薄壁型钢-混凝土梁-柱节点温度场数值分析

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发布时间：2021-09-06

资料介绍

薄壁型钢一混凝土梁一柱节点
温度=l[罚数值分析
王传奇，刘小东，高轩能
(1．孟菲斯大学土木工程系，美国田纳西孟菲斯38152；
2．江苏筑森建筑设计有限公司，江苏常州213000；
3．华侨大学土木工程学院，福建泉州362021)
摘要：利用有限元数值模拟软件ANSYS对一种新型的薄壁型钢一混凝土梁一柱节点构件在高温火灾条件下的截面温度场变化
进行了数值模拟分析，并对节点内部不同位置的温度变化，以及温度场的影响因素进行了参数化分析。结果表明，钢板厚度和构件
截面尺寸对温度场影响可以忽略不计，防火保护层对构件的温度场影响显著，填充混凝土在高温初期对温度场有有利影响，1 h以
后影响显著降低。
关键词：薄壁；组合结构；梁一柱节点；高温火灾条件下；温度场；有限元
中图分类号：TUl11．2 1 文献标识码：B 文章编号：1001—702X(2013)09—0082—03
Numerical analyses of temperature field of thin-walled steel-concrete beam-column joint
WA NG Chuanqi~,LIU Xiaodong2，GA 0 Xuanne，
(1．Civil Engineering Department，The University of Memphis，Memphis 38152，Tennessee，U．S．：
2．Jiangsu Century Architecture Design Co．Ltd．，Changzhou 213000，Jiangsu，China：
3．Civil Engineering College，Huaqiao University，Quanzhou 362021，Fnjian，China)
0 引言
薄壁型钢一混凝土梁一柱节点是一种新型结构的构件，国
内外对其耐火性能及抗火设计方法的研究尚不成熟，在这种
情况下，如果按照钢构件进行耐火保护，很有可能造成资源
浪费，而且对其耐火度的确定缺乏必要的科学认识[ 。火灾
条件下的结构构件不仅受到静力荷载的作用，还要受到温度
荷载的作用。高温不仅使材料的强度和变形性能严重劣化，
还使得结构产生剧烈的内(应)力重分布，并且温度和荷载
(应力)有显著的耦合作用效应，使材料的本构关系和构件受
力性能随温度一荷载途径而有较大变化[5-7]。为深入了解高温
下薄壁型钢一混凝土组合结构梁一柱节点的强度和变形的变
化规律，首先必须分析梁一柱节点构件的截面温度场。
组合柱截面
图1 薄壁型钢一混凝土梁一柱组合节点构造
构件设计：柱的截面尺寸为300 mmx300 mm，梁的截面
尺寸为250 mmxl50 mm，柱上下各取600 mm；梁两边从对称
轴算起各取1000 mm；钢板厚度3 mm，钢材都采用Q235，内
部填充C35混凝土。
l 节点有限元模型 2 温度场数值模拟
薄壁型钢一混凝土梁一柱节点以及梁柱截面见图1。
收稿日期：2013—03—12；修订日期：2013—04—28
作者简介：王传奇，男，1984年生，安徽蚌埠人，博士研究生，主要从事
钢结构和组合结构及新型土工泡沫材料的研究。E-mail：wangeq3121
@hotmail．eom。
·82· 新型建筑材料 2013．9
外界环境温度按IS0834标准升温曲线变化嘲，没有防火
保护层。构件单元网格划分见图2(考虑到结构的对称性，为
了减小运算时间，计算只采用1／2模型，柱的另一侧施加对称
约束)。组合节点在高温环境中180 rain后构件截面温度场云
图见图3。
面二
L，雠截．h ●
华
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王传奇，等：薄壁型钢一混凝土梁一柱节点温度场数值分析
图2 计算温度场采用的有限元网格
图3 组合节点180min时温度场云图
由图3可知，对于四面受火的柱截面，外边缘等温线与截
面形状近似，向截面内部开始退化，大致均呈椭圆形。由于截
面外边缘靠近高温气流，温度梯度变化较大，温度差变化大，
随着向构件截面内深入，温度梯度变化平缓，温度差变化也减
小。截面四角温度高于边长中心的温度，因此截面四角会产生
较大的温度应力集中。核心混凝土的温度在截面中心温度最
低，沿径向由中心向边缘温度越来越高，在混凝土柱外壁与钢
管接触的地方温度最高。钢管由于壁很薄，受火时温度沿截面
基本均匀分布，温度梯度不大，同时钢管的温度要远远高于核
心混凝土，这是由于混凝土的导热性能较差，导热系数约为钢
管导热系数的1／50。和四面受火的柱比较，考虑到实际工程
中混凝土楼板的隔热作用，梁截面相当于处于三面受火的状
态。如图3中的温度云图可以看出，三面火灾作用下截面温度
不具有双轴对称性，为单轴对称，且受火面温度较高，背火面
温度较低，温度最低区域偏向于背火面，并且