（机械设计及理论专业论文）外伸端板连接火灾下非线性响应分析.pdf

摘要 采用大型通用有限元分析软件a n s y s 对火灾下外伸端板连接的纯钢节点及组合节 点进行了数值模拟，分析中考虑了材料非线性、几何非线性及接触菲线性等多种非线性 因素的影响，试验结果验证了分析模型的正确性和可靠性。用非线性有限元分析方法及 弹塑性力学理论分析了节点域内各参数变化对节点耐火极限、破坏模式及变形的影响， 根据分析结果提出了一些对于今后设计有参考意义的建议。本文主要做了如下几个方面 的工作。 研究了不受保护及部分保护情况下节点域内温度场的分布规律及其对节点的转动 能力、变形和破坏模式的影响，得到了转角一温度关系曲线和m i s e s 应力分布云图。发 现对节点施加部分防火保护，可明显地提高节点的耐火极限，改善节点在火灾下的工作 状态。 端板的厚度对节点的耐火极限及转动刚度的退化速度有一定的影响。端板厚度小于 柱翼缘厚度时，节点的转动刚度随温度的升高退化的较快。大于等于柱翼缘厚度后，在 4 8 0 前端板厚度对转动刚度的退化速度影响不大。端板厚度较小时，端板与柱翼缘的 抗弯刚度不相匹配，端板受拉部位脱离柱翼缘，产生明显的塑性变形，导致螺栓承受偏 心拉力，承受附加的撬力作用；当端板厚度和柱翼缘厚度相近时，端板和柱翼缘抗弯刚 度相当，变形协调，撬力作用可以忽略。若在承拉处设置加劲肋，即使端板厚度和柱翼 缘厚度相近也会产生较大的撬力，但柱在火灾下的稳定性却得到很好的保护。因此建议 在设计时适当增加端板的厚度，使其与柱翼缘厚度相近；对承拉加劲肋的设置应综合考 虑其对螺栓变形及柱稳定性的影响。 整体结构中，节点处受到梁轴向温度内力的作用。其变形及转角明显小于孤立节点 的情形。因此整体结构中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 的耐火极限高很多，这一点在节点的耐火设计时应予以考虑。 荷载大小相同的情况下，正弯矩作用下由于承拉区位于梁下翼缘附近其温度较高， 而负弯矩作用下承拉区位于梁上翼缘附近其温度较低。因此与负弯矩荷载作用相比，正 弯矩作用下节点的转动刚度随温度的升高退化的较快，其耐火极限低于负弯矩的情形。 研究了组合节点的温度场分布及组合效应对节点转动能力和耐火极限的影响，得到 了转角一温度曲线和m i s e s 应力分布云图。研究表明：由于压型钢板一混凝土楼板和梁的 栓接及楼板的连续性产生的组合效应，增强了节点的转动刚度，耐火极限明显高于纯钢 节点。 关键词：有限元分析；非线性；半刚性节点；温度场；耐火极限：组合节点 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 fe x t e n d e de n d p l a t ec o n n e c t i o n sp u r es t e e la n dc o m p o s i t ej o i n t 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 dc o n t a c t n o n 1 i n e a r i t yw a st a k e ni n t oa c c o u n t t h ef 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 y t e s t sr e s u l t s t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sp a r a m e t e r so fj o i n t so nf i r er e s i s t a n tc a p a c i t y , f a i l u r em o d e sa n d d i s t o r t i o nw e r ei n v e s t i g a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h e o r yo fe l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t y t h es 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 t h ef o l l o w i n gc o n t e n t sw e r es t u d i e di n t h i sp a p e r 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 n a lc a p a c i t ya n df a i l u r em o d e so fu n p r o t e c t e da n dp a r t i a l 。p r o t e c t e dj o i n t sw e r ea n a l y z e d r o t a t i o n t e m p e r a t u r ec u r v e sa n dm i s e ss t r e s s d i s t r i b u t i o n w e r eo b t a i n e d f i r er e s i s t a n c ea n dl o a d i n gc a p a c i t yi nf i r eo fj o i n tc a nb eo b v i o u s l ye n h a n c e d b yp a r t i a lp r o t e c t i o n t h ei n f l u e n c e so fe n d - p l a t et h i c k n e s so nf i r er e s i s t a n tc a p a c i t ya n dd e g e n e r a t er a t eo f r o t a t i o n a ls t i f f n e s so nj o i n t sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：o w h e ne n d - p l a t e t h i c k n e s si sl e s st h a nc o l u m nf l a n g et h i c k n e s s ，t h er o t a t i o n a ls t i f f n e s so fj o i n t s d e g e n e r a t e r a t ed e s c e n df a s t e rw i t ht e m p e r a t u r er i s i n g ，i fe n d p l a t et h i c k n e s si st h i n n e ral o tt h a nc o l u m n f l a n g e ，t h e nt h eb e n d i n gs t i f f n e s so fe n d p l a t ea n dc o l u m nf l a n g ed o e s n tm a t c h ，t h et e n s i l e p a r to fe n d p l a t ed e v i a t e sc o l u m nf l a n g ea n db r i n ga b o u to b v i o u s l yp l a s t i cb e n d i n gd i s t o r t i o n ， w h i c hr e s u l t si nb o l t ss u b j e c t i n gt oe c c e n t r i ct e n s i l el o a da n da d d i t i o n a lp r y i n gf o r c e ( 参i f e n d p l a t et h i c k n e s si sm o r et h a nt h i c k n e s so fc o l u m nf l a n g e ，t h e na n ym o r ei n c r e a s i n go f e n d p l a t et h i c k n e s sa l m o s th a sn oe f f e c to nr o t a t i o n a ls t i f f n e s sb e l o w4 8 0 0 c ，a n dt h ee n d p l a t e d e f o r m a t i o nc o r r e s p o n d sw i t ht h ec o l u m nf l a n g ef o rt h ej o i n tw i t h o u ts t i f f e n e r s ，t h ep r y i n g f o r c ec o u l db ei g n o r e d ( 要) b o l t sw o u l ds u b j e c tl a r g e rp r y i n gf o r c ef o rt h ej o i n tw i t ht e n s i l e s t i f f e n e re v e ni nt h ec o n d i t i o no fc o l u m nf l a n g eh a v i n gt h es a m et h i c k n e s sw i t ht h ee n d p l a t e ， b u tt h es t a b i l i t yo fc o l u m ni sm a i n t a i n e di nf i r e s ot h ee n d - p l a t et h i c k n e s ss h o u l db ee q u a lt o o rm o r et h a nt h et h i c k n e s so fc o l u m nf l a n g e ，a n dt h ee f f e c to ft e n s i l es t i f f e n e ro nb o l t s d i s t o r t i o na n dc o l u m ns t a b i l i t ys h o u l db ec o n s i d e r e dt o g e t h e r i ns t r u c t u r e ，t h ed i s t o r t i o na n dr o t a t i o no fj o i n t sw h i c hs u b j e c ti n t e r n a lt h e r m a la x i a l f o r c ei sl e s st h a ni s o l a t e dj o i n t s s ot h er e s i s t a n tf i r ec a p a c i t yo fj o i n t si ni n t e g r a ls t r u c t u r ei s h i g h e rt h a nt h ei s o l a t e dj o i n t s t h ei n t e g r a le f f e c to nj o i n tf i r er e s i s t a n c es h o u l db ec o n s i d e r e d i nj o i n tf i r er e s i s t a n c ed e s i g n b e c a u s et h eb o t t o mf l a n g et e m p e r a t u r ei sa l w a y sh i g h e rt h a nt h et o pf l a n g e ，t h e d e g r a d a t i o nr a t eo fr e s i s t a n c ed i s t o r t i o ns t i f f n e s si nt h et e n s i l ea r e ao ft h ej o i n ti nt h ec a s eo f s u b j e c t i n gh o g g i n gm o m e n ti sa l w a y sq u i c k e rt h e nt h ec a s eo fs a g g i n gm o m e n t ，i t sf i r e r e s i s t a n c ei sl e s st h a nt h ej o i n ts u b j e c t e dh o g g i n gm o m e n t t h e r o t a t i o n t e m p e r a t u r ec u r v ew a s o b t a i n e db yr e s e a r c ho ft h et 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 n a lc a p a c i t yo fc o m p o s i t ej o i n t t h er e s e a r c hi n d i c a t e sf i r er e s i s t a n c eo f t h ec o m p o s i t e j o i n t si sb e t t e rt h a np u r es t e e lj o i n t sb e c a u s eo ft h ec o m p o s i t i v e e f f e c to fr e i n f o r c e ds l a ba i l d b e a ma sw e l la si n t e g r a le f f e c t k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；n o n l i n e a r i t y ；s i m i - r i g i dj o i n t ；t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ； f i r er e s i s t a n c e ；c o m p o s i t ej o i n t 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，也不包含为获得墨盗墨墨太鲎或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：- 帆年 f 月f 乡日 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。特授权墨盗墨墨盘堂 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) 学位论文作者签名 名嘶t 孤芋、 签字日期：知诏年f 月i ；日 签字日期：叼年1 月j 歹日 第一章绪论 1 1 钢结构抗火的研究背景 第一章绪论 钢结构建筑具有很多优点，比如强度高，自重轻，基础省，抗震性能好，同时也可 标准化生产，现场施工安装速度快，大量节约土地资源，环保效果好。因此，在我国的 工业厂房、大型公共设施和高层建筑方面钢结构得到了广泛的应用，近年来在住宅楼中 钢结构应用也有了很大的发展。 钢材虽为非燃烧材料，但并不耐火，高温下钢材的性能会有很大的变化。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 丧失全部强度和刚度，而一般火场的温度为8 0 0 c , - 一1 0 0 0 。c ，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。国内外这方面的例子很多【1 】： 1 9 6 7 年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾钢结构屋顶被烧塌；1 9 7 0 年美国5 0 层的纽 约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲l o a m 左右；1 9 9 0 年英国一幢多层钢 结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁，钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏。1 9 9 8 年北 京玉泉营家具城发生火灾，造成该建筑物整体倒塌。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 1 1 事件，2 0 0 1 年9 月1 1 日美国纽约1 1 0 层，高4 1 2 m 的世贸中心双塔楼遭受恐怖 分子劫持的飞机撞击。在飞机撞击大楼后约一个小时，南北两塔楼原地坐塌，死亡和失 踪人员约4 0 0 0 人。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， 当飞机撞进大楼之后，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厦坍塌。 火灾也导致了巨大的经济损失。据统计，2 0 0 1 年美国和日本的火灾伤亡已经占到 了国名经济总值的0 8 0 和0 7 8 i2 。1 9 9 6 年我国共发生火灾3 6 8 5 6 起，死亡2 2 2 5 人， 伤3 4 2 8 人，造成直接经济损失1 0 2 9 0 8 5 万元1 1 j 。随着人们物质生活水平的提高，装修 也越来越高档，其中使用了大量的可燃性材料，增大了火荷载密度，使得火灾发生的概 率和危险性也不断的增加，如何降低火灾发生的概率和火灾带来的损失一直是人们比较 关注的话题。 由此可见，对钢结构的抗火性能的研究已经成为工程界迫切需要解决的问题。 第一章绪论 1 2 国内外钢结构抗火设计研究概况 国外对钢结构的抗火性能的研究开展的较早，从单一构件到子结构直至整个结构都 进行了大量的工作，试验研究和理论分析都得到不断发展。英国曼彻斯特大学的 t c h l i u 教授对梁、柱子结构体系的研究比较全面，进行了试验和理论研究。在他的 试验中，梁受火，柱和梁、柱节点不受火，发现在试验过程中，梁的工作状况与没有约 束的梁明显不同，梁的轴向膨胀受到约束，因而梁产生轴向压力，使梁变成压弯构件； 由于梁截面刚度发生变化，梁产生内力重分布；温度梯度引起的变形受到约束，产生附 加内力。最后，由于梁的横向变形大于轴向膨胀，梁产生轴向拉力，此时产生悬链线效 应1 3 圳。由于约束梁的工作性能十分复杂，存在着几何和材料非线性，所以约束梁的理 论分析只能用复杂的有限元方法，目前还没有简单方法量化约束梁的工作性能。在子结 构试验中，很难模拟楼板对梁的约束，并且也不能考虑空间作用的影响，因而只有进行 整体结构的火灾试验才能对梁的抗火性能有全面的了解。目前，唯一的结构整体火灾试 验是在英国c a r d i n g t o n 进行的一座八层钢框架的试验【6 j ，试验得出的结论与标准试验的 结果有很大差别，由于相连构件的影响，梁的挠度比标准试验时的小，并且梁也不会发 生整体失稳破坏1 7 j l 引。 自2 0 世纪8 0 年代以来，国际范围内对钢结构的抗火研究越来越广泛、深入，美国、 日本、英国、德国、瑞典等在结构钢的高温性质、钢梁、钢柱和钢框架的抗火试验与理 论研究方面取得了大量成果。但是，目前国内外学者的研究对象主要是单个结构构件的 耐火性能，而对于钢结构连接节点抗火性能的研究相对比较少。最近两年国内外才开始 进行了一定的研究，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，国内的同济大学和青岛 建工学院都对钢结构端板连接、组合节点和高强螺栓连接进行了理论研究。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，便于应用。同济大学和m a n c h e s t e r 大学采用 有限元的方法进行模拟计算。 近年来，国内外学者对节点火灾下的响应做了一些研究，主要集中在： 一、为了确定连接构件受拉区域在高温下的力学性能，对t 型构件进行了实验研究 和理论分析。这些研究结果使我们能够更好地理解节点构件的高温性能，使描述节点响 应的构件模型达到了令人满意的精度。 二、对连接节点的研究集中在三个方面实验研究、简化计算法和非线性有限元分析， 一些能够预测节点全部反应的分析模型迅速发展，人们提出了不同类型的分析和模拟方 法，其中包括对钢节点和组合节点分析的简单曲线拟合法、简化分析法和复杂的有限元 模型方法等，使人们对节点行为的认识得到了进一步的提蒯9 1 。 国内外对端板连接在常温下的结构性能进行了大量的试验与理论研究。早期的研究 主要以试验与简化计算方法为主，着重于了解连接的承载力和初始转动刚度。自2 0 世 纪8 0 年代后，有限元方法开始越来越多地用于分析端板连接的全过程受力反应，对各 影响参数进行了大量的参数分析，并在此基础上将弯矩一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【l o l 。 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 第一章绪论 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，高强度螺栓连接的性能将对钢结构抗火性能有重 要影响。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1 1 1 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也很少。因 此，为减轻钢结构建筑在火灾中的损坏，减少人员伤亡和财产损失，对钢结构高强度螺 栓连接抗火性能进行研究，具有理论意义和实用价值。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，他们采用一系列正交的弹簧单元来模拟滑移或摩擦【1 2 j 1 1 3 j 。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【1 4 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。从九十年代开始，国外对钢结构螺栓连接高温性能进行 了一些理论分析和少量试验研刭1 5 儿1 6 】。但目前对钢结构高强度螺栓连接在高温下的性能 还缺乏系统的研究。 1 3 目前国内外研究存在的问题 钢结构抗火研究已经取得一定的成果，但是仍有许多亟待解决的问题。与国外相比， 国内无论是在数值分析还是在实验研究上都相对滞后。现在大多数对结构耐火时间的研 究都是基于i s 0 8 3 4 升温曲线确定，而真实火灾与火荷载密度、通风条件、建筑形式等 因素密切相关，i s 0 8 3 4 曲线并不能反应火灾的真实情况；以单独构件是否达到火灾下 的极限状态来确定结构的耐火时间，因未考虑整体结构中构件的相互影响，因而是不真 实的；传统的结构抗火设计是一种格式化的设计方式，规范对特定情况下的结构抗火设 计要求作出了明确的规定，设计人员仅限于被动的选择【r 7 1 。 另外，建筑物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，例如梁一柱节点耐火性能的研究缺 乏系统深入的研究。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【l 引。 钢结构中的端板连接是利用构件端部焊接端板与另一构件的端板或柱翼缘连接的 节点形式，通常有外伸式、平齐式和内缩式。试验表明：现在实际工程中运用的全部连 接形式所具有的刚度，都处在完全刚性和理想铰接的两种极端情况之间，而端板连接 更是典型的半刚性连接，特别是在火灾下由于材料强度和刚度随温度的退化，导致节点 的柔性不断增加，对整体结构的变形、受力及耐火极限产生不容忽视的影响，因此若在 结构的耐火设计中仍按刚接处理，将使其耐火极限偏于不安全。我国钢结构设计规范对 于半刚性连接要求考虑节点刚度的影响，但由于缺乏计算理论和方法，我国目前都是 将端板连接按刚性节点进行设计，与节点的实际受力状态相差很大【1 9 j 。 第一章绪论 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 一柱节点耐火性能的研究则尚少见。此外，研究梁柱节点的耐火性能也是研究框架结构 和整体结构在火灾下力学性能和抗火设计方法的前提和基础i 删。 对于整体钢结构抗火性能理论研究，大部分工作集中在用数值方法模拟火灾下钢结 构的结构反应，但对火灾下整体结构中节点的反应、承载能力和破坏特性缺乏深入、系 统的研究【2 0 1 。钢结构连接是钢结构的一个基本组成部分，对整个结构的受力与安全性具 有重大影响，一旦连接发生破坏，结构构件再强也不能发挥作用。因此深入地研究节点 火灾下的反应及破坏机理是研究整体结构火灾下力学性能和抗火设计方法的前提和基 础。目前，国内外对于连接节点在火灾下受力性能的研究还很不完善，各国钢结构抗火设 计规范【2 卜2 4 1 对这一方面的规定或为空白或相当粗略，仅以“与邻近构件的最大防火要求 相同”作为连接节点抗火设计的指导。 当前，关于钢结构连接节点抗火性能的研究大多集中在弯矩作用下孤立节点抗火极 限、破坏模式及弯矩一转角一温度关系的研究，研究方法可分为三种：试验研究、简化计 算法以及有限元分析。 一、实验研究： 9 0 年代以来国外对钢结构中梁柱连接节点的抗火性能进行了大量的试验研究。1 9 9 0 年l a w s o n 对齐平端板、外伸式端板及单板腹板节点进行了火灾试验，研究端部约束对 钢梁耐火性能的影响瞄】。1 9 9 7 年l e s t o n - j o n e s 等做了9 个齐平端板连接节点试验【矧，1 9 9 8 年a i j a b r i 等对齐平端板、内缩式端板，内缩式端板组合节点的抗火性能进行了一系列 试验研究【2 7 】。目的是研究节点构造及参数对节点火灾下破坏模式，耐火极限、抗弯承载 力及转动能力的影响。2 0 0 4 年s p y r o u 等对4 5 个t 型构件( t - s t u b ) 受拉和2 9 个横向受 压柱腹板进行了试验研究圆j ，研究了升温下节点承拉( 弯) 区及承压区的受力与变形， 并对简化的t 型件力学模型进行了理论分析，给出点域内承拉( 弯) 区三种可能的失效 模式。2 0 0 5 年英国s h e f f i e l d 大学宣布他们将与曼彻斯特大学合作对拉、弯联合作用下节 点的响应进行试验研究【2 9 j ，以考察升温阶段悬链作用对节点响应的影响。 我国对钢结构连接节点抗火性能的试验研究和理论分析都相对较少，起步较晚。在 2 0 0 5 年，哈尔滨工业大学及青岛建工学院的董毓利等对外伸式端板连接中端板厚度、加 劲肋对边节点及中节点转角一温度关系的影响进行了试验研究和理论分析【3 0 , 3 1 j 。同济大 学的楼国彪等【3 2 】在2 0 0 6 年对外伸式端板连接的中节点进行了恒载升温的试验研究。 试验分析研究为深入了解结构火灾下的响应及破坏情况，验证有限元分析模型的可 靠性，发展有限元分析方法及简化计算法提供保贵的数据，是一种极其重要的研究手段。 二、简化计算法： 该方法主要是采用解析的方法求节点的弯矩一转角一温度关系，并用于结构的抗火设 计。最早的分析模型为双线性、三线性及多线性模型。e i r i m w i 在1 9 9 7 年采用改进的 r a m b e r g o s g o o d 表达式【3 3 j ，给出了三参数模型，式中的三参数分别表示节点的强度、 刚度及形状系数。根据试验结果推算出强度、刚度随温度升高的折减系数，得到弯矩一 转角一温度的关系曲线族。该公式后来被l e s t o n j o n e s 及a i j a b r i 所采用，发展为分段的 非线性三参数模型研究内缩式端板连接节点的弯矩一转角一温度关系【3 剞。a i - j a b r i 和我 第一章绪论 国同济大学的王卫永【3 5 】【3 6 】提出了根据室温下节点试验得到的弯矩转角关系，把材料的强 度及刚度随温度升高进行折减，得到升温过程的弯矩一转角一温度关系曲线。 近年来开始用组件法( c o m p o n e n tm e t h o d ) 来研究升温条件下节点的弯矩一转角一温度 关系及温度对初始转动刚度的影响。该方法是用一系列的串并联弹簧表示节点内各组件 相应的刚度，进行等效处理，再把材料的强度及刚度随温度升高而退化计入到刚度的影 响中即得到各温度下的弯矩转角关系【3 7 4 2 1 。 三、非线性有限元分析方法： 有限元分析能涵盖各种非线性因素及高度超静定结构的影响，更加准确地计算连接 的极限承载力与转动能力，给出温度一弯矩一转角关系，还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) ，模拟加载全过程反应、 跟综连接节点的塑性发展历史、局部屈曲失稳的发展过程，给出节点的破坏模式。还可 进行大量的变参数分析、弥补试验数据有限之不足，可节省昂贵的试验费用，具有独到 的优势。这一方法已被广泛地用于研究连接节点、单个构件、钢框架结构及整体钢结构、 钢筋混凝土结构火灾下温度场分布、变形、受力及耐火极限的研究，其可靠性已得到国 际、国内专家的认可1 4 3 j 【矧。 t c h l i u 是第一个用有限元模型模拟火灾下节点的响应【4 5 1 1 4 6 1 。他采用8 节点壳单元 模拟所有板件，螺栓则采用一维的杆单元模拟，用特殊单元模拟端板与柱翼缘的相互作 用，分析中考虑了几何非线性及材料非线性的影响，研究了螺栓尺寸、个数及分布对节 点变形及受力的影响。r a h m 柚m 、s a r r a j l 4 8 * n a i j a b r i l 4 9 】等分别应用a n s y s 及地q u s 软件包中的三维实体单元建立了单板腹板齐平端板连接的有限元分析模型，考虑了节点 内各部件间的接触及摩擦，对节点升温过程的失效模式及弯矩一转角一温度关系进行了 研究。 同济大学的楼国彪1 3 2 j 等利用a n s y s 分析软件采用三维实体单元、面面接触单元及 预紧力单元等建立了外伸式端板连接精细的计算模型，并对节点进行瞬态热分析及结构 分析，研究了应力比对节点耐火极限和转角一温度关系的影响。天津理工大学的郝淑英、 杨秀萍1 5 0 。5 1 j 等在t c h l i u 有限元分析模型的基础上，在节点处考虑了接触非线性及螺栓 预紧力的作用，应用热弹塑性理论及板壳结构稳定性理论对节点火灾下的破坏过程，受 压部分的局部屈曲进行了理论分析，给出了弯矩一转角一温度关系。 上述研究都是针对弯矩作用下的孤立节点，梁的温度应变不受约束，没有轴向温度 内力产生，为静定结构。其受力特征与室温下几乎相同，因此其变形及破坏机制也与室 温下几乎完全相同。 。 整体结构中的连接节点在火灾下为高度超静定结构，存在很强的内力重新分配及轴 向温度内力的作用【5 2 j | 5 3 j ，例如：受火部位与未受火部位的相互作用、温度的非线性分布 导致同一时刻节点域内各处材料具有不同的应力应变关系，局部失稳，几何非线性引起 的二阶弯矩等都会引发内力重新分配。其受力为拉( 压) 弯联合作用，同时伴有内力重 新分配等多种动态的非线性作用力。 综上所述，我国对钢结构节点抗火性能的试验及设计方法研究还处于起步阶段，远 第一章绪论 远落后于欧美等发达国家。国外对钢结构连接节点火灾下非线性反应的试验研究对象还 限于孤立节点，抗火理论分析、有限元分析以及节点极限承载力的设计计算方法等都没 有考虑结构整体性及降温阶段的影响，不能反应处于整体结构中节点火灾下及火灾后真 实的受力、变形与刚度特征。但在火灾下整体结构由于大变形引发的几何非线性、附加 弯矩、温度轴力、及梁节点域附近的局部屈曲等都将引起整个连接的内力重分布，对连 接火灾下的响应产生极大的影响，是不可忽略的。 1 4 高强螺栓端板连接的工作特性 1 4 1 端板连接的构造及种类 高强度螺栓端板连接是钢结构中最广泛采用的连接方式之一，主要用于刚框架、轻 钢门式钢架中的梁柱连接、梁梁拼接等，端板在制造厂与钢梁翼缘、腹板相焊接，然后 在现场用螺栓与钢柱翼缘( 梁柱连接) 、或端板( 梁梁连接) 相连接，螺栓大多采用高 强度螺栓，以提高连接承载力及连接刚度。根据端板的位置和大小的不同，端板连接可 分为两端外伸式、一端外伸式( 通常受拉侧外伸) 、齐平式和内缩式等四种( 参见图1 - 1 ) 。 对于梁柱连接，为了避免钢柱腹板发生局部屈曲，可在钢柱腹板设置加劲肋( 参见图 卜2 ) ，设置加劲肋后，钢柱翼缘由无加劲肋时的“悬臂板件”变为“侧向三相支撑板件， 因此弯曲变形很小，并由此而影响端板、螺栓的受力，连接的刚度增大很多。传统的钢 框架分析和设计通常都假定：连接为完全刚性，或为理想铰接。事实上，所有实际连接 既非完全刚性，也非理想铰接，而是介于这两种极端情况之间，即为半钢性连接【5 4 j 。 ( a ) 两端外伸式( b ) 一端外伸式 c ) 齐平式( d ) 内缩式 图卜l 端板连接种类 第一章绪论 ( 1 ) 无加劲肋 1 4 2 半刚性节点的特性 ”横向加劲肋c ) 斜向加劲肋 图1 - 2 梁柱端板连接的加劲肋设置 半刚性连接是由众多组件( 板件、螺栓等) 构成，其受力性能是各组件结构性能及 其相互作用的综合体现，故影响参数很多，如各组件的几何尺寸于构造措施、材料性能、 预拉力的大小以及连接的具体受力等。各组件间的相互作用使得端板连接受力十分复 杂：任一组件的屈曲都将引起整个连接的内力重分布，甚至引起整个连接的破坏； 由于端板、钢柱翼缘的柔性，使得接触面的接触状态以及压力分布在整个受力过程中变 化很大，接触面压力呈线性分布；端板、钢柱翼缘的柔性会导致“撬力作用效应 。 如图1 - 3 所示，使螺栓承受附加撬力，甚至出现“受弯 这种十分不利的工作状态1 5 引。 l ， 图1 - 3 螺栓的撬力作用 1 5 钢结构抗火设计方法 建筑火灾发生的频繁性和它对钢结构造成严重的危害性，因此对钢结构进行可靠的 防火安全设计十分重要。对于钢结构建筑而言，防火设计不仅仅是一个建筑设计问题， 通过结构抗火设计使其具备建筑防火规范所规定的耐火时问已成为业界的共识。目前对 钢结构进行抗火设计有两类方法： 一、基于试验的抗火设计方法 这种方法以试验为设计依据，通过进行不同类型构件在规定荷载分布与标准升温条 第一章绪论 件下的耐火试验，确定在采取不同的防火措施( 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相应的耐火时间。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。这种方法的缺陷是试验费用昂贵 且构件的荷载大小、分布及约束情况很难做到与实际完全相同。 二、基于计算的构件抗火设计方法 为了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的理论研 究引起了很多研究者的重视，开展了大量的研究。利用有限元方法和经典解析分析方法， 基本上建立了能考虑任意荷载形式的端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这 种方法已被英国、澳大利亚、欧盟等国家( 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( d g 御0 8 一0 0 8 2 0 0 0 ) 也采用这种方法。 结构的主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 着整体结构的破坏。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。 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尚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。 总之，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。大约在本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。目前，国内外对结构的 研究也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，节约花在试验上的费用。 1 6 课题的来源及意义 1 6 1 课题来源 本课题来源于天津市高校科技发展基金资助项目( 2 0 0 4 0 5 0 5 ) ，火灾科学国家重点 实验室资助项目( h z 2 0 0 5 k f 0 5 ) 。 第一章绪论 1 6 2 课题研究意义 半刚性连接承载性能好，构造简单，施工快捷，质量比较容易得到保证，在实际工 程中已经得到广泛应用。但由于半刚性连接的复杂性和多样性，规范中对半刚接钢框架 做出详细设计规定的国家寥寥无几，我国现行的高层民用建筑钢结构技术规程 ( j g j 9 9 9 8 ) 中暂无这方面的规定，也缺少相应的理论研究支持。 利用大型有限元分析软件a n s y s 进行数值模拟分析，得到半刚性节点的温度和应 力分布情况，并和实验曲线对比。验证分析方法的正确性和可靠性，同时进行变参数研 究，进而用正确的建模和分析方法来研究半刚性节点的抗火性能，不但节约了人力物力 的投入，又减少了实验的经济投入的目的，同时也为规范的修订提供依据。 同时对于我国今后进一步进行半刚性结构的深入研究，制定完整的组合结构设计规 范，以及指导工程设计与实践具有重要的意义，也有利于促进结构形式的多样化，适应 我国经济建设迅速发胀的需要，以及普及提高我国地震区建筑物的抗震性能具有积极的 作用。 本课题通过对火灾下的钢框架结构的连接行为进行数值模拟研究，来掌握半刚性连 接的连接性能。此研究必将有力的促进我国钢结构抗火设计的发展，并为防灾减灾做出 直接贡献。 1 7 本文的主要研究内容、研究特色及创新点 1 7 1 研究内容 一、半刚性节点火灾下灾变过程分析 采用三维实体单元建立精细准确的有限元分析模型。 应用弹塑性力学理论采用理论分析与有限元分析相结合的方法研究半刚性节点 的构造方式及参数的选取对结构耐火极限及破坏模式的影响。 研究火灾下连接结构组件的局部屈曲和屈服引起的内力重分配以及螺栓群的“撬 力作用效应 对结构破坏模式的影响。 连接节点处螺栓群的受力形式及其随温度的变化规律及其对结构破坏模式的影 响。 正负弯矩大小和轴向温度内力对节点火灾下响应的影响。 二、组合节点火灾下的响应 采用三维实体单元建立精细准确的组合节点的有限元分析模型，研究楼板的组合 作用对节点耐火极限的影响。 ， 第一章绪论 1 7 2 研究特色及创新点 一研究特色： 首先用现有的实验结果验证数值分析结果，以保证分析模型及分析方法的正确性， 在此基础上采用数值分析与理论分析相结合的方法研究各种构造的半刚性节点及半刚 性组合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。 实验研究是科学研究必不可少的研究手段，也是非常重要的手段之一，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。 二创新之处： 研究了不受保护及部分保护情况下节点的破坏特征及耐火极限，发现对节点施加 部分防火保护，可明显地提高节点的耐火极限，改善节点的工作状态。 研究了端板厚度的选取及承拉加劲肋的设置对节点耐火极限、破坏模式以及柱火 灾下稳定性的影响，为节点耐火设计中参数的优化提供了依据。 研究了结构的整体效应对节点火灾下的变形及转角的影响，发现整体结构中的节 点的耐火极限明显高于孤立节点的试验及有限元分析结果，因此若以孤立节点的 耐火试验及有限元分析结果作为设计依据，偏于保守。 研究了组合节点火灾下的行为。 第二章传热学和非线性有限元分析基本理论 第二章传热学和非线性有限元分析基本理论 2 1 传热学基本理论 2 1 1 热传导的微分方程 热量从物体的一部分传递到另一部分，或从一个物体传入与之接触的另一物体，都 称为热传导。在热传导理论中，把物体当作是连续的介质。在热传导过程中，物体所占 有空间的每一点都对应着一个确定的温度值，它的总体就在这个空间里形成了温度场， 它是个数量场。一般来说，物体里的温度随空间点的位置变化外，还随时间变化，这样 的温度场叫不稳定温度场或非定常温度场。在直角坐标系中它可以表达为； t ；t ，y ，z ，f ) ( 2 1 ) 如果温度场各点的温度不随时间变化，就称它为稳定地温度场或定常温度场，这时 o t o t ：0 ，温度场只是空间坐标的函数，在直角坐标系中