钢结构焊缝连接节点火灾后受力性能研究

钢结构在火灾中很容易受到损坏，但随着主动和被动防火技术的进步，绝大多数火灾并未造成钢结构的根本性破坏，因此开展钢结构火灾后安全性鉴定，及时进行修复加固意义重大。焊缝连接是现代钢结构最主要的连接方法，作为钢结构的基本组成部分和火灾下的薄弱环节，其火灾后受力性能对整个结构灾后承载安全至关重要，但目前国内外相关研究极少。本项目拟采用足尺试验、有限元理论和温度增量迭代分析法相结合的方法系统地研究焊缝连接节点火灾后受力性能：首先进行焊缝火灾后的力学性能试验，建立对接焊缝和角焊缝强度、弹性模量与过火温度之间的数学模型；随后开展钢结构全焊、栓焊节点试验，确定高温过火对节点承载力、刚度、变形、滞回特性的影响规律；利用试验结果对有限元模型进行验证，再利用改进的有限元模型进行系统的参数分析；最后通过基于极限平衡状态的温度增量迭代法建立节点承载力的简化计算方法，为钢结构火灾后安全性鉴定、加固修复提供科学依据。

焊缝连接是现代钢结构最主要的连接方法，其火灾后受力性能对整个结构灾后承载安全至关重要。对Q345钢材对接焊缝、正面角焊缝、侧面角焊缝及典型钢结构焊接节点火灾后受力性能进行研究分析，得出以下结论：高温过火对对接焊缝的强度和变形有显著影响，常温下发生母材断裂的对接焊缝连接试件在过火温度超过500℃以后发生焊缝处断裂，试件极限强度和极限变形最大降低幅度分别为20%和50%；在火灾后鉴定评估时应考虑对接焊缝强度的折减，建议折减幅度不小于20%。高温过火对正面角焊缝和侧面角焊缝强度有显著影响，其极限强度最大降低幅度分别为40%和25%，但是常温下发生母材断裂的正面及侧面角焊缝连接试件高温过火后仍未出现角焊缝处断裂，原因是现行规范中角焊缝强度设计值取值偏低，角焊缝处安全储备很高。高温过火对高强度螺栓摩擦型连接抗滑移系数及螺栓预拉力具有显著影响，其中抗滑移系数随过火温度升高而增大，螺栓预拉力随过火温度升高而降低。当过火温度不超过400℃（或偏于保守取300℃）时，抗滑移系数的增大可以弥补螺栓预拉力的降低，从而无需更换螺栓。梁柱全焊节点火灾后静力试验结果表明，常温下发生梁受压翼缘屈服破坏的试件，高温冷却大于等于500℃后出现梁受拉翼缘处对接焊缝破坏，且承载力最大降低幅度约为20%，与对接焊缝连接拉伸试样结论一致。梁柱全焊节点火灾后低周反复试验结果表明，节点常温下及高温过火后均发生梁翼缘处对接焊缝破坏，由此可知无论是常温下还是火灾后对接焊缝都是梁柱全焊节点在地震作用下的薄弱环节；在柱子的轴压力水平保持不变的情况下，高温过火后节点的延性及耗能能力有所提高，梁端承载力在过火温度为700℃时下降20%，其他温度点略有下降。对于梁翼缘处采用对接焊缝连接，梁腹板与承剪板用摩擦型高强螺栓连接的栓焊混合连接节点，当过火温度不超过400℃时，对接焊缝及高强度螺栓的抗滑移承载力均无显著降低，可认为节点的火灾后承载力与未过火试件相同；当过火温度超过400℃时，高强度螺栓的抗滑移承载力迅速降低，成为栓焊节点中的薄弱环节，如需继续使用建议更换螺栓。目前依托本项目已发表论文5篇，培养研究生1名。本项目研究成果为钢结构焊缝连接节点火灾后安全性评估提供了基础数据和科学依据，具有重要的理论意义和实用价值。