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摘要：钢材对温度敏感性高，在高温下强度和刚度会急剧降低。随着经济和技术的发展，钢结构被广泛的应用，节点是钢框架受力的关键部位，节点的破坏会导致整个钢框架结构的破坏。本文对前人平面钢框架节点高温下的试验进行模拟，验证了运用有限元软件ansys对钢框架节点进行高温下模拟是可行的。在此基础上本文对空间钢框架的抗火性能进行了初步的研究，发现了空间框架边节点和角节点在火灾作用下较易受到破坏；当H型柱腹板与梁连接方向梁端载荷大于H型柱翼缘与梁连接方向梁端载荷时，火灾下角节点较易受到破坏，提出在进行钢框架设计时要加强角节点和边节点的防火保护。
关键字：空间钢结构梁柱节点高温
中图分类号： TU391 文献标识码： A
1 研究背景与意义
钢材的优良性能使其在建筑行业得到广泛应用，但钢材的性能，特别是力学性能对温度的敏感性很强。钢材的耐火性差，在火灾下钢框架会产生严重破坏，因此研究钢框架抗火性能很重要。梁柱节点是钢框架的重要组成部分[1]，也是钢框架组成中的薄弱环节。节点的破坏容易导致钢框架的整体破坏[2]，造成不可估量的损失，因此研究钢框架节点抗火性能尤为重要。
2 研究现状
目前，节点抗火研究的方法主要有试验和有限元分析两种：试验能更真实地研究节点的抗火性能，但需要花费大量资金，得到的结构响应和失效信息也有限；有限元分析不仅可以模拟高温下的节点性能，而且减少研究的时间和经费，另外还可进行大量的参数研究。近年来，国内外学者对钢框架梁柱节点的研究日益增多。李国强等[3]对梁端轴向约束作用下平端板螺栓连接组合节点的抗火性能进行试验研究，试验结果表明在结构中组合节点与梁相互影响、共同作用；DAI等[4]运用Abaqus对10种不同种类的连接形式进行火灾下的模拟，并与试验结果进行对比，发现有限元可以准确描述节点在火灾下发生破坏的全过程；AL-JABRI等[5]通过对一系列梁柱半刚性连接进行抗火试验，得到不同连接形式的弯矩-转角-温度曲线，研究半刚性节点在高温下的力学行为；王卫永等[6]通过试验和有限元分析得到焊接边节点温度-转角曲线，对高温下焊接边节点进行抗火性能研究；李晓东等[7]通过试验得到几种钢框架梁柱节点的温度-转角关系，并对节点在高温下的力学性能进行讨论；隋炳强等[8]通过试验和有限元分析得到几种节点高温下的温度-转角曲线，并对几种节点的抗火性能进行对比分析；BURSI等[9]运用Abaqus模拟梁柱高温下螺栓连接的力学性能。SHRIH等[10]运用ANSYS对平齐式端板连接节点进行抗火分析，得到不同载荷工况下节点的温度-转角曲线，并与试验进行对比。
综合上述研究可知，对节点抗火性能的研究主要集中在对平面钢框架节点的试验和有限元分析上，在实际结构中，钢框架中的梁柱节点是空间的，柱与梁在柱截面的两个方向上均有连接。目前，对空间钢框架的梁柱节点的抗火性能的研究尚少，需通过数值模拟进行定量分析。基于这样的考虑，本文对带有梁柱弱轴连接的空间钢框架全焊接节点进行初步研究，得到不同载荷工况下空间钢框架全焊接节点的温度-转角关系，为空间钢框架全焊接节点抗火设计提供参考。
3 有限元模型的验证
本文对文献[7-8]中的模型进行有限元模拟，模拟时采用ansys软件中的solid45单元。材料本构关系采用理想弹塑性模型简化计算，钢材随高温变化的屈服强度和弹性模量依据欧洲规范EC3选取。有限元加载分2个载荷步：第一載荷步施加梁端集中力和柱端集中力，为避免应力集中，将梁端集中力和柱端集中力等效成均布载荷，分别施加于梁端和柱端；第二载荷步对节点施加温度载荷。
本文计算所得结果与文献[7-8]试验所得结果基本一致，可以合理反映节点受火的性能。故可说明：通过有限元模拟可以合理描述节点高温下的行为。
3 对空间钢框架梁柱节点抗火性能的研究
在实际结构中，框架结构的节点均为空间节点，根据节点在空间上位置的不同，将空间框架中的节点分为四种，分别为角节点，中节点和结构中两个方向上的边节点。在有限元模型验证的基础上，采用相同的建模和加载步骤，对四种空间框架的梁柱节点进行了有限元分析，从变形形态上看， (1)对于有梁连接的柱翼缘，与梁上翼缘对应处的柱翼缘受火外凸，与梁下翼缘对应的柱翼缘受火内凹。这是因为节点处在弯矩作用下梁上翼缘受拉带动相应位置的柱翼缘向外凸出，同时梁下翼缘受压导致柱翼缘相应位置内凹。(2)对于没有梁连接的柱翼缘，其变形较小且较均匀。这是因为这类柱翼缘受到的作用力来自于腹板传递，力经腹板传递后到柱翼缘，导致受拉和受压的区域增大[6]，使没有梁连接的柱翼缘弯曲变形变小。（3）4种空间钢框架节点，与梁连接的柱翼缘的变形形态是一致的，且较无梁连接的柱翼缘变形大。
除此以外还可以发现：空间框架边节点和角节点在火灾作用下随着温度的增加，转角增加较快即较易受到破坏；当H型柱腹板与梁连接方向梁端载荷大于H型柱翼缘与梁连接方向梁端载荷时，火灾下角节点较易受到破坏。
4结论
运用ANSYS对平面钢框架梁柱节点及空间钢框架梁柱节点进行抗火计算，得到以下结论：
(1)对平面钢框架梁柱节点进行计算，所得的结果与文献[7-8]中试验结果吻合，验证本文有限元模型的合理性。
(2)通过对比4种空间钢框架全焊接节点高温下的有限元模拟结果发现，空间钢框架节点中，与梁连接的柱翼缘的变形形态是一致的，且较无梁连接的柱翼缘变形大；空间框架边节点和角节点在火灾作用下较易受到破坏；当H型柱腹板与梁连接方向梁端载荷大于H型柱翼缘与梁连接方向梁端载荷时，火灾下角节点较易受到破坏。
（3）在钢框架结构的抗火设计中，要注意加强边节点和角节点的防火保护。
参考文献
[1] WANG Y C. Steel and composite structures: behavior and design for fire safety[M]. London: Spon Press, 2002.
[2] 余红霞, 刘涛. 美国世贸中心WTC7次梁-柱节点高温下的破坏行为分析[J]. 钢结构, 2010, 25(8): 76-82.
[3] 李国强, 李侥婷, 楼国彪. 梁端受框架约束的平端板连接组合节点抗火性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2011, 32(4): 125-133.
[4] DAI X H, WANG Y C. Numerical modelling of structural fire behaviour of restrained steel beam-column assemblies using typical joint types[J]. Eng Structures, 2010, 32(8): 2337-2351.
[5] AL-JABRI K S. Moment-rotation-temperature curves for semi-rigid joints[J]. J Constructional Steel Res, 2005, 61(3): 281-303.
[6] 王卫永, 董毓利, 隋炳强. 焊接钢框架边节点抗火性能试验[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2007, 37(2): 240-244.
[7] 李晓东, 董毓利, 高立堂, 等. 钢框架边节点抗火性能的试验研究[J]. 实验力学, 2007, 22(1): 13-19.
[8] 隋炳强, 董毓利, 王卫永, 等. 钢框架中柱刚节点抗火性能试验研究[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2007, 37(4):651-655.
[9] BURSI O S, JASPART J P. Benchmarks for finite element modelling of bolted steel connections[J]. J Constructional Steel Resh, 1997, 43(1-3): 17-42.
[10] SHIRH A, ADEEB R, AL-JABRI K S. Finite element analyses of flush end-plate connections between steel beams and columns at elevated temperatures[J]. Advances Struct Eng, 2009, 12(3): 311-324.
关键字：空间钢结构梁柱节点高温
中图分类号： TU391 文献标识码： A
1 研究背景与意义
钢材的优良性能使其在建筑行业得到广泛应用，但钢材的性能，特别是力学性能对温度的敏感性很强。钢材的耐火性差，在火灾下钢框架会产生严重破坏，因此研究钢框架抗火性能很重要。梁柱节点是钢框架的重要组成部分[1]，也是钢框架组成中的薄弱环节。节点的破坏容易导致钢框架的整体破坏[2]，造成不可估量的损失，因此研究钢框架节点抗火性能尤为重要。
2 研究现状
目前，节点抗火研究的方法主要有试验和有限元分析两种：试验能更真实地研究节点的抗火性能，但需要花费大量资金，得到的结构响应和失效信息也有限；有限元分析不仅可以模拟高温下的节点性能，而且减少研究的时间和经费，另外还可进行大量的参数研究。近年来，国内外学者对钢框架梁柱节点的研究日益增多。李国强等[3]对梁端轴向约束作用下平端板螺栓连接组合节点的抗火性能进行试验研究，试验结果表明在结构中组合节点与梁相互影响、共同作用；DAI等[4]运用Abaqus对10种不同种类的连接形式进行火灾下的模拟，并与试验结果进行对比，发现有限元可以准确描述节点在火灾下发生破坏的全过程；AL-JABRI等[5]通过对一系列梁柱半刚性连接进行抗火试验，得到不同连接形式的弯矩-转角-温度曲线，研究半刚性节点在高温下的力学行为；王卫永等[6]通过试验和有限元分析得到焊接边节点温度-转角曲线，对高温下焊接边节点进行抗火性能研究；李晓东等[7]通过试验得到几种钢框架梁柱节点的温度-转角关系，并对节点在高温下的力学性能进行讨论；隋炳强等[8]通过试验和有限元分析得到几种节点高温下的温度-转角曲线，并对几种节点的抗火性能进行对比分析；BURSI等[9]运用Abaqus模拟梁柱高温下螺栓连接的力学性能。SHRIH等[10]运用ANSYS对平齐式端板连接节点进行抗火分析，得到不同载荷工况下节点的温度-转角曲线，并与试验进行对比。
综合上述研究可知，对节点抗火性能的研究主要集中在对平面钢框架节点的试验和有限元分析上，在实际结构中，钢框架中的梁柱节点是空间的，柱与梁在柱截面的两个方向上均有连接。目前，对空间钢框架的梁柱节点的抗火性能的研究尚少，需通过数值模拟进行定量分析。基于这样的考虑，本文对带有梁柱弱轴连接的空间钢框架全焊接节点进行初步研究，得到不同载荷工况下空间钢框架全焊接节点的温度-转角关系，为空间钢框架全焊接节点抗火设计提供参考。
3 有限元模型的验证
本文对文献[7-8]中的模型进行有限元模拟，模拟时采用ansys软件中的solid45单元。材料本构关系采用理想弹塑性模型简化计算，钢材随高温变化的屈服强度和弹性模量依据欧洲规范EC3选取。有限元加载分2个载荷步：第一載荷步施加梁端集中力和柱端集中力，为避免应力集中，将梁端集中力和柱端集中力等效成均布载荷，分别施加于梁端和柱端；第二载荷步对节点施加温度载荷。
本文计算所得结果与文献[7-8]试验所得结果基本一致，可以合理反映节点受火的性能。故可说明：通过有限元模拟可以合理描述节点高温下的行为。
3 对空间钢框架梁柱节点抗火性能的研究
在实际结构中，框架结构的节点均为空间节点，根据节点在空间上位置的不同，将空间框架中的节点分为四种，分别为角节点，中节点和结构中两个方向上的边节点。在有限元模型验证的基础上，采用相同的建模和加载步骤，对四种空间框架的梁柱节点进行了有限元分析，从变形形态上看， (1)对于有梁连接的柱翼缘，与梁上翼缘对应处的柱翼缘受火外凸，与梁下翼缘对应的柱翼缘受火内凹。这是因为节点处在弯矩作用下梁上翼缘受拉带动相应位置的柱翼缘向外凸出，同时梁下翼缘受压导致柱翼缘相应位置内凹。(2)对于没有梁连接的柱翼缘，其变形较小且较均匀。这是因为这类柱翼缘受到的作用力来自于腹板传递，力经腹板传递后到柱翼缘，导致受拉和受压的区域增大[6]，使没有梁连接的柱翼缘弯曲变形变小。（3）4种空间钢框架节点，与梁连接的柱翼缘的变形形态是一致的，且较无梁连接的柱翼缘变形大。
除此以外还可以发现：空间框架边节点和角节点在火灾作用下随着温度的增加，转角增加较快即较易受到破坏；当H型柱腹板与梁连接方向梁端载荷大于H型柱翼缘与梁连接方向梁端载荷时，火灾下角节点较易受到破坏。
4结论
运用ANSYS对平面钢框架梁柱节点及空间钢框架梁柱节点进行抗火计算，得到以下结论：
(1)对平面钢框架梁柱节点进行计算，所得的结果与文献[7-8]中试验结果吻合，验证本文有限元模型的合理性。
(2)通过对比4种空间钢框架全焊接节点高温下的有限元模拟结果发现，空间钢框架节点中，与梁连接的柱翼缘的变形形态是一致的，且较无梁连接的柱翼缘变形大；空间框架边节点和角节点在火灾作用下较易受到破坏；当H型柱腹板与梁连接方向梁端载荷大于H型柱翼缘与梁连接方向梁端载荷时，火灾下角节点较易受到破坏。
（3）在钢框架结构的抗火设计中，要注意加强边节点和角节点的防火保护。
参考文献
[1] WANG Y C. Steel and composite structures: behavior and design for fire safety[M]. London: Spon Press, 2002.
[2] 余红霞, 刘涛. 美国世贸中心WTC7次梁-柱节点高温下的破坏行为分析[J]. 钢结构, 2010, 25(8): 76-82.
[3] 李国强, 李侥婷, 楼国彪. 梁端受框架约束的平端板连接组合节点抗火性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2011, 32(4): 125-133.
[4] DAI X H, WANG Y C. Numerical modelling of structural fire behaviour of restrained steel beam-column assemblies using typical joint types[J]. Eng Structures, 2010, 32(8): 2337-2351.
[5] AL-JABRI K S. Moment-rotation-temperature curves for semi-rigid joints[J]. J Constructional Steel Res, 2005, 61(3): 281-303.
[6] 王卫永, 董毓利, 隋炳强. 焊接钢框架边节点抗火性能试验[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2007, 37(2): 240-244.
[7] 李晓东, 董毓利, 高立堂, 等. 钢框架边节点抗火性能的试验研究[J]. 实验力学, 2007, 22(1): 13-19.
[8] 隋炳强, 董毓利, 王卫永, 等. 钢框架中柱刚节点抗火性能试验研究[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2007, 37(4):651-655.
[9] BURSI O S, JASPART J P. Benchmarks for finite element modelling of bolted steel connections[J]. J Constructional Steel Resh, 1997, 43(1-3): 17-42.
[10] SHIRH A, ADEEB R, AL-JABRI K S. Finite element analyses of flush end-plate connections between steel beams and columns at elevated temperatures[J]. Advances Struct Eng, 2009, 12(3): 311-324.