受火方式和防火层对梁柱全焊节点抗火性能影响分析

李利萍，王晓纯，潘一山，张宏涛

（1.辽宁工程技术大学力学与工程学院，阜新，123000；2.北方工业大学机电工程学院，北京，100041）

0 引言

钢材不耐火，火灾下温度的升高对钢结构材料性质特别是力学性能有显著影响，当温度超过550℃时，普通钢结构强度和刚度将大部分丧失。一旦发生火灾，建筑室内温度半小时可达800℃—1200℃，结构承载能力下降，甚至导致整个建筑物的坍塌，不仅对火灾直接承受者产生伤害，造成人员伤亡和重大经济损失，还对社会公共福利造成伤害［1］。通过对我国建筑火灾坍塌事例进行调查，发现钢结构构件及连接节点在高温下的性能劣化是引起建筑物火灾坍塌事故的主要因素［2］，因此有必要对火灾下构件及节点性能进行深入研究。梁、柱节点作为钢结构的关键连接部分，连接性能直接影响整个结构的受力与安全［3］。目前全焊连接和栓焊连接是应用最广泛的钢结构梁柱连接方式。大量研究表明，全焊型梁柱连接的滞回性能好于栓焊型混合连接，具有较好的塑性变形能力［4］。在地震作用下，全焊节点震害率和破坏程度均远低于梁柱栓焊节点［5］，因此在高烈度地震地区优先考虑全焊连接。

鉴于钢结构在建筑工程中的重要作用，国内外学者对其抗火性能展开研究。最早是以单个构件为对象，对钢结构抗火性能进行理论和实验研究，而对于钢结构节点连接研究较少，不过近几年国内外进行了一定的研究。da Silva［6］等、Lawson［7］对钢结构节点在火灾作用下的研究进行综述。李晓东［8］等对不同节点形式在火灾中的性能进行试验研究，指出火灾下节点破坏的现象和节点位置、连接形式、是否带加劲肋有关。王卫永［9］采用试验和有限元两种方法对全焊接节点进行初步分析，计算结果与试验结果有较好的相关性，表明有限元分析方法可行，为研究全焊接节点在不同火灾条件下的结构行为提供了实用方法。李杰［10］从地震耗能和累积损伤的角度对梁柱焊接节点的抗震性能进行了研究。隋炳强［11］等对栓焊和全焊4个中节点足尺试件进行抗火试验，通过试验发现全焊节点抗火临界温度高于栓焊节点。王汉杰［12］等采用有限元方法分析了不同升温条件下全焊接节点的火灾行为。

基于以上研究发现，受火方式和防火层对全焊节点抗火性能影响研究依然较少，本文采用ANSYS有限元软件，对H型截面的梁柱全焊节点进行抗火数值模拟，研究不同受火方式下全焊节点的力学响应特性，对比分析有无防火层对梁柱节点温度影响规律，为钢结构全焊节点抗火设计提供技术参考。

1 ANSYS有限元计算模型

1.1 有限元模型

有限元模型中梁柱均采用H型截面，长1m，截面尺寸为200mm×160mm×30mm×20mm。水平加劲肋尺寸为222mm×42mm×10mm。有限元模型如图1所示。进行热分析时，采用SOLID70六面体单元，用于分析三维稳态或瞬态热问题，该单元有8个结点，每个结点只有温度自由度。热力耦合分析时采用间接耦合，ANSYS在处理完温度场分析后，会自动生成rth文件，可直接将热结果文件导入结构计算，此时SOLID70单元会直接转变为SOLID45单元。

假设柱子所承受轴力为125kN，柱横截面有72个节点，每个节点施加1.7361kN竖直向下的力，在梁端施加42kN剪力，梁边缘线有8个节点，每个节点施加5.25kN的力，弯矩忽略，柱子底部固定约束，柱子顶端x、y方向简支约束。

1.2 有限元模型参数设置

火灾下温度升高影响钢结构材料性能，导热系数采用EUROCODE3规范［13］，如图2所示。

由于750℃时钢材的比热发生较大变化，不能取单一值，本次计算比热取值如图3所示。

钢材弹性模量随温度升高而下降，弹性模量取值如图4所示。

高温下钢材的泊松比取υs＝0.3，热膨胀系数取αs＝1.4×10－5W／（m×℃），钢材的密度ρs＝7850kg／m3［13］。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

图2 导热系数变化曲线Fig.2 Variation curve of thermal conductivity

图3 比热随温度变化曲线Fig.3 Variation curve of specific heat with temperature

节点的初始温度设定为20℃，分别施加热对流和热辐射两种受火方式，对流换热系数取为25W／（m2·℃），综合辐射率取值为0.9。瞬态热分析中外界温度运用函数加载，施加ISO升温曲线。

2 数值模拟结果分析

图4 弹性模量随温度变化曲线Fig.4 Variation curve of Young＇s modulus with temperature

本次模拟设置三种工况：节点全部受火、梁柱两面受火、节点不受火，观察受火方式不同对全焊节点的影响；设置5mm防火层和无防火层，观察防火层对钢结构构件的影响。

2.1 受火方式对全焊节点的影响

不同受火方式对钢结构节点温度场影响明显，采用三种不同工况对钢结构节点受力情况进行分析，工况一：钢节点全部施加热对流和热辐射；工况二：只对梁的下表面和柱的内表面施加热载荷；工况三：钢节点没有受到火灾的影响。

通过数值模拟得到工况一各节点温度变化曲线，如图5所示。从图5可以看出，因节点受火是在整个节点上施加热载荷，所以呈现出对称的结果，各翼缘和腹板温度基本相同。节点各处温度变化曲线基本接近，结构各部位温差很小，且柱子的腹板处温度总是最高，温度上升最快。

图5 工况一各节点温度变化曲线Fig.5 Variation curve of the joint temperature under work condition（I）

图6为工况二情况下梁柱两面受火各节点温度变化曲线。分析表明：受火面温度马上升高，但是远离受火位置温度升高缓慢。因此梁下翼缘、腹板和柱翼缘温度相对较高，而梁上翼缘和节点域温度升高不明显。但在240s之后，升温最快的梁下翼缘各处温差增大。图7给出了工况二情况下240s时的温度分布。

图6 工况二各节点温度变化曲线Fig.6 Variation curve of the joint temperature under work condition（II）

图7 工况二240秒温度分布图Fig.7 Temperature curve under work condition（II）at 240s

将工况一与工况二进行对比，得到两种工况下最大温差对比，如图8所示。由图8可以直观看出，工况二情况下节点各处最大温差明显大于工况一情况，240s前，两种工况最大温差相差不大，240s后，两者之间最大温差差值急剧增大。以600s为例，工况二梁柱两面受火时升温最快的梁下翼缘最高温度为460℃，而节点域处于最低温度220℃，两者最大温差为240℃；工况一节点受火时柱子腹板最高温度达到495℃，而梁腹板处最低温度为448℃，两者最大温差仅为47℃，节点整体温度很高。以上对比分析表明：工况一节点受火比工况二梁柱受火更加危险，节点受火结构整体处于高温状态，各节点处温差较小；工况二梁下侧和柱子内侧受火，虽没使节点域达到很高的温度，但是受火区域节点温度升高很快，节点各处最大温差较工况一大，在快速升温区域会产生较大的温度应力，因此受火区域比较危险。

图8 两种工况下最大温差对比Fig.8 Comparison of maximal temperature difference under two work conditions

工况1情况下热力耦合240s时各节点处Mises应力与工况3不受火情况进行对比，如图9所示。由图9可以看出，由于温度升高，结构热膨胀产生应力，工况一节点受火下各节点处Mises应力明显比工况三不受火情况大，且不受火节点应力仅在有外力作用的地方有明显变化。分析表明温度对节点Mises应力影响很大。在施加热载荷的情况下，Mises应力变化范围更大，节点域处Mises应力都有明显变化。

图9 工况一240s时热力耦合与工况三 Mises应力对比Fig.9 Comparison of Mises stress under work condition（I）with thermal－mechanical coupling at 240s and that under work condition（III）

从温度与结构耦合240秒图（图10）可以看出，梁下翼缘应力升高很快，但上翼缘应力升高缓慢，梁与翼缘相交处应力不高，这是由于在模拟中只在梁边缘处施加了向下的剪力而没有考虑弯矩的影响。

图10 240s工况1热力耦合z方向应力Fig.10 Mises stress under work condition（I）with thermal－mechanical coupling at 240s

2.2 防火层对全焊节点温度影响

防火层对降低和延缓构件升温有很大作用。模拟防火层时，将模型中柱子内壁和梁下侧加上厚度为5毫米的立方体模拟防火层，其他过程没有什么变化。需要注意的是，在结构分析的时候选中防火层单元进行EKILL，ALL杀死单元的操作。

在柱内壁和梁下侧施加防火层，结构各节点处温度变化如图11所示。结果表明在有防火层的情况下节点整体温度不高，升温最快的是防火层区域，而翼缘和节点域升温比较缓慢，约300s以后，节点域的温度超过翼缘升温区。

图11 有防火层节点各处升温曲线图Fig.11 Temperature rise of joints with fire protection layers

以梁翼缘为例，对比有无防火层对翼缘温度影响，如图12所示。

图12 防火层对梁翼缘温度影响Fig.12 Influence of fire protection layer on the temperature of beam flange girth

通过对比发现，无防火层区域节点温度整体高于有防火层的节点，且两种情况下温差随时间急剧增大。以600s为例，无防火层构件最高温度为495.796℃，而有防火层的节点才达到183.895℃。当达到450℃的时候，钢材的力学性能大大降低，所以对节点增加防火层是非常有效的。

3 结论

通过对梁柱全焊节点抗火性能数值模拟，分析了受火方式和防火层对梁柱全焊节点影响，得到如下结论：

（1）节点全部受火节点各处温差很小，结构整体处于高温状态。梁柱受火只有受热的表面有明显的温度变化。节点全部受火较梁柱受火更加危险。

（2）有防火层区域节点整体温度不高，防火层可有效降低和延缓节点火灾下温度的升高。

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