高溫后帶懸臂梁段拼接鋼節點的承載力研究

龍 謀 識

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

高溫后帶懸臂梁段拼接鋼節點的承載力研究

龍 謀 識

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

對帶懸臂梁段拼接節點進行高溫作用，待自然冷卻之后進行極限承載力的試驗研究，試驗數據表明，高溫后鋼材屈服強度和極限強度明顯下降，然而彈性模量變化很小，抗滑移系數也有所減小，高溫后鋼結構帶懸臂梁段拼接節點具有一定的延性，極限承載力下降。

高溫作用，拼接節點，極限承載力，試驗

0 引言

鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節點作為一種新推廣的梁柱連接形式，具有良好的力學和抗震性能，具有很好的應用前景[1，2]。目前，對這種拼接節點在常溫下的極限承載力已經進行了一定深度的研究，而且其研究成果已經應用于實際的結構工程中[3-6]。但對于高溫后這種拼接節點的研究尚少，這使得進行鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節點的抗火設計缺乏科學的理論，沒有安全保證。為了對鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節點在抗火設計中進行科學評估，首先必須弄清高溫后鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節點的極限承載力及其變化規律，因此本文研究具有實際的工程意義，同時，也為日后人們對節點的抗火研究提供一些參考意義。本文將著重從試驗方面研究帶懸臂梁段拼接節點在經過高溫作用后的極限承載力。

1 試驗研究

1.1 試件介紹

試件鋼柱截面采用H300×200×10×10，兩端鉸支，柱長2 800 mm；鋼梁截面采用H160×300×8×10，懸臂梁長500 mm，拼接梁長990 mm，拼接梁一端與懸臂梁拼接，另一端自由。節點拼接所用螺栓都采用10.9級M20高強螺栓，節點試件具體形狀見圖1。

1.2 試驗方案

試件拼接完成之后，放進中國礦業大學結構實驗室的人工智能程序控制燃氣加熱爐中進行升溫，該設備由中國輕工業陶瓷研究所窯爐開發中心研制生產，通過天然氣作為燃料迅速升溫，模擬真實火災環境中的升溫過程。

試驗過程中，所有試件均直立置于爐膛中，升溫過程中不承受荷載。試件升溫至設定溫度后，保溫2 h，然后在爐膛中自然冷卻，隨后將其取出進行高溫后的極限承載力研究。

本試驗采用電液伺服試驗機進行單調加載，加載過程中結合力的控制和位移控制。實驗室，柱頂和柱底都采用約束的方法模擬鉸接支座，試驗裝置如圖2所示。

節點試驗裝置的設計必須考慮如下幾方面因素：節點的梁柱邊界約束情況；實驗室的環境條件限制；保證整個試驗裝置的穩定性和安全性。具體做法如下。

1.2.1 柱底、柱頂和梁端的邊界條件

柱底和柱頂都為鉸接，都限制了水平方向和豎直方向的位移，但是允許平面范圍內的轉動。柱底采用四個千斤頂對柱子的四個面進行約束，限制其位移，千斤頂通過滑動滾軸與混凝土墩子或者鋼墩子連接，保證其可以平面范圍內轉動。柱頂在水平方向和豎直方向都通過鋼平板結合錨桿固定其位移，鋼平板與柱子通過滾軸連接。梁端處于自由狀態，不受任何約束。詳情分別見圖3～圖5。

1.2.2 柱子的側向支撐

在保證試驗穩定性和安全性方面，為了防止節點在加載過程中發生側向失穩，在柱腹板兩側分別采用四根錨桿頂住柱子，將錨桿固定在反力架的兩根柱子上，通過錨桿所受壓力支撐柱子在平面外的穩定(見圖6)。

1.2.3 梁柱加載設備

梁端采用伺服試驗機施加單向豎向荷載，其數據通過伺服加載系統進行自動采集并輸出，可以在加載過程中進行實時監控，采用雙控原則，即人工控制和計算機控制相結合的原則。為了保證柱子的穩定性，柱頂施加軸向荷載15 kN，通過壓力傳感器讀取，并保持恒定不變。

2 試驗結果

本文試驗采用伺服萬能試驗機加載系統記錄節點拼接梁端豎向荷載—位移曲線，以考察帶懸臂梁段拼接節點在高溫后的屈服位移、極限位移、屈服荷載、極限荷載以及節點的剛度退化模型。

本次試驗測得的梁端荷載—位移曲線如圖7所示，主要具有如下特點：

1)隨著梁端豎向位移的增大，且在鋼梁發生嚴重的屈曲之前，荷載呈現線性增大的規律；

2)隨著荷載的增大，拼接節點處螺栓開始出現滑移，并且伴有清脆的“嘣”響聲，隨后荷載繼續增大，先后發生多次響聲；

3)螺栓滑移之后，隨著荷載的增大，梁端位移增大地更快，螺栓滑移荷載為72.2 kN，單調加載的極限荷載為86 kN。

3 數值模擬

采用有限元計算軟件ANSYS對高溫后帶懸臂梁段拼接節點進行模擬，材料相關參數以及接觸參數采用高溫后進行的材性試

驗和抗滑移系數試驗所得結果，結合所選單元類型、材料本構關系以及加載方式，進行有限元模擬計算，試驗結果和有限元計算結果對比如圖8所示。

4 結語

本文根據試驗結果，對試件所用鋼材進行了材性分析和抗滑移分析，同時對節點在受到單調荷載作用時的荷載—位移關系主要得出如下結論：

1)經過1 000 ℃的高溫作用，并且經過2 h的保溫，然后冷卻至常溫環境時，材料的屈服強度、極限強度都減小了相當的程度，然而其彈性模量卻變化甚微，同時，摩擦元件的抗滑移系數也一定程度減小。

2)高溫后摩擦系數的減小導致拼接節點處高強螺栓的滑移荷載減小，試驗過程中拼接節點過早發生滑移，但是并不影響節點繼續承受荷載，節點最終的破壞還是以梁柱連接處的屈服的形式出現，所以帶懸臂梁段拼接節點在設計時不需要拼接太強。

3)通過節點的荷載—位移關系曲線，說明這種節點具有很好的延性，極限承載力相比常溫時顯著下降。

4)試驗數據體現了試驗加載過程中柱子并沒有發生太大變形，而梁，尤其是拼接梁的位移則很大，這也體現了“強柱弱梁”的設計理念，然而，節點最終的破壞發生在梁柱連接處，梁、柱都沒有發生破壞，所以在進行這種節點設計時應該更加重視“強節點，弱構件”的原則。

[1] 常鴻飛，夏軍武.鋼框架樹狀柱節點整體設計研究[J].建筑鋼結構進展，2005(6)：92-93.

[2] 李星榮.鋼結構連接節點設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[3] 隋炳強，王衛勇.鋼框架中柱剛節點抗火性能試驗研究[J].東南大學學報，2007(7)：34-35.

[4] 李曉東，董毓利.鋼框架邊節點抗火性能試驗研究[J].實驗力學，2007(8)：23-24.

[5] Lawson R.M.Behaviour of steel beam-to-column connections in fire[J].The Structural Engineer,1990,68(14)：263-271.

[6] 楊秀萍，王興武.鋼結構外伸端板連接抗火性能研究[J].武漢大學學報(工學版)，2007(9)：17-18.

Research on ultimate bearing capacity of steel frame joint with cantilever beam splicing after high temperature treatment

Long Moushi

(WuhanDesignandResearchInstituteofChinaCoalScienceandIndustryGroup,Wuhan430000,China)

The paper undertakes the high temperature treatment on the frame joint with cantilever beam, has the experimental research on its ultimate bearing capacity after the natural cooling, proves by the test data that the yield strength and ultimate strength of the steel materials after the high temperature treatment have decreased obviously while the elasticity modulus changes are slight with decreasing anti-slip coefficient, so the frame joint with cantilever beam after the treatment has certain ductility and the ultimate bearing capacity falls.

high temperature treatment, frame joint, ultimate bearing capacity, test

2015-02-12

龍謀識(1984- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)12-0046-02

TU312

A