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2 0 1 4年第 2期( 总 1 9 6期 ) 安徽建筑 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 圜 型钢 一混凝土组合结构节点抗火性能综述 L i t e r a t u r e Re v i e w o f F i r e Re s is t a n t Be h a v i o r o f S t e e l Co n c r e t e Co mp o s i t e J o i n t 王传奇 ( 孟 菲 斯 大 学 土 木 工 程 系, 美 国 孟 菲 斯 3 8 1 5 2 ) 摘 要 : 论述了节点抗火设计的必要性和重要性 , 在综述了近年来国 内外建筑结构抗 火研 究现 状的基础上 对组合 结构节点抗 火研 究进行 了归纳 总结 , 对未来型钢 一混凝土组合结构节点抗 火性能研 究方 向提 出了一些建议。 关键词 : 组合结构; 节点; 抗火; 综述 中图分类号 : T U 3 9 8 9 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 1 3 0 一 O 3 0 前言 节点是结构受力的关键部位, 研究其高温力学性能是研究 框架乃至整体结构在火灾下力学性能的重要基础。 在火灾作用 下, 组合结构材料的强度和刚度会随着火灾温度的升高而不断 降低, 使得常温下表现为刚接节点的承载能力和抗变形能力在 火灾下大大降低 ,因而火灾下节点整体表现出一定的半刚性 , 从而使得结构的变形性能以及内力重分布的机制发生改变ll _ 】 。 由此可见, 进行组合结构梁 一柱连接节点火灾下力学性能的研 究非常的必要 , 并且也是解决薄壁型钢 一混凝土结构抗火的性 能化设计问题的重要环节。 1 国内外建筑结构 抗火研 究现状 国际上从 2 0世纪 5 0年代开始重视结构抗火研究。 波特兰 水泥协会、 美国混凝土协会 、 美国预应力混凝土协会、 欧洲国际 混凝土协会先后成立混凝土结构抗火研究小组, 主要研究了混 凝土的高温材性、 梁 、 柱和板的抗火性能与计算方法及框架的 火灾反应。对钢结构的抗火性能进行研究大约始于 1 9 7 0年左 右 。2 0 世 纪 8 0年代 以来 国际范围内对钢结构 的抗火研究越来 越广泛 、 深入, 美国、 日本 、 英国、 德国、 瑞典、 澳大利亚、 新西兰 等国家在结构钢的高温性质、 钢梁、 钢柱和钢框架的抗火试验 与理论研究方面取得了大量成果, 编制了基于计算的钢结构抗 火设计规范。特别在 9 0年代初, 英国B R E等在 C a r d i n g t o n对一 幢 8 层足尺钢框架建筑做了6组火灾试验, 得到了许多具有开 创意义的结果 。 认识到独立钢结构构件的抗火性能与结构中 受约束的钢构件的抗火性能有着显著差别 , 多数情况下, 结构 中的钢结构构件有更好的抗火能力。2 0世纪 8 0年代国际上开 始研究钢 一混凝土组合构件的抗火问题, 特别是加拿大国家防 火实验室对钢管混凝土柱的抗火性能进行了系统的试验与理 论研究 。 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 3 2 4 作者简介: 王传奇( 1 9 8 4 一 ) , 安徽蚌埠人, 博士研究生, 从事组合结构抗 火、 新型土 工材料应用方面研 究。 在研究的基础上, 英国、 日本 、 澳大利亚、 欧盟等国家或国 际组织都专门编制了钢结构和钢 一混凝土组合结构抗火设计 规范, 或在钢结构和钢 一混凝土组合结构设计规范中规定了抗 火设计内容, 钢结构和组合结构抗火从研究阶段已步人工程实 用 阶段 。 国内的抗火研究起步较晚,原冶金部建筑科学研究总院、 清华大学、 同济大学等从 2 0世纪 8 0年代中后期开始进行了混 凝上的材性、 构件和结构的受火性能及反应研究。 我国自2 0世 纪 8 0年代末 9 0年代初才开始进行钢结构抗火研究, 主要有中 国建筑科学研究院和同济大学进行了高温钢材特性、 各类钢构 件、 高强螺栓连接节点、 钢框架结构的抗火试验与理论研究。 国 内原哈尔滨建筑大学、福州大学 9 0年代后期开始研究钢管混 凝土柱的抗火性能,同济大学则于9 0年代末以后分别研究了 钢 一混凝土组合板 和组合梁 的抗火性能。 然而 , 在结构抗火工程应用方面我国远不如国外该领域的 先进国家, 我国至今没有结构抗火设计的国家标准 , 结构抗火 设计主要依据国家标准 建筑设计防火规范 和 高层民用建筑 设计防火规范中所采纳的基于独立构件标准耐火试验的方 法 , 这种方法不能反映真实火灾升温、 结构整体性能和火灾下 荷载作用的大小对结构构件抗火能力的影响, 因此不能确保结 构抗火安全和结构抗火设计的经济性 。 2 钢节点抗火研究现状 和钢构件相 比, 虽然钢梁 一柱节点抗火性能的研究近些年 才被重视, 研究历史并不长, 但近年来通过试验和理论分析也 已经取得 了一些成果 。 早在 1 9 7 6年 法 国的 K r u p p a进行 了钢梁柱节 点 的火 灾试 验研究,随后英国钢铁公司于 1 9 8 2年完成了类似的试验研究 工作, 研究的目的在于确定高强螺栓在火灾下的工作性能。 1 9 9 0 年 L a w s o n “ 进行了 8 个十字形梁柱节点试验研究 , 其 中包括刚性节点、 半刚性节点以及铰接点, 所有钢梁上翼缘都 盖有混凝土或混凝土板。 试验采用 I S 0 8 3 4标准升温曲线。 实验 结果表明, 螺栓以及由其他连接起来的构件在火灾下保持承载 力的同时能经受相当的变形, 同时证明了由于翼缘混凝土的存 在提高了试件的抗火能力。 但由于 L a w s o n的试件数量不足, 无 法得出完整的弯矩 一转角曲线。 1 9 9 7年 L e s t o n J o n e s 2 1 等和 A 1 一 J a b fi t 等先后进行了由英 国建筑科学研究院、 谢菲尔德大学以及钢结构协会合作完成的 两批节点试验研究。第一批试验的试件数量少, 共进行了5个 高温和一个常温的试验, 采用平齐式端板连接节点。通过特殊 设计的火灾试验炉 , 试验时仅节点区位于试验炉内, 梁柱的支 撑和加载装置均放在试验炉外, 加载非常方便。试验最终测出 虽 安徽建筑 2 0 1 4年第2期( 总 1 9 6 期 ) 了较为理想的节点弯矩 一转角关系。文献 1 2 1 报道的第二批试 验的 2 0个试件, 在第一批试验的基础上增加了节点类型、 构件 尺寸、 端板厚度等变化参数, 较为详尽地考察了各参数的影响。 1 9 9 9年 T c H L i u 用数值模拟的方法研究了梁柱端板 连接对无保护的工字钢的抗火性能影响, 通过对影响端板连接 性能的螺栓尺寸、 螺栓的数量以及端板厚度等多个参数进行研 究分析发现, 无论节点的常温下极限承载力通过什么方式提高 多少, 但在火灾条件下至多可以让钢梁的极限承载力达到常温 下的 2 3 。 2 0 0 1 年 S i l v a L S和 S a n t i a g o A 旧利用一种“ 组合模型” 的方 法来模拟钢节点并研究其在高温下的弯矩 一转角关系以及屈 服应力和杨式模量的变化 , 并通过和实验数据对比认为这种方 法应用于模拟端板连接的梁柱钢节点在高温下的反应是可行 的。 2 0 0 6年王卫永l l 5 j 和隋炳强旧等为得到外伸端板节点的抗 火性能,使用火灾实验炉对 4个足尺 H型钢外伸端板节点进 行火灾行为的试验研究。通过试验结果指出, 节点破坏的主要 因素是柱的翼缘屈曲和端板弯曲变形 , 通过增加加劲肋的方法 可以提高节点的临界温度、 端板厚度对节点抗火性能有明显影 响等一系列结论。 并且利用非线性有限元软件对试件进行火灾 反应分析, 得出节点的温度 6 分布和节点转角 一温度关系。有 限元分析和试验结果对比表明, 取得了较好的一致。验证了用 有限元进行火灾反应分析的正确性和可行性 , 并根据试验和有 限元分析的结果, 对节点的抗火设计和施工提出了建议。 3 型钢 一混凝土梁 一柱节点抗火性能研究现状 和钢节点相比,组合节点的抗火性能研究更是少之有少 , 近几年只有英国的曼彻斯特大学报道过相关试验 , 另外国内的 福州大学也做过火灾后的组合节点力学性能试验。 2 0 0 3年 Wa n g Y C和 D a v i e s J M 8 1报道了 8个节点的试验 研究成果, 其钢梁和矩形钢管混凝土柱的连接采用了外伸式端 板连接节点。试验结果表明, 钢管混凝土柱的外钢管发生局部 屈曲及屈曲位置会影响到柱的计算长度 , 同时由于节点荷载传 递的影响, 柱中弯矩分布随升温过程不断变化 , 且变化规律复 杂 。 2 0 0 7年霍静思和韩林海进行了一系列钢管混凝土结构 节点在恒定轴压力和低周反复荷载作用下的滞回性能实验, 比 较了常温下和火灾后钢管混凝土结构节点力学性能, 不同梁柱 线刚度比和轴压比情况下的节点火灾后力学性能, 以及经过修 复后节点与常混下节点的力学性能。 并在此基础上提出了火灾 后节点水平承载力的实用计算方法, 以及火灾后节点框架柱的 简化实用 P 一 滞回模型, 为工程实践提供了一定的参考。 2 0 0 7年 J D i n g和 Y C Wa n g 2 l报道了 1 0个钢梁和钢管混 凝土节点的试验研究过程和结果 , 采用了 4种不同的节点连 接形式。 论文主要报道了这些节点的在试验中的显示的性能和 破坏形态, 为节点抗火设计方法研究提供了一定的参考。并且 试验结果表明,通过节点的合理的抗火设计可以产生悬链效 应, 从而提高钢梁的耐火性能。 2 0 1 3年王传奇2 1 1 2 2 1利用有限元分析软件 A N S Y S , 建立薄壁 型钢 一 混凝土梁 一 柱组合节点在火灾作用下的有限元理论分 析模型, 对 I S O 一 8 3 4火灾升温模型下的薄壁型钢 一混凝土梁 一 柱节点弯矩 一时间曲线和节点耐火时间进行参数化分析。 研究 结果表明, 荷载水平对薄壁型钢 一混凝土梁 一柱节点的耐火极 限影响很大; 当荷载比一定时, 防火保护层厚度对梁 一柱组合 节点的耐火极限影响显著, 而其他参数如材料特性、 构件几何 尺寸等对梁 一柱组合节点耐火极限影响很小。 4 结论 国外试验的组合节点形式在中国几乎没有应用, 而在国内 广泛应用的组合结构节点在火灾高温下的力学性能、 温度场分 布、 极限承载力以及影响其耐火性能的因素 , 都还未见相关报 道。 随着薄壁型钢 一混凝土结构在国内土木工程中的不断推广 应用 , 有关其梁柱节点抗火性能的研究也急需深入开展 , 因此 作者认为应针对我国目前常用的一些薄壁型钢 一混凝土结构 梁柱节点形式 , 对一些关键问题开展研究 。 我国规范关于结构防火的考虑还停留在比较初级的阶段 , 即以单个构件进行标准火测试为手段的阶段。 而对在火灾下整 体结构的结构反应、 承载能力和破坏特征缺乏深入、 系统的研 究。 作为研究框架结构在火灾下的力学性能和抗火设计方法的 前提和基础的梁 一柱节点的耐火性能的测试及耐火标准也都 没有 相关 明确 的规定 。 参考文献 i 】 韩林海, 陶忠 钢管混凝土结构节点力学性能研究若干问题探讨 【 A 中国钢结构协会钢 一 混凝土组合结构分会第十次学术会议论 文集 C 2 0 0 5 【 2 王传奇, 高轩能 钢结构半刚性连接节点的应用【J 】 新型建筑材料, 2 0 0 8 ( 4 ) 【 3 王传奇, 高轩能, 李琨 变截面门式刚架动力特性的数值模拟分析 J 】 华侨大学学报, 2 0 0 9 ( 1 ) 【 4 】 C G B a i l c y , T L e n n o n , a n d D B Mo o r e T h e b e h a v i o u r o f f u l l s c a l e s t e e l f r a me d b u i l d i r I g s s u b j e c t e d t o c o m p a r t m e n t fi r e s【 J T h e S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 9 ( 8 ) 5 】 T T L i e F i r e r e s i s t a n c e o f c i r c u l a r s t e e l c o l u m n s fi l l e d w i t h b ar r e i n f - o r e e d c o n c r e t e J A S C E , J S t ruc t u r a l E n gi n e e r i n g , 1 9 9 4 ( 5 ) 6 】 T T L i e a n d RJ I r w i n F i r e r e s i s t a n c e o f r e c t a n g u l a r s t e e l c o l u mn s fi l l e d w i t h b ar- r e i n f o r c e d c o n c r e t e J A S C E , J S t ruc t u r al E n g i n e e r i n g , 1 9 9 5 ( 5 ) 【 7 蒋首超, 李国强, 周宏宇钢 一 混凝土组合楼盖抗火性能的试验研究 J 】 建 筑结构学报, 2 0 0 4 ( 3 ) 8 周宏宇_ 钢 一 混凝上组合梁抗火性能理论与试验研究 D 上海: 同 济大学,2 0 0 4 9 李国强, 韩林海, 楼国彪, 蒋首超钢结构及钢 一 混凝土组合结构抗 火设计【 M 北京: 中国建筑工业出版社, 2 0 0 6 1 0 】 S i l v a L S, S a n t i a g o A B e h a v i o u r o f S t e e l J o i n t s U n d e r F i r e L o a d i n g C Pr o c e e d i n g s of t h e T hi r d I n t e r n a t i o n al Co n f e r e n c e o n S t e e l & Co mp o s i t e S t r u c t u r e s , S e o u l , Ko r e a : 2 0 0 4 【 1 1 】 L a w s o n R M B e h a v i o u r of S t e e l B e am t o - C o l u mn C o n n e c t i o n s i n F i r e fJ Th e S t ruc t u r al E n gi n e e r , 1 9 9 0 ( 1 4 ) 【 1 2 】 L e s t o n - J o n e s L C ,B u r g e s s I W, L e m o n T E l e v a t e d T e m p e r a t u r e M o me n t R o t a t i o n T e s t s o n S t e e l w o r k C o n n e c t i o n s【J J P r o c e e d i n g s I n s t n Ci v i l E n g r s , S t r u c t u r e s Bu i l d i n g s , 1 99 7 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 固 巨 2 0 1 4年第 2期 ( 总 1 9 6期 ) 安徽建筑 一 m_ 一I 结 构 设 计 与 研 究 厘 用 安 徽 建 筑 IN 【 1 3 A1 - J a b r i K S , B u r g e s s I W, L e m o n T M o n me n t R o t a t i o n - T e mp e r a t u r e C u r v e s f o r S e mi R i g i d J o i n t sJ 】 J o u rnal o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h , 2 0 0 5 ( 3 ) 【 1 4 T CH L i u F i r e R e s i s t a n c e o f U n p r o t e c t e d S t e e l B e a ms w i t h Mo me n t C o n n e c t i o n s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e arc h , 1 9 9 9 ( 5 1 ) 【 1 5 S i l v a L S , S a n t i a g o A A C o mp o n e n t Mo n d e l fo r t h e B e h a v i o u r o f S t e e l J o i n t s a t E l e v a t e d T e mp e r a t u r e s 叨 J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n al S t e e l R e s e arc h , 2 0 0 1 ( 5 7 ) 1 6 】 王永卫, 董毓利, 李 国强 夕 伸端板节点火灾行 为的试验研究和理 论分析 J 哈尔滨工业大学学报, 2 0 0 6 ( 1 2 ) 1 7 】 隋炳 强 , 等 钢框架中柱刚节点抗火性能试验研究 fJ 】 东南大学学 报,2 0 0 7 ( 4 ) 1 8 】 Wang Y C , D a v i e s J M A n E x p e ri me n t a l S t u d y of t h e F ir e P e r f o r ma n c e of N o n - S wa y Lo a d e d C o n c r e t e - F i l l e d S t e el T u b u l ar Co l u mn A s s e mb l i e s w i t h E x t e n d e d E n d P l a t e C o n n e c t i o n s J 】 J o u r n al of C o n s t r u c t i o n al S t e e l R e s e arc h , 2 0 0 3 ( 7 ) L i n -Ha i Han ,J i n g - S i Hu o ,Yo n g -Ch a n g Wan g Be h a v i o r o f S t e e l B e a m t o C o n c r e t e - F i l l e d S t e e l T u b u l ar C o l u mn Co n n e c t i o n s a f t e r Ex p o s u r e t o F i r e J J o u r n al o f S t ruc t u r al E n g i n e e ri n g , 2 0 0 7 ( 6 ) J Di n g , Y C Wa n g Ex p e r i me n t al s t u d y of s t ruc t u r al fi r e b e ha v i o r o f s t e e l b e am t o c o n c r e t e fil l e d t u b u l ar c o l u mn a s s e mb l i e s wi t h d i ff e r e n t t y p e s o f j o i n t s J E n g i n e e ri n g S t ruc t u r e s , 2 0 0 7 ( 1 2 ) 王传奇, 等 薄壁 一 型钢混凝土梁柱节点抗火性能数值分析J 建 筑钢结构进展 ,2 0 1 3 ( 4 ) 王传奇, 等 薄壁 一 型钢混凝土梁 一柱节点温度场数值分析【J J 新 型建筑材料 ,2 0 1 3 ( 9 ) 王传奇 薄壁型钢 一 混凝土梁一柱节点抗火性能研究 D J 厦门: 华 侨大学, 2 0 0 9 r r jkr j 窖; e r I k一 k j 夸 r 夸 , 窖k , jk- 9 夸 k- I , k- k , 奎 夸 夸 夸 j - , 夸 j 夸 X t r j j 9 l e - j ( 上接 第 1 2 6页) 3 1对全桥裂缝均采用环氧树脂灌注处理 裂缝修补主要有表面喷浆修补法 、 压力灌浆修补法、 柔性 表面封闭法、 表面粘贴玻璃布等方法。考虑到化学灌浆修补桥 梁构件裂缝施工工艺操作方便、 机械简单 、 效果良好 , 本桥裂缝 采用灌注环氧树脂处理。 处理前需对全桥裂缝情况进行详细的 检查、 记录、 统计, 以便安排材料配制。灌浆前需用小锤、 手铲 、 钢丝刷等把构件表面整平 , 凿除突出部分 , 将缝面开成“ V” 型 槽, 吹掉浮土, 然后用丙酮擦洗, 消除裂缝周围的油污, 清洗时 应注意不要将裂缝堵塞。 其次是钻眼埋嘴, 嘴子是灌浆材料的喷人口, 也是裂缝的 排气口。嘴子大小要适当, 重量要尽量轻, 以防因未贴牢而坠 落。 埋贴前, 先把嘴子底盘用丙酮擦洗, 然后用灰刀将环氧泥抹 在底盘周围, 切勿堵死嘴子和裂缝灌浆的通道。 接着嵌缝止浆 , 主要是防止浆液流失、 确保浆液在灌浆压 力下一步将裂缝填充密实。 因此 , 当嘴子埋贴后, 必须将其余裂 缝全部封闭, 进行嵌缝堵漏处理。 进行灌浆时,应保证泵或注射针头与灌浆嘴连结严密, 不 能漏气 , 泵与灌浆嘴可用聚乙烯透明塑料管相联。灌注浆液应 注意压力的控制, 一般裂缝较宽 、 进浆通畅时, 压力宜小, 泵压 控制在 1 x 1 0 5 2 l O S P a 之间; 裂缝细微、 进浆困难时, 压力宜 大, 泵压控制在4 x 1 0 s P a 左右。 灌浆结束后 , 稳压 2 mi n , 以使裂 缝尽量吃浆饱满。 灌浆完毕待浆液聚合固化后即可将灌浆嘴拆 除, 并用环氧胶泥抹平。 另外,对裂缝较宽的第 5 孔实心板下缘在灌浆处理后, 还 在混凝 土表面粘贴 2 3层玻璃纤维 。 3 _ 2斜撑加固 斜撑是本桥主要承重结构, 尺寸偏小 , 在其下缘裂缝处理 后 , 通过环氧树脂在其上下缘粘贴 8 m m厚钢板, 来增大结构尺 寸以达到补强的效果。首先需对斜撑下缘及钢板进行表面处 理 , 将粘贴部位混凝土用砂轮磨平, 基本达到能见到混凝土粗 骨料的程度, 钢板按其所需尺寸切割而成 , 粘贴面可采用刨床 加工成菱形, 格状刻痕, 以增加粘结性能。 钢板除锈可采用手工 操作钢丝刷除锈。钢板表面还需用丙酮清除油脂, 混凝土表面 也要进行除尘。 然后在钢板及混凝土粘贴面上均匀涂刷环氧树 脂打底层,打好底层后再在钢板粘贴面上涂刷环氧树脂粘结 剂。钢板粘贴后, 应迅速拧紧胀锚螺栓, 胀锚螺栓呈梅花形布 置, 钢板与混凝土表面之间缝隙用稠度较高的环氧树脂水泥砂 浆来填塞、 勾缝, 胀锚运输线栓用环氧树脂水泥砂浆封住。 由于 长五孔斜撑裂缝较多, 在其上端增设 4道 2 2 5箍筋 , 以防止 裂缝进一步扩展,箍筋与已粘贴的钢板双面焊接,焊接长度 5 d , 加固钢板要进行防锈处理, 以延长使用寿命, 具体方法是先 喷洒 2遍防锈漆后, 再喷 2 遍灰色防腐漆。 原斜撑上下端均为铰接, 为改善斜撑的受力体系, 增强整 体刚度 , 防止斜撑下沉, 我们在桥墩两侧斜撑承托处施加预应 力 , 使两侧斜撑互相拉住, 共同受力, 来抵挡上部结构传递的竖 直力。预应力采用冷拉 4级 中2 5螺纹粗钢筋 ,标准强度为 7 5 0 M P a , 横向布置 6根, 每根最终张拉控制力为 6 5 t 。 张拉程序 分组分级张拉, 张拉力分 3 t 、 5 t 、 6 5 t 三级, 张拉时每个墩依次按 N1 、 N 2 、 N 3 顺序都施加第一级张拉力后再往返施加第二级、 第 三级张拉力。全桥张拉完毕后再统一封锚, 锚固端喷洒 2 遍防 锈漆后 , 再涂刷热沥青包裹 , 其套管内部先喷洒 2 遍防锈漆后 再涂一层环氧树脂。 3 3桥端伸缩缝 仅在两头桥台设伸缩缝。取消桥墩处伸缩缝, 改为桥面连 续。通过加设桥面钢筋网进一步加强面板的整体受力, 减少汽 车行驶时的振动。两梁端之间用泡沫板留取 4 c m缝隙, 其它空 隙均捣筑 C 3 0水泥混凝土补平填实,旧桥面铺装全部铲除更 新 。 4 结论 施工单位严格按照设计图纸的要求对人行河大桥实施了 加固措施 , 现在该桥已焕然一新, 经过有关部门检测验收, 达到 了预期的效果, 2 0 1 1 年 6 月 2 0日开始正常通车。经过加固, 人 行河大桥承载力明显提高, 以前的损伤及隐患全部消除, 汽车 在桥上行驶时桥梁已经无明显震动。该桥加固建安费仅为 7 0 万元, 同建设新桥相比, 节省投资约 8 0万元。 可见加固危桥, 只 要方法得当, 通过较少的投入就可提高旧桥的承载力及使用年 限, 取得较好的经济效益和社会效益。 参考文献 【 1 】 J T J 0 7 3 9 6 , 公路养护技术规范 s 北京: 人民交通出版社, 1 9 9 6 【 2 】 杨文渊,徐彝桥梁维修与加固【 M 】 北京: 人民交通出版社, 1 9 8 9 加
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