与传统现浇混凝土结构相比，装配式混凝土结构具有现场湿作业少、建筑垃圾少、环境噪声污染小、生产效率高、建设周期短、工厂预制产品质量易于控制、综合经济效益高、易于实现全自动化生产和现代化控制等优点 ^[1]，更加符合建筑产业现代化的内涵，是新型建筑工业化发展的方向。

　　 建筑火灾是对人类生命和财产造成损失最严重的火灾形式 ^[2]。钢筋混凝土结构作为目前大量使用的结构形式，对其在火灾下的性能进行研究具有十分重要的社会意义。研究发现钢结构在高温环境下存在明显的性能退化 ^[3]，而火灾试验是研究受火状态下节点力学性能最直接的方法。考虑结构火灾试验费用昂贵，无法通过试验涵盖所有研究参数，因此通过有限元模型模拟节点受火时及受火后的受力情况，可作为试验研究的有效补充和扩展。

　　 以梁端内插H型钢的先张预应力预制混凝土梁-外包钢管混凝土柱框架连接节点(以下简称新型装配式组合节点)为研究对象，由于该节点主要依靠钢结构部分保证连接，目前的研究主要集中于节点在常温下的力学性能 ^[4]，而高温下的研究较少，火灾风险的存在在一定程度上限制了该节点的推广使用。

　　 基于热传导理论，采用有限元软件耦合热力计算模块，提出一种用于计算高温下组合框架节点的温度场分析模型，并用已有试验数据对有限元模型进行验证，进一步探究受火时间及连接钢接头对构件温度场分布规律的影响。

　　 预制构件的可靠连接是保证装配式混凝土结构具有良好抗震性能的关键，也是装配式混凝土结构能否推广应用的关键。

　　 梁端内插H型钢的先张预应力预制混凝土梁指浇筑混凝土前在梁两端预埋H型钢，然后采用先张法制作成预制梁(见图1a)。外包混凝土的钢管混凝土柱内置螺旋焊接圆钢管，梁柱节点区外的柱段钢管外周包裹矩形截面混凝土，作为保护层，混凝土内设置防裂钢筋网或玻纤网，梁柱节点区在构件制作时外周不包裹混凝土。上、下节段预制柱钢管采用焊接连接，钢管内现浇高强混凝土(见图1b)。在现场进行构件拼装时，通过两端的H型钢与柱上钢牛腿进行螺栓连接或栓焊连接，实现装配式节点拼装的高效性(见图1c,1d)。

　　 本研究中温度场计算主要依据瞬态热传导基本微分方程 ^[5]:

　　 式中:T为温度;t为时间;c为比热;ρ为密度;k_x为x向热导率;k_y为y向热导率;k_z为z向热导率;Q为物体内部热源温度。

　　 通过给定的初始条件及边界条件求解式(1)，实现节点温度场的计算。

　　 钢材和混凝土热工性能参数是求解温度场的重要前提 ^[6]。材料热工性能一般用以下参数表征:热传导系数、比热和密度等。进行温度场计算时，采用不同的材料热工模型计算结果存在一定差异。合理选取热工性能参数对于更准确地进行温度场模拟具有重要作用。

　　 1)热传导系数

　　 热传导系数指单位面积温度梯度下通过等温面的热流速度。欧洲规范建议高温下混凝土热传导系数 ^[7]为:

　　 欧洲规范建议钢材热传导系数 ^[8]为:

　　 式中:λ_c(T_c)为温度为T_c时的混凝土热传导系数;λ_s(T_s)为温度为T_s时的钢材热传导系数;T_c为混凝土温度;T_s为钢材温度。

　　 2)比热

　　 比热为单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量，用于反映物体吸热或散热的能力。

　　 欧洲规范建议高温下混凝土比热 ^[7]为:

　　 欧洲规范建议钢材比热 ^[8]为:

　　 式中:c_c(T_c)为温度为T_c时的混凝土比热;c_s(T_s)为温度为T_s时的钢材比热。

　　 3)密度

　　 由于内部水分的蒸发，混凝土密度在100℃时有所降低。当温度>800℃时，由于骨料中碳酸钙的分解，钙质骨料混凝土的密度降低，不过降幅很小。为简化计算，一般将混凝土和钢材密度取为常数，本研究中取混凝土密度ρ_c=2 300kg/m³，钢材密度ρ_s=7 800kg/m³。

　　 传热方式主要包括热传导、热对流和热辐射，在火灾情况下，节点外界通过热对流、热辐射的方式与节点表面进行热量交换，而节点内部通过热传导的方式进行热量传递 ^[9]。

　　 外界通过热对流和热辐射的方式与节点进行热量交换时，在升温阶段，外界温度高于节点表面温度，热量从外界向节点表面传递。节点内部热量通过热传导从高温区域向低温区域传递。

　　 初始边界条件下，即升温前，近似认为节点温度T与外界温度T_a相等，未发生热量传递:

　　 式中:T(x,y,z,t=0)表示节点坐标为(x,y,z)的位置在时刻t=0时的温度;T_a为节点外界温度，取20℃。

　　 升温过程中，通过热对流和热辐射的方式进行热量交换时，火灾温度一般按照ISO834标准升温曲线 ^[10]，属于第3类边界条件，可表示如下:

　　 式中:k为导热系数;T为瞬时温度;n为节点表面法向量;α为对流传热系数，取25W/(m²·℃);T_f为节点外界温度;ε为综合辐射系数，取0.5;σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，取5.67×10^-8W/(m²·℃⁴);T_z为节点表面温度。

　　 升温过程中，由于节点表面受外界温度的影响，节点内部不同部分之间因温度梯度的存在而发生热传导，热传导方程可表示为:

　　 式中:ρ为密度;c为比热;T为温度;t为时间;k为导热系数。

　　 基于前文所述，选用合适的参数建立验证模型(200mm×300mm混凝土梁截面)。图2所示为三面受火的梁竖向对称轴处距底面分别为0,20,150mm时的模拟计算结果与文献[11]试验结果，由图2可知，二者吻合较好，验证了有限元模型的可靠性。

　　 选用C40混凝土、Q235钢管、HRB400钢筋。柱端和梁端H型钢接头选用Q235。

　　 混凝土、钢管均采用八节点线性传热六面体单元模拟，钢筋采用二节点传热连接单元模拟。钢管与两侧混凝土之间均采用绑定约束，钢筋与混凝土采用嵌入约束。不考虑混凝土开裂和表层脱落的截面局部变化引起的温度重分布。分析过程中同时考虑热传导、热对流、热辐射对节点温度的影响。新型装配式组合节点温度场模型网格划分如图3所示。

　　 升温时间对混凝土构件温度场的分布具有明显影响，受火1h时，表面温度为945℃，远高于内部距底面100mm处的263℃，如图4所示。截面内各处温度随着受火时间的增加，存在不同程度的上升，其中接近受火表面处的温度上升最快，内部混凝土温度上升较慢，温度较低。结合图2可知，升温时间增加时，最高温度相应增加，但增幅逐渐减小。

　　 钢接头附近的等温线沿钢接头边缘弯曲，说明钢接头的存在明显影响了三面受火梁温度场的分布(见图5)，主要由于所建模型在梁跨中截断，跨中处为预应力预制混凝土梁，节点区为钢骨混凝土梁。无钢接头的梁温度场整体形状规则，而有钢接头的梁温度场在钢接头翼缘和腹板附近发生突变，这是由于钢材和混凝土热工性能差异较大，温度场因钢接头的存在发生重分布。

　　 结合有限元软件ABAQUS，根据热传导理论，通过对梁端内插H型钢的预应力混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点温度场的计算与分析，得出以下结论。

　　 1)确定高温下钢筋混凝土及钢管混凝土理论模型参数，通过有限元模拟计算分析结果与已有试验数据的对比，发现理论计算结果与试验结果具有良好的吻合性，验证了模型的正确性与可靠性。

　　 2)在合理确定钢筋与混凝土热工参数的基础上，通过有限元模拟分析升温时间对节点温度场的影响。随着升温时间的增加，最高温度相应增加，但增幅逐渐减小。

　　 3)在合理确定钢筋与混凝土热工参数的基础上，通过有限元模拟分析有无钢接头对节点温度场的影响。由于钢接头的存在，使局部混凝土梁截面温度场出现异变，内部温度上升加快。

　　 4)基于热传导理论和弹塑性有限元理论，采用有限元软件耦合热力计算模块，建立高温下新型装配式组合节点温度场分析模型，为后续应力场与温度场耦合计算奠定基础。