（机械设计及理论专业论文）柔性钢节点火灾下响应分析.pdf

摘要 利用有限元分析软件a n s y s 对高温下内缩式端板连接和柔性剪力板连接进行了数 值模拟分析，分析中考虑了材料非线性、几何非线性及接触非线性等多种非线性因素的 影响。在验证分析模型的正确性和可靠性的基础上，对连接节点的抗火性能影响因素做 了变参数研究，并根据分析结果提出了一些对于今后设计有意义的建议。主要做了以下 研究工作： 1 内缩式端板连接非线性有限元分析 对内缩式梁柱端板连接节点在火灾下的响应进行了数值模拟和理论分析，并对荷载 比、端板厚度、受火工况和轴向约束等影响连接节点抗火性能的因素做了变参数研究。 研究表明柱施加防火保护可有效地降低节点域内的温度，提高连接节点的临界温度 及极限抗火时间。连接初始转角随着荷载比的增大而增大，临界温度随着荷载比的增加 而减小。连接节点初始转动刚度和临界温度随着端板厚度的增加而增大，连接初始转角 和刚度退化速度随厚度的增加而减小，同时端板厚度的增加加剧了端板与腹板的焊接处 应力集中程度。整体结构中，节点处受到梁轴向温度内力的作用，其相同温度下的变形 及转角明显小于孤立节点。梁下翼缘屈曲后，其连接特性表现为“简支，中跨挠度将 急剧增大。考虑轴向约束节点的耐火极限比根据孤立节点的火灾实验及有限元分析得到 的耐火极限高。 研究了内缩式端板连接组合节点火灾下的响应。 2 柔性剪力板连接非线性有限元分析 研究了节点温度场分布规律及升温条件下考虑轴向约束时节点的变形规律、破坏过 程和破坏模式。 对连接耐火性能的影响因素进行了分析，研究了悬链线作用、荷载类型、载荷大小、 加劲肋厚度及剪力板与腹板厚度比对梁耐火极限的影响。 研究表明腹板最上排螺栓孔受挤压，发生延伸变形为剪力板连接失效的最主要形 式。螺孔延伸有利于增加连接柔度，容许大变形的发生。进入大变形阶段后，连接轴向 约束压力变为约束拉力，轴向拉力阻止钢梁自身进一步变形，发生了悬链线效应。荷载 类型和荷载率对剪力板连接抗火性能有决定性影响，经过数值模拟发现总荷载中集中力 荷载所占比例越高，及荷载率越高，剪力板连接的抗火性能越差。在工程中为保证肋板 对集中力荷载的承载力要求，建议肋板厚度取一倍于梁翼缘厚度。为提高连接柔度，建 议选择与腹板等厚的剪力板，同时在保证螺栓不被剪断的前提下，适当加大腹板厚度， 有利于连接抗火性能的提高。 关键词：抗火；有限元分析；内缩式端板连接；柔性剪力板连接；悬链线作用； a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l e x i b l ee n d p l a t e sc o n n e c t i o n sa n df i np l a t es h e a rc o n n e c t i o n s u n d e rf i r ew a ss u c c e s s f u l l yd o n eu s i n gf e ms o f t w a r ea n s y s g e o m e t r i c ，m a t e r i a la n d c o n t a c tn o n - l i n e a r i t yw a st a k e ni n t oa c c o u n t f i n i t ee l e m e n tm o d e l sw e r ev a l i d a t e db yt e s t s r e s u l t s ，a n a l y s i so fv a r i e t yo fp a r a m e t e r sw h i c hh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nf i r er e s i s t a n tc a p a c i t y o fj o i n t sh a db e e nm a d e ，a n ds u g g e s t i o n st h a tb e n e f i tf o rd e s i g nw e r ep r o p o s e d f o l l o w i n g c o n t e n t sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r ： 1 n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ff l e x i b l ee n dp l a t ec o n n e c t i o n s t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，r o t a t i o nc a p a c i t ya n df a i l u r em o d e so ff l e x i b l ee n dp l a t e c o n n e c t i o n si nf i r ew a si n v e s t i g a t e d b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r ya n a l y s i s 。功e i n f l u e n c e sf a c t o r st of i r e - r e s i s t a n tc a p a c i t yw e r em a i n l yi n v e s t i g a t e df r o mf o u ra s p e c t so fl o a d r a t i o ，e n d p l a t et h i c k n e s s ，f i r ec o n d i t i o n ，a x i a lr e s t r a i n t r e s e a r c hs h o w st h a tt h ef i r ep r o t e c t i o nt oc o l u m ni se f f e c t i v ei nl o w e r i n gt h et e m p e r a t u r e o ft h ej o i n t s ，r a i s et h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r ea n dl i m i tt i m eo ff i r e r e s i s t a n t t h ec o n n e c t i o n s i n i t i a lr o t a t i o na n g l ei n c r e a s e sw i t ht h el o a di n c r e a s e s ，w h i l et h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s a st h el o a di n c r e a s e s w i t ht h ee n d p l a t et h i c k n e s si n c r e a s i n g i n i t i a lr o t a t i o ns t i f f n e s sa n d c r i t i c a lt e m p e r a t u r eo fc o n n e c t i o ni si n c r e a s i n g ，o nt h ec o n t r a r y , i n i t i a lr o t a t i o na n g l ea n dt h e r a t eo fd e g r a d a t i o no fc o n n e c t i o n s s t i f f n e s sd e c r e a s e s b u tt h ei n c r e a s ei nt h et h i c k n e s so ft h e e n dp l a t ee x a c e r b a t e ds t r e s sc o n c e n t r a t i o no fj u n c t i o nb e t w e e nt h ee n dp l a t ea n dt h ew e b w e l d i n g t h ew h o l es t r u c t u r e ，b e c a u s eo fe f f e c to ft h ei n t e m a lb e a ma x i a lt e m p e r a t u r ef o r c e c a u s e db ya x i a lr e s t r a i n t ，i t sd e f o r m a t i o ni ss m a l l e rt h a ni s o l a t e d j o i n t s ，b u ti t sc r i t i c a l t e m p e r a t u r ei sh i g h e r w h e nb e a m sb o t t o mf l a n g eb u c k l i n go c c u r s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o n n e c t i o ni sc h a r a c t e r i s t i c e db y ”s i m p l ys u p p o r t e d ”，t h e n ，c r o s s - d e f l e c t i o nw i l li n c r e a s e d r a m a t i c a l l y c o m p o s i t ej o i n to ff l e x i b l ee n dp l a t ec o n n e c t i o n si nf i r ew a si n v e s t i g a t e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 2 n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ff i np l a t es h e a r sc o n n e c t i o n s j o i n t s t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o n ， s t r u c t u r a ld e f o r mr e g u l a t i o n ，d e s t r u c t i o n p r o c e s sa n dp a t t e r nw e r er e s e a r c h e di nb a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fs t r u c t u r ea x i a lr e s t r a i n t i nt h eh e a t e dc o n d i t i o n s t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gf i r e - r e s i s t a n tc a p a c i t yw e r ea n a l y z e df r o mf o l l o w i n ga s p e c t s ， c a t e n a r i e sa c t i o n ，t y p eo fl o a d ，l o a ds i z e ，s t i f f e n e rt h i c k n e s sa n dt h er a t i oo fs h e a rp l a t e t h i c k n e s st ob e a mw e b r e s e a r c hs h o w st h a te l o n g a t i o no ft h eh i g h e s th o l e si nt h eb e a mw e bi st h em a i n p a t t e r n o ff a i l u r e t h ee l o n g a t i o ni n c r e a s e dj o i n tf l e x i b i l i t y , a l l o w i n gl a r g e rd e f o r m a t i o n sw i t h o u t f u r t h e rf r a c t u r e w h e nc o n n e c t i o nc o m ei n t ot h ep h a s eo f l a r g e rd e f o r m a t i o n s ，a x i a lf o r c et u r n i n t ot h et e n s i l ef o r c e ，p r e v e n tt h ef u r t h e rd e f o r m i tm e a n st h a tc a t e n a r i e sa c t i o no c c u r l o a d s t y l ea n dl o a di e v e lh a v ead e c i s i v ei m p a c to nf i r e r e s i s t a n tc a p a c i t y a f t e rn u m e r i c a i s i m u l a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h ec o n n e c t i o n sw i t ht h eh i g h e rr a t i oo fc o n c e n t r i cf o r c ei nt o t a l l o a da n dh i g h e rl o a dr a t eh a v et h ew o r s ef i r e r e s i s t a n tp r o p e r t i e s i no r d e rt oe n s u r et h el i m i t c a p a c i t yo fs t i f f e n e r , i ti ss u g g e s t e dt oc h o o s et h i c k n e s so fs t i f f e n e ra st h es a m ea sb e a m f l a n g e b e a mw e bc h o o s et h es a m et h i c k n e s sa sf i np l a t et oi m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo f c o n n e c t i o n o nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h es a f l yo f b o l t ，i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so ft h ew e b a p p r o p r i a t e l yc o u l di m p r o v et h ec o n n e c t i o n s f i r e r e s i s t a n tc a p a c i t y k e yw o r d s ：f i r e 。r e s i s t a n c e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；f l e x i b l ee n d p l a t ec o n n e c t i o n s ； f i np l a t es h e a rc o n n e c t i o n s ；c a t e n a r ya c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 叁盗堡墨太鲎 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 摊舣储粕2 新咖街啪：川膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨洼堡墨盘至 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 卟导师签名：由暾焱 p 签字日期：1 年3 月 眵 甩 勤 相 名 年 签鹋 者 沙 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 世界各地经济的不断发展，也为现代建筑的发展注入了活力，由于钢结构建筑拥有 重量轻、强度高、延性大、抗震性能好、施工速度快、构件截面小密闭性好、结构净空 大、环保、综合经济指标好等优点，使得钢结构建筑不涌现，且越来越多的占据了超高 层、大空间等大型建筑的市场。自1 8 8 5 年芝加哥建起第一座高5 5 米的钢结构大楼以后， 一幢幢高层、超高层钢结构建筑如雨后春笋般拔地而起i lj 。到目前为止，世界上高度为 2 0 0 米以上的1 0 0 栋超高层建筑中钢结构建筑约占了7 9 。著名的钢结构建筑有法国巴 黎的埃菲尔铁塔，日本东京的东京塔，美国芝加哥的西尔思大厦，纽约的帝国大厦，中 国香港的中银大厦以及前纽约世贸中心大厦等。 改革开放以来，随着综合国力的增加和国际间技术交流与合作的加强，我国建筑结 构应用技术得到了蓬勃发展。最近几年的资料表明，在我国已建成的1 0 0 多幢超高层建 筑中钢结构约占了7 ，由此可以预测，随着我国城市现代化的发展，钢结构在我国建 筑业的应用具有非常广阔的前景。 然而同样令人关注的钢结构安全问题中，抗火的重要性是不言而喻的。生产钢结构 虽然优点很多，但有个致命弱点是不耐火，高温下钢材的性能会有很大变化。温度为4 0 0 的时候，钢材的屈服强度将降低至室温下强度的一半，温度达到6 0 0 ，钢材基本上 丧失全部刚度和强度【2 j ，而一般火场的温度为8 0 0 1 0 0 0 ，所以当钢结构建筑没有采 取防火保护的时候，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。对于高层建筑而言，由于其 “烟囱效应 使得火灾发生时火势很难控制，造成的危害更大，损失最大的莫过于2 0 0 1 年的“9 1l ”事件。2 0 0 1 年9 月1 1 日，美国纽约1 1 0 层，高4 1 2 米世贸中心双塔楼遭受 恐怖份子劫持的飞机撞击。在飞机撞楼后约l 小时，南北两塔楼原地坐塌，死亡和失踪 人数约4 0 0 0 人，直接经济损失高达数百亿美元。究其原因：撞击南北两塔楼的飞机均 携带几十吨的高级航空燃油，当飞机撞入大楼后，使得飞机油箱破裂，几十吨燃油迅速 燃烧起来，火灾使室内温度高达8 0 0 1 4 0 0 ，造成被撞部分的钢结构体系因高温作 用而失效，使得上部结构自然下落，巨大的冲击力导致大楼坍塌。由此可见，对钢结构 的抗火性能进行研究已经成为工程界迫切需要。 第一章绪论 1 2 钢结构抗火设计方法 1 2 1 钢结构抗火设计目的和意义 钢结构抗火设计的目地就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极 限，在火灾高温下，结构钢的强度和刚度都将迅速降低，而火灾升温迅速，故无防火保 护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此，钢结构抗火设计的一般要求是如何定量地确定 防火保护措施，使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。 进行结构抗火设计具有如下意义【3 j ： 1 减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难； 2 为消防部门修改耐火设计规范提供依据； 3 减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。通 过对结构抗火设计方法的研究找到一种适用的抗火设计方法，可以保证结构在火灾下确 实能达到规定的耐火极限，也可以保证耐火设计的安全性；同时还能使耐火保护的措施 恰到好处，不过分的富裕，即达到耐火设计的经济性。这是具有非常重大的意义的。 1 2 2 钢结构抗火设计方法演变 为满足结构抗火的要求( 具体为耐火时间要求) ，需进行结构抗火设计。随着人们对 结构抗火认识的不断深化和结构抗火计算与设计理论的不断深入，结构抗火设计的方法 也在不断发展。对钢结构，其抗火设计的方法可以分为以下四个阶段【4 j 。 1 基于试验的结构抗火设计方法 这种方法以试验为设计依据，通过进行不同类型构件( 梁和柱) 在规定荷载分布与标 准升温条件下的耐火试验，确定在采取不同防火措施( 如防火涂料) 后构件的耐火时间。 通过进行一系列的试验可确定各种防火措施( 包括同种防火措施不同防护程度，如不同 防火涂料厚度) 相应的构件耐火时问。进行结构抗火设计时，可根据构件的耐火时间要 求，直接选取对应的防火保护措施。基于试验的构件抗火设计方法，简单、直观、应用 方便。最初各国钢结构的抗火设计均采用这种方法。实际上，目日 我国现行建筑设计 防火规范( g b j l 2 8 7 ) 关于钢梁和钢柱防火措施要求，正是基于这种方法。然而，基于 试验的构件抗火设计方法存在严重缺陷，这种缺陷源于对下列因素的影响很难加以考虑： ( 1 ) 荷载分布与大小影响 在荷载大小相同的条件下，无偏心的轴压柱的耐火时间将比偏心受压柱的耐火时间 长；而在荷载分布相同的条件下，显然荷载越大，构件耐火时间越短。由于实际结构构 件所受的荷载分布与大小千变万化，结构各构件的实际受载状态与试验的标准受载状态 很难完全一致。 ( 2 ) 构件端部约束状态的影响 构件在结构中受到相邻其他构件的约束，构件的端部约束状态不同，构件的承载力 及火灾升温所产生的构件温度内力将不同，而这两方面对构件的耐火时间均有重要的影 响。结构中构件端部约束状态同样千变万化，试验很难准确和全面的加以模拟。 2 第一章绪论 因此，研究先进的适合我国的钢结构抗火设计方法将成为我国抗火设计者面临的重 要课题。 2 基于计算的构件抗火设计方法 为考虑荷载的分布与大小及构件的端部约束状态对构件耐火时间的影响，可按所设 计结构的实际情况进行一系列构件的耐火试验，但这样做的费用非常昂贵。为解决基于 试验的构件抗火设计方法存在的问题，钢结构构件抗火计算理论研究引起了很多研究者 的重视，开展了大量研究。理论研究以有限元为主，也有的采用经典解析分析方法，基 本建立了能考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种方 法已经被英国、澳大利亚、欧共体等国家( 组织) 的钢结构设计规范采用。我国上海市标 准钢结构防火技术规程也将采用这种方法。其计算过程如下【5 】： ( 1 ) 采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度； ( 2 ) 计算构件在确定的防火措施和耐火极限下的耐火温度； ( 3 ) 采用确定高温下钢的材料参数，计算结构中的该构件在外载荷和温度作用下的内力； ( 4 ) 进行荷载效应组合； ( 5 ) 根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算； ( 6 ) 当假定当防火被覆厚度不适合时，可以调整防火被覆层厚度，重复( 1 ) ( 5 ) 步骤。 3 基于计算的结构抗火设计方法 结构的重要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味 着结构整体的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引 起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构 倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理。目前结构 火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范 采纳。 4 考虑火灾随机性的结构抗火设计方法 现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气 升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随 机性。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法是有待研究的一个课题，但必将是结构抗火 设计的发展方向。 近二十年来，性能化( p e r f o r m a n c e b a s e d ) 的结构抗火设计方法逐渐成为国外钢结构 抗火设计的新的主流【6 】，这种方法的核心包括以下三个方面： ( 1 ) 确定抗火设计的目标； ( 2 ) 研究为达到此目标可以采取的设计方案； ( 3 ) 通过可靠度和风险评估来选择一个最优方案。 性能化的结构抗火设计方法的主要优点可以概括为以下三个方面： ( 1 ) 性能化设计减少了客户对抗火设计要求的不确定性。性能化设计更着重在抗火工程 的某些具体方面，因为在许多情况下，规范的要求并不能完全符合客户的要求； ( 2 ) 性能化设计使得客户和设计者有机会分析比较许多不同的设计方案，给设计者提供 了很大的灵活性。 第一章绪论 ( 3 ) 使用性能化设计的方法可以更科学的评价结构在受火时的表现，减少不必要的防火 保护的花费。 性能化结构抗火设计以结构在受火时表现出来的某些性能参数来进行抗火设计，不 仅仅考虑结构的计算部分，而是由可燃物最初开始点燃到整个过程的结束，其问所有的 因素都要考虑在内。这样就对设计者提出了更高的要求，虽然现在要完全做到性能化设 计还不太可能，但这种设计方法在抗火设计中更加科学性，代表着结构抗火的新的发展 方向。 1 3 国内外研究现状 国内外对钢结构抗火问题研究主要包含以下几个方面【7 j ：室内火灾的升温过程；钢 结构构件内部升温过程：钢结构材料在高温下的材料性能研究；高温条件下钢结构和构 件的抗火试验和理论研究。 1 室内火灾升温过程 由于室内火灾的发展过程是结构热力响应行为的决定因素，它将导致结构的温升、 强度和变形的发展变化等，所以深入分析建筑火灾的行为规律是非常必要的。室内火灾 燃烧的过程一般分为三个阶段：形成期、发展期和衰减期。形成期是火灾的起始阶段。 在这个阶段的燃烧面积很小而室内温度不高，烟少且流动相当缓慢。发展期是火灾猛烈 燃烧阶段，这一阶段室内处于全面而猛烈的燃烧状态。衰减期是火焰逐渐冷却的阶段。 当前研究中普遍应用的温度时问曲线为国际标准化组织规定的标准火灾曲线 ( i s 0 8 3 4 ) 。但这种温升曲线并未考虑具体失火房间影响火灾状况的各个因素，如火灾 荷载、通风系数等。由于上述这些参数对火灾轰燃后的时间。温度曲线影响很大，因而 对结构构件在火灾中承载力的影响不可忽略【嚣j 。所以i s 0 8 3 4 曲线并不能反应火灾的真 实情况 9 1 。目前国际上流行的描述实际的室内火灾升温曲线的概念是“等效曝火时间”， 它是以等效爆火时间t c 。代替标准升温曲线的时间坐标t ，通过等效爆火时间将实火灾与 标准火联系起来。这种概念既反映了火灾对结构的破坏程度，又能保持标准的火灾升温 曲线的实用行，可最大限度地方便科研和工程实际应用i 孓引。此外，大空间建筑火灾中 升温过程是目前国内外研究的热门方向，文献【1 0 】 1 3 】对大空问建筑火灾中温度及烟 气的传播进行了一定的试验研究和理论研究。 2 高温下材料性能研究 钢结构材料在高温下的材料性能研究，在国外以欧洲规范e c c s 为代表。各国分别 对高温下钢材的导热系数、比热、热膨胀系数、密度、应力应变关系、屈服强度和弹 性模量等性能进行了研究。欧洲钢结构协会e c c s 、英国规范b s 5 9 5 0 ：p a r s t 、澳大利亚规 范a s 4 1 0 0 、欧洲规范e u r o c o d e 3 等均提出了高温下钢材的屈服强度和弹性模量的模 型。文献 1 4 】综述了高温下不同钢材的比热、导热系数、弹性模量和应力应变关系，给 出了裸钢和有保护层的钢构件的温升一时间的增量公式，以及英国在标准火灾升温条件 下4 0 0 - 6 0 0 的温升一保护层厚度的公式和温升迟滞时间。文献【1 5 】总结了已有的抗 火设计方法和钢结构防火保护措施、结构构件在火灾条件下的破坏机理；介绍了英国 第一章绪论 c a r d i n g t o n 的8 层钢结构火灾试验的重要结果。 与国外相比我国这方面的研究相对滞后，国内规范还没有正式提出适合我国建筑钢 材的力学性能模型【1 6 7 1 。我国的同济大学、清华大学等分别我国常用q 2 3 5 、q 3 4 5 钢以 及i 、i i 级别钢筋在高温下的性能进行了试验研究l l 列；国内的同济大学曾对1 0 9 级高 强度螺栓材料的高温性能进行了研究【1 9 l ；国内赵金城等【2 0 】对高温下结构钢的应力应变 关系进行了研究，给出了应力应变一温度曲线。 3 钢结构和构件的抗火试验和理论研究 确定钢结构抗火能力的方法一般有两种：一种方法是通过试验来确定，另一种方法 是通过理论计算及数值仿真来确定。 最初人们一般通过试验来确定钢结构抗火承载力和耐火时间。国外对钢结构的抗火 性能的试验研究开展的比较早，研究对象包括构件、节点和整体结构等【2 l j 。早在1 9 3 2 年，英国就已经开始了针对单根钢构件的受火试验【2 引。英国的s h e f f i e l d 大学和 m a n c h e s t e r 大学等对钢结构中的半刚性节点以及组合节点火灾下的弯矩转角关系进行 了实验研究和理论分析。1 9 9 0 年英国的b r o a d g a t e 火灾，结构的整体性以及由于温度而 在整体结构中产生的附加应力得到了人们的重视。处于结构中的梁的破坏形态与单个构 件的梁的破坏形态有较大区别，当考虑梁的悬链线效应时，其抗火承载力明显提高1 2 3 。 1 9 9 5 一- 1 9 9 8 年，英国钢铁公司进行了著名的卡丁顿试验【2 l2 4 2 引，试验设施为8 层的钢 结构框架，试验先后进行了6 次，获得了大量关于整体结构火灾反应的资料，对以后结 构抗火设计具有重要的指导意义。此外，美国、日本、新加坡等国家和地区也相继进行 了大量的试验研究，这些试验主要为了研究结构在火灾下的破坏特征，为验证分析方法 提供依据。英国的b r e 和澳大利亚曾经进行过足尺模型的钢结构抗火性能试验研究， 其中影响最大是b r e 试验。我国主要同济大学组织进行了钢梁、组合梁、钢柱、钢骨 混凝土柱等的抗火性能试验研究【2 引，青岛建工学院进行了钢柱抗火性能研究，同济大学 还进行了约束钢梁的抗火性能试验，研究边界条件对钢结构抗火性能影响。 对于钢结构的抗火性能理论研究，国外的分析方法多是采用数值方法来分析钢梁在 火灾下的反应。大约在上世纪六十年代末到八十年代初的二十年间，国外在通过理论分 析和计算确定结构构件的力学性能和热力学性能方面取得了很大的进展。日本、德国、 瑞典、比利时、英国、加拿大等国家也先后建立了各自的结构防火设计规范。但是由于 结构受火时工作情况的复杂性，这些方法还较少直接用于工程实践中。文献【2 7 】给出了 单根构件火灾下分析的一些基本要素，并给出了考虑不同约束，不同温度梯度和荷载分 布的简单计算公式。文献【2 8 】对梁柱连接的节点性能进行了试验研究和有限元分析。文 献 2 9 】分析了火灾下整体结构中梁柱的反应，提出了以整体结构为抗火分析对象的必要 性。国内多采用解析法来推导计算：文献 3 0 】按照塑性铰分析来确定钢梁的高温承载力； 文献 3 】采用解析的方法通过对目前我国钢结构设计规范的稳定系数引入折减系数的办 法来给出高温下钢梁钢柱的稳定计算公式。国内的同济大学研究了高温下不同类型钢 梁、钢柱的极限承载力验算方法1 3 1 3 2 j 。 目前，国内外对结构的研究主要集中于在如何预测整个结构在真实情况下的结构反 应方面，以达到用理论分析预测代替试验来确定结构抗火能力的目的，节约花在试验上 第一章绪论 的费用，但钢结构火灾特性的研究与火灾下结构响应的研究存在脱节的现象，对火灾下 整体结构的反应、承载能力和破坏特性缺乏深入、系统的研究。以往国内外学者的研究 对象主要是单个结构构件的耐火性能，但结构节点，例如梁柱节点耐火性能的研究尚 少见，但研究梁柱节点的耐火性能也是研究框架结构在火灾下力学性能和抗火设计方法 的前提和基础d 3 j 。 钢结构高强度螺栓连接具有施工简单、耐疲劳、可拆换、能承受动力荷载等优点， 是钢结构中所广泛采用的一种连接方式。钢结构连接的性能对整体钢结构的工作性能具 有重大的影响。钢结构在连接处一旦发生破坏，就会影响到钢结构整体的工作性能，甚 至使其完全丧失承载力。因此在火灾下，节点处高强度螺栓所表现的力学性能将对钢结 构抗火性能产生重要影响。最近两年国内外进行了一些连接节点抗火性能研究，英国的 s h e f f i e l d 大学【3 2 j 和m a n c h e s t e r 、国内的同济大掣3 5 】都对钢结构端板连接、组合节点和高 强度螺栓连接进行了试验和理论研究，s h e f f i e l d 大学采用了结构力学的方法，概念比较 清楚简单。同济大学和m a n c h e s t e r 大学均采用有限元的方法进行模拟计算。然而目前， 我国对钢结构抗火性能的研究还主要集中在对整体框架和单个梁、柱等构件的分析上 5 , 3 6 j ，对于高强度螺栓连接的抗火性能研究还非常有限；国外对常温下的螺栓连接性能 虽然有较多的研究，但对高温下高强度螺栓连接的性能研究相对较很少。 钢结构抗火试验研究可方便、简单和直观地测试构件和结构在各种载荷和约束条件 下的材料参数、测点的动态温度曲线以及应力和变形随温度的变化，为理论分析和数值 计算提供更科学的分析参数和准确的验证依据，但依靠试验研究进行钢结构的抗火分析 和设计会存在严重缺陷，这是因为：试验的操作过程难以控制且需要人为地确定边界条 件和加载情况，一般无法有效反映结构突变情况和全过程的反应分析；试验结果离散程 度较大，在不同的燃烧炉进行的试验结果差异也会很大。此外，单个构件的试验无法模 拟杆件受到端部约束的影响，也无法反映整个结构的抗火行为；而足尺寸的钢结构抗火 试验研究非常耗费时间和金钱，且一些大型试验无法重复1 8 j 。 与之相比，计算分析【4 】方法主要是利用数值分析和有限元模拟手段对高温下构件和 结构进行研究。国内外在建筑结构抗火数值模拟领域的研究范围很广，在构件层次和结 构整体方面，既有精细的数值方法又有简单实用的拟合公式计算，还有经典的解析分析 方法等。对于连接节点分析，有限元分析不仅能够更加准确地计算连接的极限承载力与转 动能力，能够更清楚地了解连接的细部受力( 如接触面状态和接触压力分布的变化、应力 集中的部位等) ，而且还能够模拟加载全过程反应、观察连接的塑性发展历史并得到连 接的肛联系曲线。采用有限元方法可对各个参量进行大量的参数分析、弥补试验数据 有限之不足，因此可节省昂贵的试验费用，具有在此基础上将弯矩转角关系曲线数学模 型化，用于考虑连接实际柔性的结构整体分析【l4 1 。对钢结构螺栓连接的分析理论研究始 于七十年代。最初，有限元模型采用二维等参元模拟板；采用三个杆单元模拟螺栓( 其 中两个受拉、一个受剪) 。分析中考虑材料非线性，采用v o n - - m i s e s 屈服准则。在钢板 接触面上，他们采用一系列j 下交的弹簧单元来模拟滑移或摩擦【3 n3 8 l 。九十年代，开始采 用三维块单元，并考虑几何非线性和材料非线性【3 9 1 。广泛采用a n s y s ，a d i n a ， a b a q u s 等有限元分析程序。 6 第一章绪论 1 4 本文主要研究内容、研究特色及创新点 1 4 1 研究内容及安排 高温下高强度螺栓连接节点的性能研究相对较少，梁柱内缩式端板连接相关资料和 研究更少，而现已查到的火灾下柔性剪力板连接研究的文章只有一篇。 由于算法与计算规模的限制，在以往螺栓连接结构的有限元分析中，螺栓通常使用 有限元简化模型，像螺栓的预紧力、孔边接触应力等方面的问题都没有解决。在总结以 往螺栓连接的模拟方法的前提下，建立了螺栓联接的精细模型，考虑螺栓预紧力并利用 有限元软件a n s y s 的非线性接触算法【4 0 】解决节点接触构造等疑难问题。 卡丁顿火灾试验观察到的一个重要现象就是整体结构的抗火承载力要远远大于单 根构件的承载力，研究中发现钢梁两端约束和梁的悬链效应是提高结构抗火承载的主要 原因，对于悬链效应的作用机理还要做迸一步研究。 基于以上问题，本文从设计参数的选择和确定入手，对本文的工作做如下规划： 第一章简要概述了钢结构抗火研究的背景、意义。总结了抗火设计的目的和抗火设 计方法演变的不同阶段，提出了目前抗火设计还存在的问题，并简要介绍了本文的主要 研究方法。 第二章介绍了钢结构抗火研究的基本知识和研究成果，这些基本知识和研究成果是 本文后面的研究基础( 即：建筑室内火灾的燃烧模型和温度发展研究，高温下结构钢的 材料特性，力学特性等) 。 第三章主要介绍了有限元分析理论，分析软件a n s y s 及热结构耦合分析的相关知 识，为后续理论分析提供依据。 第四章采用有限元分析软件a n s y s 对内缩式梁柱端板连接节点在温度场和热力耦 合作用下的响应进行了数值模拟和理论分析，并对弯矩大小、端板厚度、受火工况、轴向 约束等连接节点的抗火性能影响因素做了变参数分析，为工程应用及相关理论研究提供 依据。 第五章对考虑混凝土楼板内缩式梁柱端板连接节点火灾下的响应进行了数值模拟。 第六章建立了螺栓剪力板柔性连接非线性有限元分析模型，在验证模型可靠性的基 础上，研究了节点温度场分布规律及升温条件下考虑轴向约束时节点结构变形规律、破 坏过程和破坏模式并对其耐火性能影响因素如荷载类型、荷载率、肋板厚度和梁腹板与 剪力板厚度比进行了分析。同时研究了悬链作用对梁耐火极限的影响。 第七章总结了本文所做的研究工作，得出了一些主要结论，提出了本文在研究过程 中的不足及缺陷，并且指出了以后研究的方向。 7 第一章绪论 1 4 2 研究特色及创新点 1 研究特色 ( 1 ) 对国内外研究较少的两种柔性连接形式一内缩式端板连接和柔性剪力板连接进 行了数值模拟，在验证分析模型可靠性和正确性的基础上，研究了两种连接节点热力耦 合作用下的力学响应及节点的灾变过程，并进行全面的变参数研究。 ( 2 ) 实验研究是科学研究必不可少的研究手段，但是由于火灾实验研究需要耗费大 量的人力、物力，使得实验的规模和次数受到限制，其结果不能全面地反映结构各参数 的变化对结构极限承载力的影响，具有一定的局限性。本研究采用的数值计算与理论分 析相结合的方法，即能再现实验结果，又能对结构进行系统、深入的分析，既节省了大 量的实验经费，又可为结构的耐火设计提供依据。 2 创新点 ( 1 ) 研究了内缩式端板连接火灾下的转动特性，并对其耐火性能影响因素进行较为 全面的变参数研究。 ( 2 ) 对内缩式端板连接组合节点的组合效应对节点转动能力和耐火极限的影响进行 了研究。 ( 3 ) 研究了柔性剪力板连接的破坏模式，并运用有限元分析与钢结构相关理论相结 合的方法定性的研究了其破坏机理。同时考察了悬线效应对连接抗火性能的影响。 ( 4 ) 对剪力板连接模拟模型的建模方法给出了自己的建议。 ( 5 ) 在内缩式端板连接中比较了是否考虑轴向约束对连接抗火性能的影响，剪力板 连接分析是以考虑轴向约束为前提进行的，如此更加真实地反应了结构的抗火性能，为 整体钢结构的抗火设计提供了依据。 8 第二章高温下钢和混凝土的材料性能 2 1 引言 第二章高温下钢材和混凝土的材料性能 了解材料在高温下的基本性能是分析研究高温下结构的受力性能，判断其安全性的 基础。要分析高温下钢结构、钢一混凝土混合结构的受力性能，必须先确定高温下结构 钢和混凝土的材料特性。 由于钢材是一种均匀性好，高温下化学性质相对稳定的材料，其材料特性试验的结 果稳定性好，高温下钢材材料试验所得到的有关参数的离散性较小。国内外均对高温下 结构钢的材料特性进行了大量试验。 钢材的性能是由它的化学组分及其所经受的一系列加工过程决定的。此外，钢材所 受的外部作用，如各类荷载和气象环境等，对它的性能也有不可忽视的影响。环境温度 对钢材的性能影响非常之大，尤其是对钢材料的力学性能。随着钢材料温度的升高，其 强度和弹性模量急剧下降，因而使得钢结构的抗火问题成为钢结构设计的一个重要内 容。 与钢结构抗火计算相关的钢材性能主要有两个方面，即： 1 高温下钢材料的热物理特性，主要用于钢结构( 构件) 内温度场的计算，具体包括 高温下钢材的热传导系数、比热、密度等参数； 2 高温下钢材的力学性能，主要用于高温下钢结构的内力计算、承载力验算以及变形 计算，具体包括钢材料的热膨胀性能、强度、弹性模量、应力一应变本构关系等。 2 2 高温下钢材的材料性能 2 2 1 热传导系数丑 热传导系数a 。是指在单位温度梯度条件下，单位面积上在单位时间内所传递的热 量，其单位为w ( m k ) 或w ( m ) 。一般来说，钢材的导热系数随温度的升高而 降低，但当温度升高到一定程度，导热系数近似可以看成常数，另外，钢材的种类不同， 导热系数也不完全一样，其中主要是受含碳率的影响，但这种影响几乎可以忽略不计。 英国规范对高温下的导热系数取常值1 4 u ： a , s = 3 7 5 欧洲规范e u r o c o d e 3 1 4 2 1 提出的随温度变化的导热系数为： ；t x = 5 4 3 3 3 1 0 吒t 2 0 。c t ，8 0 0 c 9 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 a ) ( 2 - 2 b ) 第二章高温- 卜钢和混凝土的材料性能 欧洲规范e c 3 提出的不随温度变化的热传导系数为： 丸= 4 5 ( 2 - 3 ) 日本采用的导热系数形式为【4 3 1 ： a s = 5 2 0 8 5 0 5 x 1 0 5 t ( 2 4 ) 我国建筑结构防火设计计算与构造处理 4 5 1 给出了钢材0 - - 一7 5 0 。c 之间导热系数变 化规律： 砧= 5 4