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火灾是当今世界上严重威胁人类生存和发展的常发性灾害之一。钢结构有着很多的优点,但其不耐火。钢结构在火灾烈焰下,构件温度迅速上升,当钢材温度达到400℃时,屈服强度降至常温下的一半;钢材温度达到600℃时,钢材基本丧失全部强度和刚度。因此当钢结构建筑没有采取防火措施或防火保护不够的情况下,一旦发生火灾,结构极易遭到破坏甚至垮塌,严重威胁人的生命与财产安全。
在钢结构的设计中,节点是保证钢结构安全的重要环节,而正确理解和把握连接节点在火灾下的受力、变形和刚度特征是保证节点安全的关键。节点连接按柱对梁的约束刚度可分为三类:即铰接连接、半刚性连接和刚性连接。为简化计算,特别是简化对整个结构体系的设计计算,通常假定梁与柱的节点连接为完全刚性或完全铰接。而实际工程中的节点形式大多数是半刚性连接,其中外伸式端板连接和短T型钢连接是两种典型的半刚性连接形式。因此,如何确定半刚性连接节点在火灾下的力学性能至关重要,而我国在这方面的研究还不完善,尚处于起步阶段。
本文研究主要针对两种典型的半刚性连接节点即外伸式端板连接和短T型钢连接节点在火灾下的受力特性,进行了4个足尺模型火灾试验,揭示了其在火灾下的构件温度分布规律、结构受力特点与破坏机理等特性,并开展了相应的有限元分析;同时借鉴半刚性连接节点在常温下的极限承载力和初始抗弯刚度的简化计算方法,在对节点材料强度、弹性模量作相应的折减后,得到节点在各温度点的极限承载力和初始抗弯刚度,并采用幂函数模型得到节点的弯矩-转角-温度关系。
试验研究表明,半刚性节点的承载力取决于各组成部分的相对刚度。当梁、柱的刚度大于连接件的刚度时,构件的破坏表现为连接件的破坏;而连接件的承载力则取决于端板(或短T型钢翼缘)和螺栓之间的相对刚度。当两者刚度接近时,破坏模式为两者同时破坏;当端板(或短T型钢翼缘)刚度相对较小时,主要是端板(或短T型钢翼缘)发生破坏;当螺栓刚度相对较小时,主要是螺栓拉断破坏。但在梁上翼缘铺有混凝土板后,混凝土板提供给梁上翼缘受拉区附加的刚度,此时梁下翼缘受压区刚度相对较小,则梁下翼缘发生屈曲破坏或者梁下翼缘处螺栓剪切破坏。
采用有限元ANSYS软件建立的分析模型能较好地模拟外伸式端板连接和短T型钢连接节点在火灾下的温度分布规律和力学性能。采用上述简化计算方法得到的节点极限承载力与转角,与有限元结果吻合较好,即这种方法是可行的。