薄壁型鋼-混凝土節點常溫及高溫承載力數值分析

王傳奇

（孟菲斯大學土木工程系，美國 孟菲斯 38152）

0 引 言

薄壁型鋼-混凝土組合結構是由薄壁板材或薄壁構件和混凝土組成并共同工作的一種新型結構形式[1,2]。薄壁型鋼-混凝上組合結構主要包括：冷彎薄壁鋼管、冷彎薄壁型鋼及其拼接而成的構件與混凝土組合而成的梁、柱和節點等結構。其中節點的性能對結構的性能有重要的影響[3,4]，然而目前國內外對薄壁型鋼混凝土節點的研究還相對較少。

1 有限元模型

節點結構中鋼材均采用Q235，內部填充C35混凝土，沒有配筋。梁-柱組合節點設計參數：梁的截面尺寸為250mm×150mm×3mm,柱的截面尺寸為300mm×300mm×3mm，梁兩邊從對稱軸算起各取1000mm,柱上下各取600mm;鋼材強度235 N/mm2,混凝土立方體強度35N/mm2。選用SHELL181單元模擬薄壁型鋼，SOLID65單元模擬混凝土建立有限元分析模型，模型以及單元網格劃分見圖1。考慮到結構的對稱性，為減小運算時間和計算機資源的使用，只采用1/2模型進行計算，柱的對稱面施加對稱約束。

2 常溫下極限承載力分析

本文設計了14組構件，分別從截面尺寸、鋼板厚度、混凝土強度和鋼板強度等方面對影響薄壁型鋼-混凝土梁-柱節點承載力的因素做了相應的分析。試驗結果表明：①在建立有限元模型時，不考慮混凝土和鋼材直接的粘結滑移會導致計算剛度，節點的承載力比實際情況偏大；②鋼板屈服強度和柱截面的尺寸對節點的承載力影響不大；③混凝土的強度和梁截面的尺寸對節點的承載力有較大的影響；④組合節點極限承載力隨鋼板厚度的增大而增大，然而當鋼板厚度小于6mm時組合節點的承載力隨鋼板厚度變化不大，而當采用大于6mm的鋼板時組合節點的承載力有明顯的提高[5]。

圖1 薄壁鋼板及混凝土有限單元劃分

圖2 組合節點的溫度場分布

3 高溫下抗火性能分析

為深入了解高溫下薄壁型鋼－混凝土組合結構梁－柱節點的強度和變形的變化規律，以及為后面的結構分析做準備，首先必須分析梁-柱節點構件的截面溫度場。本文利用有限元分析軟件ANSYS，建立薄壁型鋼-混凝土梁-柱節點在火災作用下的有限元理論分析模型，對ISO-834火災升溫模型下的薄壁型鋼-混凝土梁-柱節點的溫度場進行分析，然后將得到的溫度作為一種荷載導入到ANSYS中進行結構分析。考慮到結構的對稱性，組合節點180min時溫度場分布見圖2[6]。

在ISO-834標準升溫曲線條件下，對影響薄壁型鋼-混凝土梁-柱節點耐火極限的因素進行參數化分析。從模擬結果得出如下結論。①荷載水平對薄壁型鋼-混凝土梁-柱節點耐火極限影響顯著；荷載水平一定時，防火保護層厚度對梁-柱組合節點耐火極限影響很大，梁高及填充混凝土強度對梁-柱組合節點耐火極限影響較小，而其他參數如鋼板厚度、屈服強度、梁寬、柱截面尺寸等對梁-柱組合節點耐火極限影響很小，可以忽略不計。②沒有防火保護的薄壁型鋼-混凝土梁-柱節點在“荷載水平”為0.6時，耐火時間僅為15min~25min左右，因此對于有防火要求的結構，梁-柱組合節點必須采取防火保護，如防火涂層，使得構件達到國家現行建筑防火規范的耐火極限要求[7]。

4 結 論

通過本文分析，結果表明：①常溫下，填充混凝土的強度，梁截面的尺寸對節點的承載力有一定的提高，而鋼板的屈服強度和柱截面的尺寸對節點承載力影響較小，當鋼板厚度增加到6mm以上時對節點承載力有顯著提高；②高溫下，荷載水平的大小對組合節點的耐火極限具有很大影響，然而當荷載水平保持不變時，防火保護層厚度則是另一個對梁-柱組合節點的耐火極限有顯著影響的重要因素，而其他參數如材料特性、構件幾何尺寸等對梁-柱組合節點耐火極限影響很小。

[1] 王傳奇,高軒能.鋼結構半剛性連接節點的應用[J].新型建筑材料,2008(4).

[2] 王傳奇,高軒能,李琨.變截面門式剛架動力特性的數值模擬分析[J].華僑大學學報,2009(1).

[3] 王傳奇.薄壁型鋼－混凝土梁-柱節點抗火性能研究[D].廈門：華僑大學,2009.

[4] Xuanneng Gao,,Chuanqi Wang,Kun Li.Dynamic Behavior of Portal Frame Structure with Tapered Members[C].Proceedings of the Tenth International Symposium on Structural Engineering for Young Expert,Changsha,China,2008：1213-1218.

[5] 李巧,王傳奇.薄壁-型鋼混凝土梁柱節點承載力ANSYS 分析[J].城市建設理論研究（電子版）,2013(11).

[6] 王傳奇.薄壁-型鋼混凝土梁-柱節點溫度場數值分析[J].新型建筑材料,2013(9).

[7] 王傳奇.薄壁-型鋼混凝土梁柱節點抗火性能數值分析[J].建筑鋼結構進展,2013(4).