟进行定量分析.基于这样的考虑，本文对带有梁柱弱轴连接的空间钢框架全焊接节点进行初步研究，得到在不同载荷工况时空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线，为空间钢框架全焊接节点抗火设计提供参考.1有限元模型验证1.1有限元模型平面钢框架全焊接边节点几何尺寸和载荷与文献[10]相同：钢柱采用H244×175×7×11规格（在常温下，其钢材屈服强度为2859MPa）；钢梁采

6、用H250×125×6×9规格（在常温下，其钢材屈服强度为330MPa），柱长3.0m，柱顶施加125kN集中力，梁长1.35m，梁悬臂端施加30kN集中力.平面钢框架全焊接中节点几何尺寸和载荷与文献[11]相同：钢柱采用H244×175×7×11规格，钢梁采用H250×125×6×9规格（在常温下，梁和柱钢材屈服强度均为285MPa），柱长3.0m，柱顶施加125kN集中力，梁长1.35m，距梁悬臂端1.2m对称施加30kN集中力.运用ANSYS建立平面钢框架全焊接节点模型时采用SOLID45单元.SOLID45单元适用于构造三维固体结构，通过8个节点定义，每个节点有沿着x，y和z这3个方向

7、的平移自由度；具有塑性、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，可以施加单元表面载荷和节点温度体载荷等.在划分网格时，为得到精确的计算结果，需要对梁柱节点附近网格进行加密处理[14]，见图1，平面钢框架全焊接边节点单元数目为51803个，平面钢框架全焊接中节点单元数目为68101个.9另外，由图3可知，本文计算所得结果与文献[1011]试验所得结果基本一致，但计算所得结果的临界温度偏高一点.产生这种差