高温后预制装配式框架梁柱连接节点抗火性能分析

吴 磊

(苏州科技大学，江苏 苏州 215000)

0 前 言

ABAQUS目前主要有以下三种热分析：①顺序耦合热应力分析，构件存在热力场则会产生内部应力，但内部应力与热求解无关，不依赖位移。因此，需要两步分析：首先对构件进行温度场分析，然后在热应力分析时将温度场导入参与分析过程；②完全耦合热应力分析，将温度场与应力场绑定分析，彼此相关；③绝热分析。

1 温度场计算理论及推定方法

1.1 基本假定

1)假定混凝土和钢筋两种材料均是匀质的，也就是材料为理想状态。

2)忽略混凝土材料在升温过程中爆裂对温度的影响。

3)近似认为火灾工况下结构内部温度在沿梁长度方向保持不变，将热传导问题简化为二维问题分析。

1.2 传热学基本原理

根据热力学第一定律：

ΔE=Q+W

(1)

式中，ΔE为系统内能的增加量；Q为热量；W为对系统所做的功。

1.3 初始条件和边界条件

高温工况下热传递包括热辐射、热对流和热传递三种形式，其中热传导是钢筋混凝土构件内部传热的方式。在温度场分析中，将初始温度设置为室温20 ℃，采用四面受火的模拟形式，热传导的形式为热辐射和热对流，热对流系数取25W/(m2·K)，综合辐射系数取0.5，玻尔兹曼常数取5.67×10-8W/(m2·K)4。

1.4 升温曲线及受火温度推定方法

本文所涉及的升温工况均采用我国ISO834标准升温曲线。同时标准升温曲线也可作为推算高温后装配式结构节点温度场，且此种方法是一种可以定量的方法。在火灾后经过现场对构件进行鉴定勘察，以及获得受火密度、火灾现场的环境条件和“等效受火时间”等数据结合起来进行分析，可推定节点的受火温度。

通过这种方法可以推算出结构节点随着受火时间变化的温度，但是，这种方法难以准确地计算出“等效爆火时间”，采用反推的方法计算结果与实际有较大误差。在实际火灾后进行损伤评价时一般采用明火燃烧时间来代替“等效爆火时间”。

2 基于ABAQUS软件的梁柱节点温度场分析

2.1 节点模型建立

预制装配式框结构，研究梁柱节点的抗火性能是对整体结构抗火性能研究的基础。根据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)规范中对装配式节点的构造要求，预制的上下柱钢筋部分通过灌浆套筒连接，混凝土部分采用后浇混凝土连接。梁的叠合面根据规范建议采用矩形截面。本文根据文献[4]中试验所采用的节点组合体配筋和节点尺寸设计进行数值模拟，进而对节点抗火性能进行研究。

节点中梁截面尺寸设计为200 mm×300 mm，梁截面对称配置3#12的HRB400级钢筋，梁钢筋保护层厚度设计为20 mm。

节点中柱截面尺寸设计为300 mm×300 mm,配置8#20HRB400级钢筋，柱钢筋保护层厚度设计为30 mm。箍筋采用φ8@100/200HPB235钢筋，节点梁柱的箍筋间距设计为200 mm，加密区为100 mm。

节点梁端施加荷载大小为F=12 kN竖直向上的集中力，位置距离节点柱外边缘1.52 m，梁端荷载比0.4，节点柱端施加荷载大小为N=400 kN竖直向下集中轴向荷载，轴压比μ=0.3。

本文为简化计算，建模时将灌浆套筒部分简化为spring2非线性弹簧单元。高温工况下，弹簧单元荷载位移曲线参考文献[4]取值，弹簧刚度在inp文件中进行修改。

在节点模型的传热分析中，一般忽略箍筋的传热作用，混凝土模型采用混凝土塑性损伤模型，混凝土、灌浆料采用实体单元DC3D8，钢筋采用三维线性桁架单元DC1D2。混凝土和钢筋之间采用点对点绑定约束，预制混凝土、现浇混凝土、灌浆料之间采用面-面绑定约束。选取六面体线性完全积分传热单元，在传热模型中分析步选择“热传递”。

在力学分析模型中，钢筋和混凝土模块单独建模，单独建模后再进行装配，并根据基本假定，假定钢筋和混凝土之间没有滑移以简化计算，钢筋和混凝土模块之间采用面-面约束进行绑定。混凝土和灌浆料单元选择八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)，钢筋单元选择二节点三维线性杆单元(T3D2)。本文的梁柱节点采用顺序耦合热分析过程，在标准升温曲线的加持下，研究不同时间段各截面的温度场，进行瞬态分析，从而以此为基础可以研究节点梁柱变形。为了不让计算结果不收敛，可能会出现在模拟升温过程中出现钢筋和混凝土材料的热工参数产生变化而影响计算结果，因此，在施加荷载时设置参考点XRP耦合到面上施加集中力。为了使得计算结果更精确，温度场分析中网格密度设置为0.02。

2.2 节点模型温度场分析

在参考文献[4]的试验中，在升温到125 min时，节点梁端变形达到152 mm,此时学者认为节点已经达到了耐火极限状态，当节点达到了耐火极限状态，将认为节点破坏。框架梁柱节点核心区除了混凝土爆裂外，没有其他明显破坏形态，因此，将耐火极限判定为受火125 min。本文节点温度场模拟中以30 min为一个间隔取时间点上构件各截面的温度进而研究节点各截面以及截面上各测点的温度进行分析，通过模拟结果分析得到受火时间在30、60、90、120 min时，框架梁柱节点的温度场分布。

受火时间为30 min时，核心区域内部的温度为30℃，节点外表面最高温度达795℃；受火时间为60 min时，节点保护层最高温度为801.754℃，节点外表面最高温度为914.6℃；受火时间为90 min时，节点外表面最高温度为1 002.6℃；受火时间为120 min时，节点外表面最高温度为1 089℃。将节点处分别从X、Y、Z三个方向切片研究截面的温度场从而确定节点组合体内部整体的温度场分布。

依据文献[4]中试验研究所得出的数据为参考，进行高温工况下框架节点温度场数值模拟，为验证本次数值模拟所得出数据的真实性及可靠性，本文将数值模拟所得到的温度场数据与试验研究所得出的温度分布进行对比研究。在整个构件上取多个截面，并且在每个截面也同样取多个测点来进行温度场分析，从而能够得到不同截面的不同位置的温度-时间曲线进行构件整体的温度场分析，并将其与试验构件得到的温度场分析值进行对比。

本文中通过利用数值模拟方法所得出的节点截面温度场与文献[4]试验节点所得出的节点截面温度场对比研究得到：本文数值模拟所采用的模型本构是较为合适的，数值模拟结果在所取的不同截面和不同测点位置的温度场分析结果与试验数据基本吻合。截面选取位置如图1所示。

图1 节点分割截面分布图

2.3 数值计算值与试验数据误差分析

通过对不同截面不同测点的温度场数值模拟分析取值与试验结果的对比可知，模拟结果与试验结果相对误差在15%以内，两者拟合程度较高。

根据数值计算结果可得，同一截面内，不同的位置由于混凝土保护层厚度不同与热惰性的存在，故同一受火条件下同一时间点的温度场不同，并且由于采用四面受火模拟，各个截面的对称位置处，其温度场相近。在高温工况下，节点组合体的核心区域由于处于核心位置，温度较低从而能够保持较大刚性，不易被破坏，而梁和柱均出现了抗弯能力较大的衰减，直到达到耐火极限。

根据数值计算结果，如图2所示选取其中一个截面绘制了同一截面各测点的温度-时间曲线。

图2 1截面各测点数值计算温度-时间曲线

3 结 论

1)通过顺序耦合瞬态传热分析，装配式梁柱节点的温度场与外荷载无关且温度场分布不受应力和应变的影响。

2)节点梁、柱界面温度相对较高，核心区温度相对较低。

3)整个构件的温度随着受火时间的增加而增加，直至达到耐火极限，并且由于混凝土材料的热惰性，节点由内而外形成了温度场分布梯度，测点温度表现为，同一截面的测点由外向内，各点温度逐步降低。

4)节点组合体核心区的温度在整个模拟过程中不超过400℃。在达到100℃时，温度-时间曲线会出现较为平缓的一段，原因混凝土材料所含的水分在此时受热蒸发，蒸发过程会从周围环境吸热从而带走部分热量，在水分蒸发完之后，节点核心区的温度将随着受火时间继续上升。

5)节点在受火初期，温度-时间曲线的斜率较大，也就是单位时间内温度变化量较大，而随着受火时间的增加，由于混凝土材料的热惰性，曲线曲率减小，也就是单位时间内温度变化量较小，直至节点后期的温度-时间曲线逐渐趋于平缓。

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