荷载比对短T型钢连接件抗火性能的影响

姜封国， 潘亚豪， 郑重远

(黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150022)

荷载比对短T型钢连接件抗火性能的影响

姜封国， 潘亚豪， 郑重远

(黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150022)

火灾中钢结构的破坏与高温下钢材的强度和刚度的退化有关，尤其对外荷载的作用十分敏感。通过加载ISO834标准升温曲线的有限元模拟方法对工程中常见的短T型钢连接件进行温度场分析及在不同荷载比条件下的热-力耦合分析，并对极限承载力进行理论计算，最终判定结构的破坏模式。结果表明：火灾发生80 min后，连接件温度趋于973.7 ℃不变，之后持续的火灾对结构的承载力将不会产生不利影响。高温下短T型钢板焊缝处极易发生应力集中现象。此处应力大且易失效，当荷载比增大时此处应力将增大并向四周扩散，削弱短T型钢高温下的受力性能。在相同受火时间条件下，随着荷载比增大，结构同一位置处的应变增大，T型节点的临界温度变小。该研究为短T型钢抗火连接设计提供了依据。

T型钢； 抗火性能； 升温模型； 有限元法

0 引 言

钢材作为重要的建筑材料有许多优点，但它也有个致命的缺陷即抗火性能差[1]，温度升高会严重削弱其基本力学性能。在钢结构建筑中，节点的连接在整个建筑中起着重要的作用，节点一旦破坏将影响整个结构受力性能以致发生倒塌破坏。短T型连接作为一种连接形式已在工程中得到广泛应用。我国CECS—200：2006《建筑钢结构防火技术规范》中指出，火灾下构件承载力与常温下相应的承载力的比值称为荷载比，一般情况下，对于同一个钢框架节点采用不同的荷载比时结构受力性能并不完全相同。

目前，关于短T型钢连接件的现有研究主要集中在常温下结构的基本力学特性，以及其他节点形式下的抗火性能方面。王涛等[2-6]主要对T型半刚性节点进行模拟研究，分析了此类节点的极限承载力和破坏机理及其对钢框架设计的影响，得到T型半刚性节点连接件的弯矩-转角-时间关系曲线。刘焦等[7-9]将文中模型与多项式模型和有限元模拟分析结果进行对比分析，并从螺栓的临界温度角度研究了整个结构的承载力，实验和模拟的结果相符，认为利用软件模拟节点是可行的。陈适才等[10]研究了局部火灾对整体钢结构的初始破坏机理的影响，证明局部构件破坏并不说明整体结构的破坏。王卫永等[11-13]研究了钢结构高温下局部稳定设计方法，并对已有的钢材在高温荷载下的蠕动变形模型进行分析，同时研究了考虑栓钉剪切滑移的组合梁抗火性能，结果发现，板件宽厚比较小时局部屈曲应力随宽厚比增大迅速减小，不同蠕动模型对不同荷载比、约束刚度下的约束钢梁的抗火性能影响程度不同。研究发现，关于短T型连接件不同荷载比对火灾中结构受力影响的研究报道鲜见。

笔者利用有限元模型研究不同荷载比对短T型钢连接结构的影响规律，通过模拟得出的节点温度场以及T型钢的应变判断T型钢的破坏模式，旨在为短T型钢连接抗火设计提供依据。

1 有限元模型与热力学参数

1.1 有限元模型与网格划分

选用Q235型钢进行建模，取结构的1/2建立有限元模型，连接处螺栓采用10.9级摩擦型高强度螺栓，此处要考虑螺栓的预紧力。梁截面尺寸为HW300 mm×200 mm×10 mm×15 mm，钢柱的截面尺寸为HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm，T型钢截面尺寸为TW250 mm×200 mm×10 mm×15 mm。为加强结构整体的受力性能，在柱中设置厚度为12 mm的加劲肋。模型的约束形式为柱底部完全固定，柱顶部x、z方向受约束，梁端部y、z方向受约束。在柱顶和梁端上部同时施加荷载比分别为0.2、0.4、0.6的均布荷载，模型在加载外力时假设能保证钢框架的整体稳定性。结构的有限元模型如图1a所示。利用有限元模型进行热传递分析与结构受力分析需设置不同的单元格属性，热传递分析时结构单元网格应该选取DC3D8网格单元，而进行结构三维受力分析时，需采用C3D8R网格单元，节点模型网格划分如图1b所示。

a 有限元模型

b 网格划分

1.2 ISO834标准升温模型

国际上关于抗火研究的升温模型种类很多，这主要是因为升温模型受到多种因素的影响。综合各方面因素，众多学者形成了统一的认识，认为在一般火灾场情况下国际标准化组织推荐的ISO834标准升温模型[14]能较好地反映火灾场的升温规律。文中采用该模型，其数学表达式如下：

θ(t)=345lg(8t+1)+θ0，

(1)

式中:θ(t)——t时刻的室内平均温度，℃；

θ0——火灾发生前的室内平均温度，一般取20 ℃；

t——火灾场的升温时间，min。

1.3 热学与力学参数

研究钢节点的温度场分布规律必然要对相关热工参数进行分析。考虑到边界条件，一般取初始环境温度为20 ℃，钢节点下发生火灾时，热量的传递主要通过热辐射和热对流两种途径传递给钢节点。根据ISO834标准升温模型，连接件处辐射率通常取0.5，连接件周围的热对流交换系数通常取25 W/(m2·℃)。

文中主要通过间接耦合的方法模拟不同荷载比情况下结构的受力特性以及结构的破坏模式，当温度场作为初始条件加载到结构中后就需要加载外部荷载。研究整体结构受力状态，梁端所受荷载是通过节点传递给柱子，而节点联系的纽带主要就是依靠高强度螺栓，高强度螺栓预加力的施加主要有过盈值法和预紧力法两种。文中运用预紧力法来实现节点的有效连接，预紧力在有限元模型中施加主要分为三个步骤：

(1)安装螺栓时，为使钢节点不分离，先施加一个较小的预紧力1 kN。

(2)在结构加载时，将1 kN的预紧力修改成真实预紧力155 kN。

(3)在结构受力过程中，稳定预紧力155 kN，即保持螺栓当前长度。

文中有限元模型在受力分析时接触面的接触属性不能选择默认的“硬接触”即摩擦系数为零，因为接触处由于产生相对滑移也会传递库伦摩擦力，故而应选择摩擦系数为0.3[15]。摩擦接触面在分析过程中会出现较大的滑动，在设置时应选用有限滑移。

由于高温下钢材的弹性模量发生变化，因此不能靠常温下钢材的应力或应变来判断T型板失效，在设置钢材的应力应变本构关系时要考虑随温度变化的幅值关系。根据Ramberg-Osgood模型得出的应力、应变简化计算式为

(2)

式中:α、n——曲线拟合参数；E——钢材的弹性模量，MPa；σ——钢材的应力，MPa；ε——钢材的应变。

1.4 失效准则

结构失效分析避开了传统意义上依靠节点的转角过大或跨中挠度超过限值的条件来判断，而是从T型板的应力和应变角度来判断，若T型板的应力或应变超过限值就意味它不能再承受荷载继而发生破坏。

结构的荷载比是影响节点承载力的重要原因，结构荷载最终都在连接节点的T型板处体现，荷载比过大会导致T型板遭受火灾时迅速达到极限应力、应变而破坏，从而导致整个结构的倒塌。荷载比过小就会造成材料的极大浪费，研究T型钢节点的荷载比就是为了合理进行结构的荷载设计。

关于T型板失效原则国际上有很多准则，其中Robertson-Ryan失效准则最为常用，其计算式为：

(3)

(4)

式中:δ——构件的最大挠度，mm；l——构件的计算跨度，mm；h——构件的截面高度，mm。

结合该模型实例，在火灾中T型板翼缘的变形应属于受弯变形，结合式(3)、(4)可得，当dδ/dt≥0.22,δ≥6.7 mm时T型板发生失效破坏。

2 结果与分析

2.1 ABAQUS温度场

钢节点的温度场与节点处热量传递路径如图2所示。从图2中可以看出，梁的下翼缘、螺栓以及下部的T型钢的温度较高，但柱翼缘的温度相对较低。这主要是因为火灾发生的过程中空气对流先向结构顶板传播，然后由于顶板阻挡而形成对流循环再由上部向下传播到柱上。

图2 节点温度场与热量传递

文中钢节点主要是通过T型钢来连接的，T型节点在火灾高温下的力学性能决定了整个结构的受力状态，因为高温极易造成钢节点失效破坏，有限元软件模拟得T型钢板的温度场分布如图3a所示，T型钢底部升温温度曲线如图3b所示。

a 温度场

b 温度对比

Fig. 3 Comparison of temperature field and temperature of T steel

从图3a可以看出，板上部比板下部的温度要低，这主要是因为上部面和梁翼缘相连，由于梁翼缘的保护而不直接受火，故温度较低。从图3b可以看出，T型钢底部温度和ISO834标准升温曲线两者的温度变化趋势一致，且两者温度较为接近，但T型钢底部的温度始终要比ISO834标准升温曲线的温度低。这是因为热量在传递过程中必然存在能量的损失，根据能量守恒定律可知ISO834标准升温曲线的温度要比T型钢高。T型钢构件在火灾后期，即升温80 min后温度趋于973.7 ℃而保持不变。这主要是因为T型钢构件内部的热交换达到平衡，构件本身释放的能量等于吸收的能量，最后温度趋于稳定。

2.2 应变

在0.2、0.4、0.6三种荷载比情况下进行模拟，最终得出的T型钢应变云图如图4所示。从图4可以看出，不同荷载比的情况下，各个T型板应变具有共性，应变较大处首先发生在两片钢板交接处，这主要是因为交接处形状突变，在此处最容易发生应力集中现象，最终造成此处的应变相对于钢板其他位置要高。随着荷载比不断变大，应变从钢板交接处开始向四周蔓延，到螺栓孔处，由于截面又发生变化，致使螺栓孔内的应变增长比螺栓孔外部要大。

a 荷载比0.2

b 荷载比0.4

c 荷载比0.6

Fig. 4 Strain diagram of T steel under different load ratio

2.3 时间-应变和温度-应变关系

T型钢时间、温度与应变关系曲线见图5。

a 时间-应变

b 温度-应变

从图5a可以看出，当荷载比为0.2、0.4、0.6时，在ISO834标准升温曲线下， T型钢分别在t为59、54、47 min时应变达到了0.067，此时T型板的应变达到破坏的临界状态，将发生屈服破坏。从上述的分析可知，在达到相同应变的条件下，荷载比越大所需时间就越短。短T型钢连接节点在受火70 min后会发生应急突变，对结构极为不利。

从图5b可以看出，当荷载比为0.2、0.4、0.6时，在ISO834标准升温曲线下，温度分别达到55、51、46 ℃时，T型钢的应变恰巧达到0.067，此时T型板屈服。从临界温度的变化趋势上也可以看出，荷载比对T型钢节点的临界温度影响较大，荷载比增大临界温度相对减少，这对短T型钢结构的抗火性能将产生极为不利的影响。

2.4 耐火时间与耐火温度

由于下T型钢主要位于受火面处，因此属于火灾中结构受到破坏的薄弱位置，在ISO834标准升温曲线下，上T型钢的耐火时间(tn)与耐火温度(θn)如表1所示。

表1 上T型钢的耐火时间与耐火温度

Table 1 Refractory time and temperature of T steel

荷载比tn/minθn/℃0.259550.454510.65746

从表1中可以看出，荷载比增大会导致节点的耐火时间变短，节点的耐火温度也会变小，即荷载比对火灾中钢结构T型钢连接件的受力性能影响较大。

3 结 论

(1)ABAQUS模拟结果显示，靠近火源的下T型板温度始终要比模型加载的ISO834标准升温模型温度低，并在80 min时连接件温度趋于973.7 ℃不变，之后持续的火灾对结构的承载力将不会产生不利影响。

(2)T型板较大应力首先在钢板交接处形成，随着荷载比的增大应变向四周扩散，由此可见钢板交接处是结构的薄弱位置，需通过构造措施加强。

(3)在相同受火时间下，结构同一位置处的应变随着荷载比的增大而增大，荷载比过大会导致节点的应变过早地超过钢材的极限应变而失效。

(4)T型节点的临界温度受荷载比的影响较大，当荷载比增大时，节点的临界温度将会减小，从而影响结构的承载性能。

(5)短T型钢连接节点在受火70 min后会发生应变突变，对结构极为不利。

[1] 李晓东, 董毓利, 吕俊利. 轴心受压H型截面钢柱火灾行为的试验研究[J]. 实验力学， 2005, 20(3): 328-334.

[2] 王 涛. T型钢半刚性连接节点在静载下的力学性能及其加强方式研究[D]. 南宁： 广西大学， 2013.

[3] 黄海棠. T型钢梁柱半刚性连接节点在静载作用下的极限承载力研究[D]. 南宁： 广西大学， 2012.

[4] 李泽深， 李秀梅， 郑小伟， 等. T形钢连接梁柱半刚性节点滞回性能试验研究及数值分析[J]. 建筑结构学报， 2014， 35(7)： 61-68.

[5] 王元清， 张一舟， 舒兴平， 等. 端板连接半刚性节点对多层钢框架设计的影响[J]. 青岛理工大学学报， 2010， 31(1)： 33-37.[6] 舒兴平， 胡习兵. T型钢半刚性连接节点的承载力分析[J]. 钢结构， 2005， 20(5)： 35-40.

[7] 刘 焦. T型钢半刚性连接节点受力性能研究[D]. 沈阳： 沈阳建筑大学， 2008.

[8] 范圣刚， 舒赣平， 霍昌盛. 高强度螺栓受剪连接抗火性能试验研究[J]. 东南大学学报(自然科学版)， 2012, 42(6)： 1180-1186.

[9] Sarraja M, Burgessa I W, Davisona J B, et al. Finite element modeling of steel fin plate connections in fire[J]. Fire Safety Journal, 2007， 42(6): 408-415.

[10] 陈适才， 田相凯， 张 磊， 等. 局部火灾引起整体钢结构倒塌初始破坏机理的试验研究[J]. 防灾减灾工程学报， 2015, 35(1): 113-118.

[11] 王卫永， 杨兴才， 王 彬， 等. 轴心受压钢构件高温下局部稳定设计方法[J]. 重庆大学学报， 2015, 38(3): 47-57.

[12] 王卫永， 何平召. 蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响[J]. 土木建筑与环境工程学报， 2015, 37(5): 41-47.

[13] 王卫永， 李国强， 陈玲珠， 等. 钢筋桁架楼承板钢组合梁抗火性能试验研究[J]. 土木工程学报， 2015, 48(9): 67-75.

[14] 中华人民共和国公安部. GB 50016—2006 建筑设计防火规范[S]. 北京： 中国计划出版社， 2013.

[15] 石亦平， 周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例与讲解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006: 304-305.

(编校 荀海鑫)

Load ratio effect on fire resistance of short T steel connections

JiangFengguo，PanYahao，ZhengZhongyuan

(School of Civil Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

The steel structure damage in fire disasters is not only associated with the strength and stiffness degradation of the steel under high temperature, but also is very sensitive to external load. The study involves analyzing the temperature field of short T steel connections under different load ratio and indirect thermal-mechanical coupling using finite element method for loading ISO834 standard heating curve; performing the theoretical calculation of the ultimate bearing capacity; and ultimately determining the mode of structure failure. The results show that T section steel structures tend to have constant temperature 973.7 ℃ in 80 min after fire occurrence; after that, the sustained fire will not produce any adverse effect on the bearing capacity of the structure; T plate steel plate junctions are more likely to form stress concentration phenomenon, suggesting a larger stress and an easier failure; stress in plate junction tends to increase and extend around as the loading ratio increases, weakening the T section steel mechanical performance under high temperature; and strain in the same location of the structure tends to increase as the loading ratio increases under the same fire time, indicating that critical temperature in T type node is strongly influenced by load ratio; and an increase in loading ratio is followed by a decrease in nodes of the critical temperature. The research could provide a basis for the design of short T steel connections in fire.

T-connection; fire resistance; temperature rising models; finite element method

2017-03-09；

2017-06-05

黑龙江省博士后科研启动金资助项目(LBH-Q13141)

姜封国(1977-)，男，黑龙江省鸡西人，副教授，博士，研究方向：结构可靠性分析和防灾减灾，E-mail:jiangfg123@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.016

TU391

2095-7262(2017)05-0526-05

A