螺栓及T型钢板连接木梁-木柱节点耐火极限有限元分析

姚悦，刘永军，陈洋

(1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168; 2.沈阳建筑大学管理学院，辽宁 沈阳 110168)

采用木材与其他建筑材料如钢材相结合的多高层现代木结构建筑近几年来发展迅速，但是木材和钢材在高温作用下都有性能严重退化的缺点，因此研究现代木结构的抗火性能具有重要意义。节点作为结构的主要受力构件，其耐火极限的研究更为关键。目前被广泛使用的一种现代木结构节点连接方式是钢填板螺栓连接，该类节点连接方式的耐火极限成为衡量现代木结构建筑抗火性能的标准。

国内外专家学者对木结构不同节点的连接方式的抗火性能进行了大量的研究。Frangi等[1]对内置3片钢填板以及销钉连接的节点进行了耐火极限试验，结果表明，增大木材截面尺寸和紧固件边距或者在表面包裹石膏板可明显提升节点的耐火极限。Norén[2]对采用钢钉连接的WWW(wood-wood-wood)节点的耐火极限进行了试验，试验结果表明荷载大小和侧材的厚度与节点的耐火极限关系紧密，但是通过改变钢钉直径并未影响节点的耐火极限。Lei等[3]对采用螺栓连接、钢夹板螺栓连接和钢填板螺栓连接的节点进行了抗火性能试验，结果表明荷载大小、木材截面尺寸和螺栓端距对节点耐火极限的影响很大。李林峰[4]利用Abaqus分析了榫卯连接方式的梁柱式木结构框架在有无保护层、不同梁线荷载以及不同密度情况下的耐火极限。张晋等[5]对采用钢夹板螺栓连接的直线型节点进行了抗火性能试验，试验结果表明，由于钢夹板的存在使内侧木材不直接暴露在火源中，因此内侧木材的炭化速度明显慢于外侧直接受火的木材。张悦洋[6]对采用钢填板螺栓连接的木结构框架开展了耐火极限研究，通过试验以及Abaqus软件分析了不同持荷比、螺栓直径和端距与节点耐火极限的关系。

本文是在对木材-T型钢填板螺栓连接节点耐火性能试验[7]的基础上，使用Abaqus对其进行精细化分析。考虑不同持荷比对耐火极限的影响，将有限元分析所得的数据与试验数据进行对比，验证该方法的有效性，为进一步研究此类节点耐火极限性能提供了一种方便有效的方法。

1 建立有限元模型

分析模型源于胶合木梁柱构件，采用T型钢填板螺栓节点连接，依据具体试验建立相对应的有限元模型，分析试件的温度场分布情况以及火灾条件中不同载荷比下的结构响应。具体模型包括木柱、木梁以及T型钢填板螺栓节点，T型钢填板螺栓节点由板厚6 mm的T型钢板结合直径为10 mm的8.8级螺栓组成，构件具体尺寸如图1所示。

图1 试件尺寸(单位：mm)

利用Abaqus建立装配体中的各个构件，为了定义后续材料属性，在螺栓孔洞周围划分出独立区域，忽略螺纹，将螺栓栓杆与螺帽视为同一构件。试件装配体模型如图2所示。

图2 试件装配体模型

研究节点耐火极限的有限元模拟分析方法选用顺序热力耦合法。该法比直接耦合法计算量小，分为温度场模拟以及应力场模拟两步。首先进行模型的温度场分析，得出模型中各个构件的温度分布情况，再将温度场分布情况导入模型受到荷载作用下的应力场分析中，计算高温和力共同作用下的构件结构响应。

2 温度场分析

2.1 建立模型与划分网格

该节点温度场分析模型源于文献[7]的试验，模型具体尺寸采用试验数据，温度场分析传热单元均选用DC3D8，节点连接处采用较小网格划分，网格尺寸为8 mm×8 mm，其余部分采用较大网格划分，尺寸为60 mm×60 mm,如图3。

图3 节点处网格划分图

2.2 材料参数设置

温度场模拟是单纯的传热分析，不需考虑材料力学性能的影响，只需考虑材料的热工性能。热工性能包括导热系数、密度、比热容，将钢填板与螺栓统一视为钢材，本文参考文献[8—9]的欧洲规范，分别对木材和钢材的热工性能进行取值。

2.3 边界条件与接触方式

温度场分析时采用与试验一致的ISO 834标准升温曲线，依照试验设置受火区域，木梁与木柱表面部分区域四面受火，螺帽以及钢板裸露于空气中的区域直接受火，其余部分设置为不受火区域，如图4所示。起始温度取20 ℃，受火面对流换热系数取25 W/(m2·℃)，未受火面对流换热系数取9 W/(m2·℃)，钢材热辐射系数取值为0.7，木材为0.8。接触面均采用绑定设置，使热量可以在不同材料间传递。

图4 受火区域示意图

2.4 温度场分析结果

试验时在节点不同位置设置热电偶，测试节点的温度变化如图5，本文选取有限元模型中测点1、5、8的对应位置数据与试验数据进行温差变化曲线对比分析。

图5 试验节点热电偶布置图(单位：mm)

温度场模拟得到的测点温度变化与试验温度变化趋势相同，测点的温度有限元计算值均比试验值略小，如图6所示。这是因为试验过程中测点附近木材受火后会产生新的裂缝，使一定热量通过这些裂缝，并且在此有限元分析中并未考虑应力场对温度场分析的影响。

图6 测点温度曲线对比图

截取节点螺栓密集区域1-1截面(截面见图4)处不同时刻的温度场分布云图，如图7所示。从云图可以发现螺栓孔孔洞周围木材温度高于其余内部木材温度，这是因为钢制螺栓导热性能比木材强，螺栓将热量传递给孔洞周围木材，加快了此处木材的炭化。螺帽直接受火吸热，但是其较高的热传导率使螺栓温度上升速度慢于木材表面。梁的4个棱角处由于同时受到两处受火面的影响，相较于其他部位温度上升快。T型钢板由于裸露于空气中的部分相对较小且埋置于木材中，温度一直相对较低。

(a)升温10 min

3 应力场分析

3.1 建立模型与划分网格

应力场分析模型在温度场分析模型的基础上稍作改动，在柱顶、梁跨中上端分别添加两处加载垫块，梁端底部混凝土反力柱简化为底部垫块。网格划分与温度场保持一致以保证数据的有效性，单元类型将温度场的传热单元改为C3D8R。

3.2 材料参数设置

与温度场不同，应力场需要进行静力分析，因此需将热工性能参数改为力学性能参数。

试验木材为花旗松，常温密度为480 kg/m3，含水率为10.4 %，木材为复杂的正交各向异性材料，因此在Abaqus中定义时弹性模量选用工程常数，塑性强度采用Hill屈服准则定义[10]，通过软件的电势函数定义不同方向上的应力值，电势函数取值为R11=1，R22=0.12，R33=0.07，R12=0.186，R13=0.146，R23=0.064 5。顺纹弹性模量为10 178 MPa，顺纹抗拉强度为78 MPa，顺纹抗压强度为29.38 MPa，其他木材参数可参考《木结构设计手册》[11]建议的近似值进行取值，如表1。

表1 木材本构关系模型参数

螺栓孔洞的存在使该处木材强度削弱，螺栓孔洞周围木材应定义为简化木材，结构承载力主要受横纹销槽承压影响，因此螺栓孔周围木材弹性模量取横纹弹性模量509 MPa，屈服强度取横纹抗压强度3.56 MPa。

钢填板材料采用Q345钢，螺栓使用8.8级高强螺栓，两者都采用理想弹塑性本构模型，弹性模量均取2.06×105MPa，按照fk=f(1-1.645v)取屈服强度标准值(fk为屈服强度标准值，f为屈服强度平均值，v为变异系数，取0.092)，屈服强度平均值分别取为406 MPa和754 MPa。

高温下，木材与简化木材的力学性能按照文献[8]进行折减，螺栓与钢填板的力学性能按照文献[9]进行折减。

3.3 接触设置

应力场分析时，木柱与钢填板、螺栓与孔壁、木梁与钢板之间需要定义接触，采用表面与表面接触定义，接触面关系法向采用硬接触，径向定义为“罚”摩擦公式，摩擦系数取值分别为木-钢0.3、钢-钢0.001。垫块与构件采用绑定接触。通过运动耦合将垫块表面与参考点连接为一体，集中荷载施加在参考点上。

3.4 边界条件与荷载

试验中柱底与水平试验炉通过4个螺栓刚接，模拟时柱底设置为固接；梁端搁置在混凝土反力柱上，在模型中设置边界条件为铰接，如图8。受火过程中，柱顶通过设置幅值曲线施加30 kN恒定集中荷载。由试验可得常温下的试件极限承载力为130 kN，取持荷水平10%、20%、30%，即13、26、39 kN，为梁跨中恒定荷载施加值。

图8 边界条件设置

3.5 耐火极限判定标准

借鉴《建筑构件耐火试验方法：通用要求》[12]中的结论，试件的抗火程度应该包含承重能力以及构件的完整性和隔热性，判定标准采用时间长度。该规范认为对抗弯构件而言，构件跨中弯曲变形速率达到L2/9 000d(mm/min)或者跨中挠度达到L2/400d(mm)时认为构件破坏(L为试件净跨度，d为试件截面抗拉点与抗压点之间的距离)。此规范中未给出判断受弯节点耐火极限的标准。本文所研究的是采用钢填板螺栓连接方式的梁柱节点，其耐火极限判定标准为木梁跨中位移变化速率达到2.5 mm/min时，构件失去承载能力。

3.6 应力场模拟结果分析

图9是木梁跨中时间-位移曲线的试验结果与有限元分析结果。

图9 木梁跨中时间-位移曲线

由图可以看出，试验结果与有限元结果的变化趋势一致，随着受火时间变长，跨中位移增长速度越来越快。10%、20%和30%荷载下耐火极限有限元计算值分别为31、21.3和12.5 min，与试验所得耐火极限28、23.2和13.4 min对比，误差分别为10.7%、8.2%和6.7%，有限元分析计算值与试验结果误差在合理范围内。造成误差的原因有：①木材本构的选用，材料参数与实际情况有误差，模拟并未考虑木材裂缝的开展；②在真实受火情况下，木材会炭化脱落，有限元分析只考虑了温度场对应力场的影响，未考虑应力场对温度场的影响；③实际情况下，木材在火灾作用下遭到破坏后还具有一定的承载能力。

4 结论

本文对采用钢填板螺栓连接的木梁-木柱节点的耐火极限进行了温度场和应力场分析，温度场分析结果与实际构件内的温度分布情况相差不大，直观表现为螺栓孔洞周围木材先炭化的现象。对10%、20%和30%不同持荷水平下耐火极限的应力场进行仿真分析，得到的结果与试验结果符合度较好，误差在6%～11%，进一步验证了试验得出的“持荷水平增加，节点耐火极限缩短”的结论。

由于本文的模拟方法仅考虑了温度场对应力场的影响，这造成了温度场以及应力场所得数据的误差，但是从与试验数据的对比上看，此有限元分析方法能够较好地模拟试验，为之后研究此类木结构建筑节点连接方式的耐火极限提供了一种方便有效的方法。