矩形钢管混凝土翼缘梁与柱节点的火灾滞回性能

薛景宏，董孝曜，戚兴博，王香

(1东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318； 2黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

中国是世界上地震多发国家之一，地震又易引起火灾等次生灾害，火灾之后钢结构节点会出现较大塑性变形，使得节点承载力下降。地震中结构抗火是世界级的难题，这对于我国钢结构抗震抗火设计提出了严峻的考验。纵观国内外，地震之后常会引起相当规模的火灾，1923年日本关东发生7.9级地震，地震发生时间与准备午饭时间重合，许多房屋发生火灾，造成巨大损失，另外，1927年日本京都府北部发生7.5级地震，地震发生时火灾也发生，共有3427户房屋受损。Gillie M等[1-2]对钢结构框架进行抗火试验并完成有限元模拟，得出高温下钢结构的受力特点；Lamont S等[3]对比了有无防火涂料的钢结构抗火性能；Behrouz Behnam和Hamid Reza Ronagh[4]考虑塑性铰研究了地震和火灾对钢框架的影响；赵金成等[5]用有限元软件采用新的研究方法模拟钢结构的部分梁柱发生火灾后受力能力；陈雪[6]对地震火灾作用下钢框架全过程抗火性能进行了研究，得出一些有意义的结论；李强[7]研究震损后钢管混凝土构件的耐火性能，得出损伤指数是影响钢管混凝土柱震后耐火极限的重要参数；张哲等[8]研究得出在同一加载比例下，钢管混凝土柱的耐火时间一般随钢管强度的增加而减少，随着混凝土强度的增加而增加；李雨城等[9]研究得出随着温度的升高，十字形截面钢管混凝土柱的轴向变形的变化率有逐渐减小的趋势。

矩形钢管混凝土翼缘梁已经受到有些学者关注，它与钢柱组成的结构体系中梁柱节点是重要的结构部位，但对其火灾滞回性能研究较少，因此，本文以矩形钢管混凝土翼缘I型梁与柱节点为研究对象，研究其火灾滞回性能，从而为这种形式的结构抗火设计提供理论基础。

1 构件设计和材料属性

1.1 构件设计

为了研究矩形翼缘组合梁(RCFSTF)与正常工字型钢(Q345)组成节点滞回性能，根据GB 50017-2017《钢结构设计规范》[10]确定构件截面，如图1所示。

图1 构件截面Fig.1 Member section

采用《建筑构件耐火试验方法》[11]中的升温曲线，初始温度设为20 ℃，其计算公式为T=20+345lg(8t+1)，结果如图2所示。

图2 标准升温曲线Fig.2 Standard time/temperature curve

1.2 构件的材料属性

在我国一般的厂房和门式钢架等结构中，为了既满足设计要求又满足成本要求，一般采用Q235级钢材，其常温下的弹性模量E=2.1×1011N/m2，采用双折线本构，如图3所示。

图3 钢材本构Fig.3 Steel constitutive

常温下混凝土本构采用福州大学刘威博士论文[12]中所示的关系，而高温下目前还没有统一的规范给出混凝土和钢材的导热系数、热膨胀系数和比热等参数，欧洲EC2、EC3的相应公式[13-14]在国内外被广泛采用，所以本文根据欧洲规范EC2、EC3选取材料属性，钢材和混凝土的本构采用文献[13-14]中的相应公式。

2 有限元模拟

2.1 构件的计算模型和加载曲线

计算简图如图4所示，柱顶采用300 kN的轴压力，梁端采用循环加载(位移荷载)，循环加载曲线如图5所示。

图4 计算模型Fig.4 Computational model

图5 循环加载曲线Fig.5 Cyclic loading curve

2.2 构件的有限元模型

本文算例采用ABAQUS有限元软件进行建模，以及模型柱底释放一个转角模拟平面内的铰接，柱顶释放一个转角和位移模拟滑动铰支座。梁和柱之间采用焊接，有限元中用绑定等效这种关系。

图6 有限元模型Fig.6 Finite element model

2.3 结果与分析

通过对10组节点进行仿真分析，得到应力云图和滞回曲线，见图7-9和表1，其中，云图红色区域为高应力区域。

图7 变形图Fig.7 The deformation diagram

图8 不同温度下滞回曲线对比Fig.8 Comparison of hysteresis curves at different temperatures

图9 不同类型节点的滞回曲线Fig.9 Hysteresis curves of different types of joints

类型升温时间(温度)常温5 min(576 ℃)10 min(678 ℃)15 min(738 ℃)纯钢能量/J930.037113.22851.71043.928变化率—0.8780.5430.150RCFSTF能量/J776.173298.645161.124138.101变化率—0.6150.4610.143纯钢与RCFSTF变化率-0.1651.6382.1162.144

(1)两种情况的高应力区域变化有区别。

纯钢节点处红色区域主要出现在节点内部，随着温度的增加，节点处的红色区域越来越大，应力主要集中在节点内部。而矩形翼缘组合梁节点处红色区域常温时出现在节点梁端，随着温度升高红色区域有迁移到节点内部趋势，但是不明显。无论哪种结构形式，为了使得节点可以更好地满足力学要求，需要对钢柱加强防火处理，或者采用钢管混凝土柱。

(2)无论是纯钢节点还是矩形翼缘组合梁节点，温度变化对节点的影响较大。

对纯钢节点，随着温度不断升高，耗能量分别是930.037、113.228、51.710、43.928 J，耗能变化率分别为87.8%、54.3%和15.0%。表明随着温度的增高，纯钢节点的滞回性能和耗能能力是逐渐降低的，因为温度的变化使得钢材的弹性模量和屈服应力等材料属性降低，致使节点变“软”，耗能能力降低，温度变化越大，耗能能力的变化越大。

对矩形翼缘组合梁节点，随着温度不断升高，耗能量分别是776.173、359.645、161.124、138.101 J，耗能变化率分别为61.5%、46.1%和14.3%，耗能量的变化趋势与纯钢节点变化相同。表明随着温度升高，纯钢节点变化比矩形翼缘组合梁节点变化大，因为钢材对于温度变化的敏感性比混凝土要强，使得矩形翼缘组合梁节点的刚度下降比纯钢节点慢。

(3)常温下纯钢节点的耗能能力优于矩形翼缘组合梁节点，而在高温时矩形翼缘组合梁节点比纯钢节点的耗能能力明显更优。这是由于虽然钢材高温时刚度降低明显，但是依然对上翼缘梁中混凝土具有较强的包裹作用，使得矩形翼缘组合梁节点刚度下降较少。

3 讨论

(1)本文研究发现，滞回曲线随温度升高越来越水平，随着位移增加，塑性出现越来越早。李俊华等[15]通过节点研究得出：荷载小于屈服荷载时，试件的加载与卸载刚度没有显著变化；荷载达到屈服荷载后，荷载—位移曲线进一步向水平轴偏移，加载与卸载刚度明显降低。本文研究发现，梁端荷载较小时构件基本处于弹性阶段，随着荷载的不断增大，塑性区出现并逐渐增大，这与文献[15]中结果相似；本文研究进一步发现，随着受火时间增加，塑性出现越来越快。因此，在实际抗火设计中需要考虑到火灾中构件的急速塑性化。

(2)本文研究发现，随着温度升高，滞回环面积变小。李国华等[16]采用型钢混凝土柱和钢筋混凝土梁进行3个试件试验，得到的滞回曲线均呈现S形，表现出剪切破坏特征，有明显的“捏缩”效应，说明试件在加载过程中受到较大的滑移影响。本文研究对象为上翼缘钢管混凝土梁与钢柱组成的节点，滞回环更加饱满，耗能能力也更优，这是由于钢管混凝土与钢组成的节点具有优良的滞回性能。因此，建议在实际中尽量采用这种结构形式。

(3)钢材和混凝土性能随温度变化程度不同，导致钢管混凝土梁中钢管与混凝土破坏情况不同。霍静思等[17]试件轴压比较小，弹塑性阶段后，经历比较长的接近水平的强化段，发生钢梁严重屈曲，出现明显的下降段。本文构件轴压比不大，出现的现象与文献[17]大致相同，发现了上翼缘钢管混凝土梁中两种材料破坏规律，常温下梁首先发生混凝土压碎，然后钢材屈服，而高温下梁首先发生钢材屈服，混凝土破坏较轻，这是因为钢材较混凝土的性能受温度影响更大，所以应对钢材进行防火处理。

4 结论

(1)滞回曲线随温度升高越来越水平，塑性出现越来越早。随着受火时间和梁端荷载增加，构件性态由弹性发展为塑性，并且温度越高，塑性发展得越快。

(2)常温时纯钢节点比矩形翼缘组合梁节点滞回曲线更饱满；高温时矩形翼缘组合梁节点滞回性能下降速率明显低于纯钢节点，使得矩形翼缘组合梁节点滞回曲线更饱满。

(3)常温下梁混凝土破坏先于钢材屈服；高温下梁钢材屈服先于混凝土破坏，保持节点刚度，使上翼缘钢管混凝土梁与钢柱组成的节点具有较好的耗能性能。

(4)在实际工程中，建议采用矩形翼缘组合梁。