火灾下钢结构梁柱端板式节点力学性能

This research project uses the component based method to analyze the behavior, which contains the mechanical property, the failure mode and mechanism, of steel bolted endplate beam-to-column connections, the different temperature - load paths and the change of axial load are all taken into account. Firstly, to establish the mechanical model of T-stub at elevated temperatures, two kinds of experimental tests, namely “loading under constant temperatures” and “heating under constant loads” are designed, considering the influence of different temperature - load paths on the mechanical properties of T-stub. The influence of many factors, including the steel plate thickness, end distance - edge distance ratio and temperatures are also considered. The following work is theoretical analysis and numerical simulations. The mechanical model of T-stub is applied into the component based method model of steel bolted endplate connections. The theoretical model is capable of analyzing the mechanical properties of the joints , which include initial rotational stiffness, bending moment resistance and moment-rotation curves at ambient and elevated temperatures of connections. These connections are subjected to bending moments and axial forces of connected beams. Full scale tests, which also consider the influence of axial forces of connected beams, on beam-to-column steel endplate connections are conducted at ambient and elevated temperatures to verify the validity of the theoretical model. At the same time, the influence of varying joints’ mechanical properties on the behavior of connected beams and columns will be studied in the tests. The research achievement can be used for design recommendations of steel endplate beam-to -column connections at elevated temperatures.

本项目采用组件法，对高温下端板式梁柱连接节点的力学性能、破坏模式、机理等进行研究，其中考虑不同的温度、荷载路径及梁轴力变化的影响。首先，为了建立高温下组件法分析模型中T型件的力学模型，分别进行“恒温加载”和“恒载加温”条件下的T型件高温试验，考察不同温度荷载路径对T型件受力性能的影响。试验中考虑的影响因素还包括翼缘板厚度、螺栓端距和边距的比值及温度等。随后，针对T型件进行有限元数值模拟和理论分析。在此基础上建立T型件力学模型并将其运用到螺栓端板连接节点的组件法分析模型中，研究节点在高温下承受弯矩及梁轴向荷载共同作用时，节点的初始刚度、弯矩转角关系、弯矩承载能力、破坏机理等。为了验证分析模型的正确性，本项目进行端板式连接节点的足尺高温试验。试验中考虑梁轴向荷载对节点力学性能的影响。同时，试验中考察节点力学性能变化对其连系构件梁和柱端部受力性能的影响。最后，提出钢结构节点抗火设计建议。

火灾中，受热钢梁端部的梁柱连接节点是结构中非常关键的部位，节点的破坏可能导致整个结构的连续性倒塌，因此，节点必须保证在高温下具有良好的承载和变形能力以确保钢结构火灾下结构的完整性。钢梁升温膨胀阶段以及后续可能发生的悬链线效应过程中都会产生较大的轴力作用，因此高温下钢梁轴力对节点力学性能的影响需加以考虑。本项目分别从理论分析、有限元模拟以及火灾试验三方面对梁柱端板式节点的高温力学性能进行了较为深入系统的研究，研究过程中考虑了钢梁轴力的影响。具体工作如下：.对高温下T型件的力学性能进行了探究。采用高温试验方法对T型件变形过程中的荷载-位移曲线进行了测量，获得了T型件的初始刚度、承载能力及变形能力等力学指标，并同时观测了试件的破坏模式。采用ABAQUS建立的三维有限元模型和基于薄板理论推导的T型件理论模型对试验中T型件的荷载-位移曲线进行预测，并且将预测结果与试验数据对比从而验证了模型的正确性。采用验证过的理论模型和有限元模型，对影响T型件力学性能的重要参数进行了参数分析，考虑的参数包括螺栓位置、螺栓强度以及钢材强度等。参数分析结果可对T型件高温下的尺寸优化提供设计建议。.对火灾下足尺的端板式节点力学性能进行了较为深入的研究。对两个齐平式端板连接节点进行了恒载升温试验，试验中考虑了钢梁轴拉力的影响。在高温节点试验的基础上，论文推导了用于预测高温下节点完整弯矩-转角曲线的组件法模型。此模型采纳了常温下组件法的分析思路，并且在节点力学性能分析中可以考虑钢梁轴力及温度变化的影响。同时，在ABAQUS中采用三维实体单元建立节点的有限元模型，对齐平式端板节点试验过程中的升温变形过程进行了数值模拟。将有限元模拟结果、组件法模型预测结果与试验数据进行对比，从而验证了模型预测的正确性。采用有限元模型和组件法模型对节点高温力学性能进行了参数分析，对高温工况下端板式梁柱节点总结出实用的设计建议。