空间钢框架全焊接节点抗火设计的有限元分析

孙燕飞　席丰

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： B

0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.

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.

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285 MPa）；钢梁采用H250×125×6×9规格（在常温下，其钢材屈服强度为330 MPa），柱长3.0 m，柱顶施加125 kN集中力，梁长1.35 m，梁悬臂端施加30 kN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285 MPa），柱长3.0 m，柱顶施加125 kN集中力，梁长1.35 m，距梁悬臂端1.2 m对称施加30 kN集中力.

运用ANSYS建立平面钢框架全焊接节点模型时采用SOLID 45单元.SOLID 45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51 803个，平面钢框架全焊接中节点单元数目为68 101个.

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.产生这种差距的原因有多种，如模拟采用的材料模型与实际钢材的材料性质有差距，有限元模拟受火与试验受火情况有差距等.但是，本文模拟所得温度转角曲线趋势是合理的，在一定程度上可以合理反映节点受火的性能，同时，若要比较不同节点受火时临界温度的大小关系，该误差不会影响比较结果.

由图3还可知，本文计算的节点受火变形图与文献[10]试验中的变形图一致，说明本文建立的有限元模型正确，加载方法也合理，有限元模拟结果可以合理地描述节点在高温时的温度转角关系和变形形态.

2空间节点在高温时的有限元分析

在实际情况下，钢框架的节点都为空间节点，即梁和柱不仅在柱截面强轴方向（图4中x方向）上有连接，而且在柱截面弱轴方向（图4中y方向）上有连接.本文在文献[10]平面钢框架全焊接节点试验的基础上，建立空间钢框架中的几种全焊接节点，运用ANSYS建模进行计算，提取4种节点在不同载荷作用下的温度转角关系进行对比分析.

2.24种空间钢框架全焊接节点的有限元模型

2.2.1有限元模型

由图11～14可对比4种空间钢框架全焊接节点的变形特征：（1）对于有梁连接的柱翼缘，与梁上翼缘对应处的柱翼缘受火外凸，与梁下翼缘对应的柱翼缘受火内凹.这是因为节点处在弯矩作用下梁上翼缘受拉带动相应位置的柱翼缘向外凸出，同时梁下翼缘受压导致柱翼缘相应位置内凹.（2）对于没有梁连接的柱翼缘，其变形较小且较均匀.这是因为这类柱翼缘受到的作用力来自于腹板传递，力经腹板传递到柱翼缘，导致受拉和受压的区域增大[9]，使没有梁连接的柱翼缘弯曲变形变小.

2.3.2空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线

空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线的提取原则：首先分别提取x和y方向上节点的温度转角曲线，然后取2条温度转角曲线中临界温度中相对较小的那条作为空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线，用于判断空间钢框架全焊接节点的临界温度.

对计算数据进行处理，结果见图15.

由图15可知，4种空间钢框架全焊接节点随着载荷比值的增大，临界温度降低，即载荷比值γ的增大对抗火不利；在4种空间钢框架全焊接节点中，y方向边节点和中节点的临界温度较高，x方向边节点和角节点临界温度较低，因此，在钢框架节点抗火保护中尤其需要注意加强角节点和x方向边节

点的防火保护；γ>1.0时角节点的临界温度与γ≤1.0时角节点的临界温度相比，变化幅度比其他几种节点明显，因此当y方向上梁的载荷大于x方向上梁的载荷时，尤其需要注意加强角节点的防火保护.

3结论

运用ANSYS采用简化模拟方法对平面钢框架全焊接边节点、平面钢框架全焊接中节点以及4种空间钢框架全焊接节点进行抗火计算，得到以下结论：

（1）对平面钢框架全焊接边节点和平面钢框架全焊接中节点进行计算，所得的结果与文献[1011]的试验结果吻合，验证本文有限元模型的合理性.

（2）通过对比4种空间钢框架全焊接节点高温下的有限元模拟结果发现，与梁连接的柱翼缘的变形形态一致，且较无梁连接的柱翼缘变形大；从温度转角曲线可知，H型柱翼缘与梁连接方向的边节点和角节点临界温度较低，H型柱腹板与梁连接方向的边节点和中节点临界温度较高.因此，在空间钢框架全焊接节点的抗火设计中，要注意加强对H型柱翼缘与梁连接方向的边节点和角节点的防火保护；γ>1.0时角节点的临界温度明显小于γ≤1.0时角节点的临界温度.当H型柱腹板与梁连接方向梁端载荷大于H型柱翼缘与梁连接方向梁端载荷时，角节点临界温度明显降低，在进行抗火设计时，要注意加强对角节点的防火保护.

参考文献：

[1]WANG Y C. Steel and composite structures： behavior and design for fire safety[M]. London： Spon Press， 2002.

[2]余红霞， 刘涛. 美国世贸中心WTC7次梁柱节点高温下的破坏行为分析[J]. 钢结构， 2010， 25（8）： 7682.

[3]LI G Q， WANG P J， JIANG S C. Nonlinear finite element analysis of axially restrained steel beams at elevated temperatures in a fire[J]. J Constructional Steel Res， 2007， 63（9）： 11751183.

[4]XI Feng， LUAN Yanping. Criteria of limiting temperature and parametric analysis of the large deflection behavior for fully restrained steel beams in fire[J]. Sci China Technol Sci， 2012， 55（1）： 264275.

[5]LAWSON R M. Behavior of steel beamtocolumn connection in fire[J]. Struct Eng， 1990， 68（14）： 263271.

[6]李国强， 李侥婷， 楼国彪. 梁端受框架约束的平端板连接组合节点抗火性能试验研究[J]. 建筑结构学报， 2011， 32（4）： 125133.

[7]DAI X H， WANG Y C. Numerical modelling of structural fire behaviour of restrained steel beamcolumn assemblies using typical joint types[J]. Eng Structures， 2010， 32（8）： 23372351.

[8]ALJABRI K S. Momentrotationtemperature curves for semirigid joints[J]. J Constructional Steel Res， 2005， 61（3）： 281303.

[9]王卫永， 董毓利， 隋炳强. 焊接钢框架边节点抗火性能试验[J]. 东南大学学报： 自然科学版， 2007， 37（2）： 240244.

[10]李晓东， 董毓利， 高立堂， 等. 钢框架边节点抗火性能的试验研究[J]. 实验力学， 2007， 22（1）： 1319.

[11]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： 自然科学版， 2007， 37（4）：651655.

[12]BURSI O S， JASPART J P. Benchmarks for finite element modelling of bolted steel connections[J]. J Constructional Steel Resh， 1997， 43（13）： 1742.

[13]SHIRH A， ADEEB R， ALJABRI K S. Finite element analyses of flush endplate connections between steel beams and columns at elevated temperatures[J]. Advances Struct Eng， 2009， 12（3）： 311324.

[14]陶津平， 秦琴. 复杂结构数值模拟的精细分析[J]. 计算机辅助工程， 2009， 18（3）： 5557.

（编辑陈锋杰）

2.24种空间钢框架全焊接节点的有限元模型

2.2.1有限元模型

由图11～14可对比4种空间钢框架全焊接节点的变形特征：（1）对于有梁连接的柱翼缘，与梁上翼缘对应处的柱翼缘受火外凸，与梁下翼缘对应的柱翼缘受火内凹.这是因为节点处在弯矩作用下梁上翼缘受拉带动相应位置的柱翼缘向外凸出，同时梁下翼缘受压导致柱翼缘相应位置内凹.（2）对于没有梁连接的柱翼缘，其变形较小且较均匀.这是因为这类柱翼缘受到的作用力来自于腹板传递，力经腹板传递到柱翼缘，导致受拉和受压的区域增大[9]，使没有梁连接的柱翼缘弯曲变形变小.

2.3.2空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线

空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线的提取原则：首先分别提取x和y方向上节点的温度转角曲线，然后取2条温度转角曲线中临界温度中相对较小的那条作为空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线，用于判断空间钢框架全焊接节点的临界温度.

对计算数据进行处理，结果见图15.

由图15可知，4种空间钢框架全焊接节点随着载荷比值的增大，临界温度降低，即载荷比值γ的增大对抗火不利；在4种空间钢框架全焊接节点中，y方向边节点和中节点的临界温度较高，x方向边节点和角节点临界温度较低，因此，在钢框架节点抗火保护中尤其需要注意加强角节点和x方向边节

点的防火保护；γ>1.0时角节点的临界温度与γ≤1.0时角节点的临界温度相比，变化幅度比其他几种节点明显，因此当y方向上梁的载荷大于x方向上梁的载荷时，尤其需要注意加强角节点的防火保护.

3结论

运用ANSYS采用简化模拟方法对平面钢框架全焊接边节点、平面钢框架全焊接中节点以及4种空间钢框架全焊接节点进行抗火计算，得到以下结论：

（1）对平面钢框架全焊接边节点和平面钢框架全焊接中节点进行计算，所得的结果与文献[1011]的试验结果吻合，验证本文有限元模型的合理性.

（2）通过对比4种空间钢框架全焊接节点高温下的有限元模拟结果发现，与梁连接的柱翼缘的变形形态一致，且较无梁连接的柱翼缘变形大；从温度转角曲线可知，H型柱翼缘与梁连接方向的边节点和角节点临界温度较低，H型柱腹板与梁连接方向的边节点和中节点临界温度较高.因此，在空间钢框架全焊接节点的抗火设计中，要注意加强对H型柱翼缘与梁连接方向的边节点和角节点的防火保护；γ>1.0时角节点的临界温度明显小于γ≤1.0时角节点的临界温度.当H型柱腹板与梁连接方向梁端载荷大于H型柱翼缘与梁连接方向梁端载荷时，角节点临界温度明显降低，在进行抗火设计时，要注意加强对角节点的防火保护.

参考文献：

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[11]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： 自然科学版， 2007， 37（4）：651655.

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[14]陶津平， 秦琴. 复杂结构数值模拟的精细分析[J]. 计算机辅助工程， 2009， 18（3）： 5557.

（编辑陈锋杰）

2.24种空间钢框架全焊接节点的有限元模型

2.2.1有限元模型

由图11～14可对比4种空间钢框架全焊接节点的变形特征：（1）对于有梁连接的柱翼缘，与梁上翼缘对应处的柱翼缘受火外凸，与梁下翼缘对应的柱翼缘受火内凹.这是因为节点处在弯矩作用下梁上翼缘受拉带动相应位置的柱翼缘向外凸出，同时梁下翼缘受压导致柱翼缘相应位置内凹.（2）对于没有梁连接的柱翼缘，其变形较小且较均匀.这是因为这类柱翼缘受到的作用力来自于腹板传递，力经腹板传递到柱翼缘，导致受拉和受压的区域增大[9]，使没有梁连接的柱翼缘弯曲变形变小.

2.3.2空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线

空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线的提取原则：首先分别提取x和y方向上节点的温度转角曲线，然后取2条温度转角曲线中临界温度中相对较小的那条作为空间钢框架全焊接节点的温度转角曲线，用于判断空间钢框架全焊接节点的临界温度.

对计算数据进行处理，结果见图15.

由图15可知，4种空间钢框架全焊接节点随着载荷比值的增大，临界温度降低，即载荷比值γ的增大对抗火不利；在4种空间钢框架全焊接节点中，y方向边节点和中节点的临界温度较高，x方向边节点和角节点临界温度较低，因此，在钢框架节点抗火保护中尤其需要注意加强角节点和x方向边节

点的防火保护；γ>1.0时角节点的临界温度与γ≤1.0时角节点的临界温度相比，变化幅度比其他几种节点明显，因此当y方向上梁的载荷大于x方向上梁的载荷时，尤其需要注意加强角节点的防火保护.

3结论

运用ANSYS采用简化模拟方法对平面钢框架全焊接边节点、平面钢框架全焊接中节点以及4种空间钢框架全焊接节点进行抗火计算，得到以下结论：

（1）对平面钢框架全焊接边节点和平面钢框架全焊接中节点进行计算，所得的结果与文献[1011]的试验结果吻合，验证本文有限元模型的合理性.

（2）通过对比4种空间钢框架全焊接节点高温下的有限元模拟结果发现，与梁连接的柱翼缘的变形形态一致，且较无梁连接的柱翼缘变形大；从温度转角曲线可知，H型柱翼缘与梁连接方向的边节点和角节点临界温度较低，H型柱腹板与梁连接方向的边节点和中节点临界温度较高.因此，在空间钢框架全焊接节点的抗火设计中，要注意加强对H型柱翼缘与梁连接方向的边节点和角节点的防火保护；γ>1.0时角节点的临界温度明显小于γ≤1.0时角节点的临界温度.当H型柱腹板与梁连接方向梁端载荷大于H型柱翼缘与梁连接方向梁端载荷时，角节点临界温度明显降低，在进行抗火设计时，要注意加强对角节点的防火保护.

参考文献：

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[7]DAI X H， WANG Y C. Numerical modelling of structural fire behaviour of restrained steel beamcolumn assemblies using typical joint types[J]. Eng Structures， 2010， 32（8）： 23372351.

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[9]王卫永， 董毓利， 隋炳强. 焊接钢框架边节点抗火性能试验[J]. 东南大学学报： 自然科学版， 2007， 37（2）： 240244.

[10]李晓东， 董毓利， 高立堂， 等. 钢框架边节点抗火性能的试验研究[J]. 实验力学， 2007， 22（1）： 1319.

[11]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： 自然科学版， 2007， 37（4）：651655.

[12]BURSI O S， JASPART J P. Benchmarks for finite element modelling of bolted steel connections[J]. J Constructional Steel Resh， 1997， 43（13）： 1742.

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[14]陶津平， 秦琴. 复杂结构数值模拟的精细分析[J]. 计算机辅助工程， 2009， 18（3）： 5557.

（编辑陈锋杰）