梁柱节点抗火研究评述

张丽娜 王晖

摘要：钢材虽然不能燃烧，但是钢材在高温下其力学性受温度影响很大。一旦火灾发生，钢结构极易破坏。节点作为钢结构受力的关键部位，研究其高温力学性能是研究框架乃至整体结构在火灾下力学性能的重要基础。本文介绍了梁柱节点的不同类型，总结了国内外研究人员开展试验研究和理论研究的成果, 指出了目前梁柱节点研究亟待解决的问题和今后发展的方向。

关键字：钢结构；梁柱节点；抗火

中图分类号：TU319 文献标识码： A

1研究背景与意义

梁柱节点作为钢结构建筑中一个重要的连接组成部分，对于整个结构的性能发挥着不可或缺的作用，梁柱节点的特性不仅关系到整个钢结构建筑的整体性、安全性、经济型、可靠性，同时还与结构的自振周期、内力分布、整体变形有着密切联系。伴随着对钢结构抗火性能的深入研究，人们逐渐意识到梁柱节点在钢结构抗火研究中的重要地位，一旦梁柱节点在火灾中发生破坏，可能会导致整体结构的坍塌，对人民的生命安全和财产安全造成严重的威胁，因此研究梁柱节点其在火灾下的力学性能至关重要。

2梁柱节点的分类

根据连接的刚度将梁柱连接分为刚性连接、半刚性连接和柔性连接三类。

刚性连接是指梁柱之间没有相对转角，连接处可以传递弯矩，具有较高的抵抗弯矩的能力，因其构造简单而广泛采用。可将刚性连接分为全焊接连接、栓焊连接和全螺栓连接三类。

柔性连接是指梁柱之间不能传递弯矩作用，只能传递剪力作用，且能发生较大的相对转动，通常我们近似认为内缩式端板连接和角钢腹板连接是柔性连接。

半刚性连接是指梁柱之间的连接性能介于刚性连接和柔性连接之间，不但可以传递弯矩和剪力，而且允许节点产生一定的转动。半刚性连接的常见形式有以下几种：外伸式（平齐式)端板连接、顶底角钢连接、短T型钢连接节点、带双腹板角钢的顶底角钢连接。

4 国内外研究现状

4.1 国外研究现状

Lawson[1]于1990年对三种不同形式的端板连接进行抗火试验，实验结果表明，三种梁柱节点在高温下具有非常显著的抗弯承载力，可达到常温时对应的抗弯承载力的2/3，同时Lawson提出了节点传递弯矩对钢梁抗火设计的有所影响。1998年Al-Jabri[2]对平齐式端板连接、柔性端板连接和柔性端板复合连接进行了一系列的抗火试验，分析研究节点在恒载升温条件下，不同端板类型、厚度、尺寸大小对结果的影响并得到各种连接的弯矩-转角-温度曲线。2005年K.S.Al-Jabri[3]对五种不同类型的半刚性梁柱节点进行高温试验，研究在不同荷载情况下节点的抗火性能，根据试验得到的弯矩-转角-温度曲线并通过分析对比节点的抗弯承载力、转动刚度。2004年A.Rahman[4]用ANSYS建立三维有限元模型，模拟了钢结构柔性剪力板连接节点在火荷载作用下的行为响应，得出了不同荷载情况下剪力板塑性应变发展情况和节点的时间-转角曲线。2006年K.S.Al-Jabri[5]运用有限元软件ABAQUS模拟实验中相同参数的平齐式端板连接，通过与试验结果相对比，发现得到的失效模式和弯矩-转角曲线比较吻合。

4.2 国内研究现状

王卫永[6]等通过火灾试验炉对全焊接、栓焊节点和外伸端板节点进行火灾试验，发现加劲肋能明显提高全焊接节点和外伸端板连接节点抗火性能，端板厚度对外伸端板连接节点抗火性能影响不大。隋炳强对全焊接连接和栓焊连接进行抗火试验研究，研究表明，全焊接接连的临界温度比栓焊连接略高且二者的极限转角相差不大，试验结果与有限元的结果基本一致，并对梁柱节点的抗火设计提出建议[7]。杨秀萍[8]等通过有限元软件ANSYS利用壳单元和梁单元建立有限元模型，对上端外伸式端板连接梁柱节点进行抗火分析，得到了节点的转角-时间曲线及应力云图，并进行了少量的参数分析。

5、结论

综上所述，目前国内对梁柱节点抗火分析有较多的实验与理论研究，今后应在一下方向进行进一步的研究：

（1）梁柱节点是构件相互作用、相互约束的关键。目前对节点抗火性能的研究,基本上不考虑节点外力的变化。而实际结构中,随着温度变化,节点受力有着复杂的变化,这些对节点抗火性能的影响,仍有待进一步研究。

（2）单个构件的研究不能准确反映其在整体结构中的力学性能和反应,应考虑结构整体性影响下的节点力学性能,为结构抗火性能化设计打下良好的基础。

（3）建立试验数据库，为研究人员今后的研究提出借鉴，为组合结构设计规范的制定依据。

（4）开发新的梁柱连接组合节点形式。

参考文献

[1]Lawson, R. M. Behavior of steel beam-to-column connection in fire[J].Structural Engineer,1990,68(14):263-271.

[2] Al-Jabri, K.S, Lennon, T,Burgess,I.W. Plank, R.J. Behavior of steel and composite beam-column connections in fire[J].Journal of Constructional Steel Research. 1998, 46(1-3):308-309.

[3] Al-Jabri,K.S, Burgess,I.W, Lennon,T. and Plank,R.J.Moment-rotation-temperature curves for semi-rigid joints[J]. Journal of Constructional Steel Research , 2004, 61:281–303.

[4] A. Rahman, R. Hawileh, M. Mahamid. The effect of fire loading on a steel frame and connection[A]. High Performance Structures and Materials II[C], C.A. Brebbia and W.P. De Wilde (Editors). WIT Press,2004: 307-316.

[5] Al-Jabri,K.S, Seibi,A. and Karrech,A. Modelling of un-stiffened flush end-plate bolted connections in fire[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62: 151–159.

[6] 王卫永, 董毓利, 蒋宝锋, 陈建强. 加劲肋和端板厚度对梁柱边节点抗火性能的影响[J]. 工业建筑,2008,38(2):99-102.

[7] 隋炳强, 董毓利, 王卫永, 等.钢框架中柱刚节点抗火性能试验研究[J]. 东南大学学报,2007, 37(4):651-655.

[8] 杨秀萍，王兴武, 郝淑英， 姚斌. 钢结构外伸端板连接抗火性能研究[J].武汉大学学报,2007, 40(40):55-58.