0 引言

　　相比于传统现浇混凝土建筑，装配式混凝土建筑具有施工速度快、劳动力需求少、对环境影响小的优势，发展装配式混凝土建筑有利于解决我国当前人口老龄化形势加重、环保形势严峻的问题，是我国未来建筑发展的重要方向。当前装配式混凝土建筑的研究主要致力于研发力学性能合理、施工便捷且湿作业少的拆分和连接形式，而在装配式混凝土建筑连接节点为达到性能等同于现浇且消除湿作业的发展过程中，往往会采用型钢和螺栓等升温传热较快的连接键进行连接，在火灾作用下这些材料会加快结构的升温速度，因此在装配式节点研究过程中，有必要对装配式节点的抗火性能进行研究。

　　对于建筑结构抗火性能的研究，当前学者已对现浇混凝土结构、钢结构及钢-混凝土组合结构进行了大量研究并取得丰硕成果^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]}，但对装配式混凝土结构的抗火性能研究却相对匮乏。王换丽对一装配整体式螺栓钢板箍连接框架柱进行抗火性能有限元参数分析，发现轴压比、偏心率、受火条件、配筋率、保护层厚度对耐火极限影响较大，钢板箍厚度、栓杆直径和柱形式对耐火极限影响较小^[15]。何涛对一预制装配式叠合梁进行抗火性能有限元分析，发现叠合梁的耐火极限随荷载比和受火面的增加而降低，随混凝土强度的提高而提高，箍筋配筋率对叠合梁耐火极限的影响不大^[16]。邓利斌等对2块预应力和2块非预应力预制装配式混凝土简支叠合板进行耐火性能试验，发现所有试件最终破坏形式均为跨中横向受拉裂缝引起的弯曲破坏，破坏时构件跨中挠度较大、延性较好;叠合板耐火极限受板底的温度影响较大，板底涂抹水泥砂浆粉刷层能有效提高构件耐火极限^[17];对比预应力和非预应力叠合板，预应力叠合板受火后弯曲刚度退化速度更快且同条件下耐火极限更短。李志杰等对3个预制混凝土墙进行抗火试验，对比受火时长和有无保温层对构件在火灾中的变形影响并实测构件耐火极限^[18]。现有关于装配式混凝土结构的文献大都仅针对装配式梁、柱、板、墙构件进行抗火性能研究，而对装配式梁柱节点的抗火性能研究较少。虽然顾为健等对装配式节点的抗火性能进行了模拟分析^[19]，但文献研究节点连接方式为湿连接。由于湿连接对施工效率提升有制约且无完全意义上消除现场现浇混凝土的湿作业，故现有装配式节点的一个发展趋势是干式连接，而目前对装配式干式连接节点的抗火性能研究鲜有报道。本文基于有限元分析软件ABAQUS，以柱轴压比、梁荷载比、轴压偏心率、混凝土保护层厚度、节点连接螺栓直径为变量参数，对新型装配式干式节点的抗火性能进行研究。

　　1 节点构造

　　本文研究节点由重庆大学土木工程学院施工团队提出，其设计用途主要为普通低多层框架结构民用建筑，节点构造如图1,2所示，本装配式节点在梁柱交界面断开，上、下柱采用灌浆套筒连接，下柱设牛腿，梁放置于下柱牛腿上，通过L型钢和高强度螺栓进行梁柱连接。在构件尺寸方面，梁截面尺寸为300mm×400mm，柱截面尺寸为400mm×400mm，框架梁跨度4 200mm，层高3 300mm，套筒长200mm，内径32mm，外径44mm;在材料强度等级方面，柱采用C40混凝土，梁采用C30混凝土，型钢及套筒强度等级采用Q345，螺栓采用6.8级，受力纵筋采用HRB400，箍筋采用HRB300;在钢筋排布方面，梁柱箍筋加密区间距采用100mm，非加密区间距200mm，梁受力筋为4根20受力纵筋，柱受力筋为8根20受力纵筋，承台及梁与承台连接区域箍筋间距为50mm，且各自下部设2根20受力纵筋。

　　2 有限元模型建立

　　采用有限元分析软件ABAQUS CAE前处理，对节点按上述模型尺寸进行建模，进行模拟火灾下温度场分析，再采用顺序热力耦合对节点的耐火极限进行分析，建模过程模型主要参数如下。

　　

　　图1 节点拼装  

　　 

　　

　　图2 节点整体 

　　 

　　1)在材料参数方面，参考欧洲规范和已有学者研究成果对钢材的比热^[20,21]、热传导率^[20,21]、热膨胀系数^[20,21]、弹性模量^[22]、高温下应力与应变关系^[22]、泊松比^[23]进行定义，由于钢材的密度受温度影响较小，因此统一取为7 850kg/m³;参考已有学者研究成果对混凝土的比热^[24,25,26]、传导率^[24]、热膨胀系数^[24]、弹性模量^[27]、高温下应力与应变关系^[24,28]、泊松比^[29]进行定义，由于混凝土密度受温度影响较小，因此统一取为2 350kg/m³;灌浆料材性根据已有文献研究结果^[30]按C80混凝土取值。

　　2)在模型整体参数方面，考虑节点整体受火，受火面综合辐射系数取0.5，对流传热系数取25W/(m²·℃)，玻尔兹曼常数(Stefan Boltzmann constant)取5.67×10^-8[W/(m²·K⁴)]，绝对零度取-273.15℃，模型初始温度设为20℃。

　　3)在接触关系方面，在温度场分析过程中整体采用绑定连接，在进行热力耦合分析时，修改钢筋与混凝土为内置，考虑螺栓预紧力，螺栓侧表面不再设置接触关系，将梁柱接触面修改为表面与表面接触。

　　4)在边界条件和荷载方面，温度场分析过程中整体不设置边界条件，热力耦合分析时，限制柱上端z轴方向平动，限制柱下端x,y,z 3个方向平动和绕x,y轴方向转动，限制梁端x和z方向平动与绕x,y轴方向转动;柱端设置集中荷载，梁上设置均布荷载。

　　3 耐火极限参数分析

　　3.1 假设及简化条件

　　在模型计算过程中，由于热力耦合过程中，软件插值计算过程中自由度数量增加，极大地增加计算时长，而耐火极限分析主要关注达到丧失承载力变形状态时的受热时间点，本文在研究过程中，在文献[15]研究基础上，结合本文研究节点的具体情况，采用以下假设和简化条件:(1)平截面假定，即垂直于构件轴线的平截面在受到压缩、拉伸和纯弯曲的作用后仍为平面;(2)忽略构件在受力过程中钢筋与混凝土之间的滑移;(3)对于以弯曲变形为主的受压构件，忽略构件剪切变形的影响;(4)不考虑构件的局部屈曲;(5)忽略钢材焊接和冷弯残余应力的影响;(6)关注节点达到耐火极限的具体时间节点，以15min为单位，赋予节点该受火时长的温度，计算模型梁柱端变形量，找出达到耐火极限的时间范围，再以3min为单位，插值获取节点的耐火极限。

　　3.2 耐火极限判别条件

　　在火灾过程中，由于构件内部温度升高导致材料力学性能劣化，在构件较常温状态承受荷载基本不变的情况下，构件产生的变形和变形率会较常温状态有显著增长，若火灾工况一直延续，构件最终会因高温造成的材性劣化失稳破坏。在建筑设计和使用过程中，将构件自受火起至达到变形无法满足正常使用的承载力的时间称作承载力耐火极限，承载力破坏主要根据承载构件在火灾中的绝对变形量或相对变形率进行研判。对于建筑构件的耐火极限，GB/T 9978—2008《建筑构件耐火试验方法》^[31]中对构件在火灾中绝对变形量达到耐火极限的规定为:对于受弯构件，当达到以下状态时，可视为丧失承载力:

　　

　　 

　　式中:D为受弯构件弯曲变形量;L为构件的净跨度;d为构件截面上抗压点与抗拉点之间的距离。

　　对于轴向承重构件，当达到以下状态时，可视为丧失承载力:

　　

　　 

　　式中:C为受压构件轴向压缩变形量(mm);h为构件常温下初始高度(mm)。

　　对于本文研究节点，在火灾过程中，梁柱中任意一处达到丧失承载力的变形条件即可说明节点达到耐火极限，由于梁柱受火承载力丧失的判别标准不同，如果采用式(1)、式(2)对梁柱达到耐火极限变形条件的方法进行直接计算，难以进行直观判别，因此本文在研究过程中采用归一化原则，设定一承载变形系数B，代表构件该受火时刻变形量与承载力丧失时变形量的比值，当B>1，则可视为节点丧失承载力，该时刻即为节点的耐火极限。

　　

　　 

　　式中:B_l为梁承载变形系数;B_z为柱承载变形系数。

　　3.3 升温条件

　　本文研究过程中采用ISO 834-1∶1999标准升温曲线^[32]模拟受火条件，对节点进行升温，升温曲线如图3所示。

　　

　　图3 标准升温曲线 

　　 

　　3.4 参数分析模型设置

　　本文在分析研究过程中设定柱端轴压比、梁上荷载比、混凝土保护层厚度、螺栓直径、柱轴压偏心率为参数变量，对上述参数对装配式节点火灾过程中耐火极限的影响进行研究，具体如表1所示。

　　  

　　表1 装配式节点模型参数设置 

　　 

　　 

　　

　　注:本文研究过程中偏心率为0的节点分析过程中考虑柱初始缺陷，按柱长1/1 000设置偏心距

　　3.5 分析结果论证

　　3.5.1 柱轴压比对耐火极限影响

　　由图4和表2可看出，对本装配式节点分别在轴压比0.15,0.3,0.45状态下进行火灾模拟，3个节点最终达到耐火极限破坏形式均为梁端失效;节点在达到耐火极限过程中，变形速度-时间关系斜率逐渐增大，说明在接近耐火极限过程中，呈加速变形趋势，在达到耐火极限节点失效破坏前，失效部位变形速度开始陡增，节点破坏具有一定的突然性;其他条件相同的情况下，轴压比大的节点耐火极限较小，对于本装配式节点，柱的轴压比大小对梁的耐火极限也有较大影响，柱的轴压比从0.15上升到0.3和0.45，节点的耐火极限分别下降9.2%和27.8%;虽然最终节点的破坏均为梁变形过大，但可看出在受火时间相同的情况下，轴压比大的柱变形量远大于轴压比小的柱变形量，CZ3节点的柱在梁达到耐火极限失效后不久也出现变形量陡增趋势。

　　

　　图4 轴压比对节点耐火极限影响曲线 

　　 

　　  

　　表2 轴压比对节点耐火极限影响 

　　 

　　 

　　

　　3.5.2 梁荷载比对耐火极限影响

　　由表3和图5可看出，以梁荷载比为分析参数，选用荷载比为0.6,0.8,1.0进行分析时，最终的破坏方式均为梁达到耐火极限的变形而破坏;节点耐火极限随梁荷载比的增大而减小，但相对于轴压比，梁荷载比从0.6增加到0.8和1.0的过程中，节点耐火极限分别下降7%和12%，梁荷载比对节点耐火极限影响相对较小;同时，在节点中梁柱相互影响关系中，梁荷载比的变化对该节点上柱在相同受火时间的变形几乎无影响。

　　

　　图5 梁荷载比对耐火极限影响曲线 

　　 

　　  

　　表3 荷载比对耐火极限影响 

　　 

　　 

　　

　　3.5.3 柱偏心率对耐火极限影响

　　由图6和表4可看出，在本文模拟试验设定偏心率范围内，节点首先达到耐火极限失效的区域依旧是梁端;相比于轴心受压节点，其他条件相同的情况下，偏心率0.15,0.3,0.45的节点耐火极限分别下降13.8%,22.5%,28.9%，柱偏心率变化节点对火灾作用中梁弯曲变形的发展有较大影响;在其他条件相同的情况下，偏心率较大的柱在受火时间相同的情况下变形较大，其中偏心率为0.45的CZ8节点在梁达到耐火失效破坏10min内，柱也达到失效破坏，偏心率为0.3的CZ7节点在柱端变形也出现开始陡增突变趋势，因此从控制节点最终失效形式的角度出发，应在设计使用过程中控制节点最大偏心率。

　　

　　图6 柱荷载偏心率对节点耐火极限影响曲线 

　　 

　　  

　　表4 柱荷载偏心率对节点耐火极限影响 

　　 

　　 

　　

　　3.5.4 混凝土保护层厚度对耐火极限影响

　　由表5和图7可看出，梁柱保护厚度分别从25mm和35mm增加到30mm和40mm，节点整体耐火极限增加49min，由于混凝土相比于钢材，导热系数极小、比热容又较大，混凝土内部升温较慢，增加混凝土保护层厚度可延缓钢筋受热材性劣化的过程，这是提高节点耐火极限的经济有效方法。

　　  

　　表5 混凝土保护层厚度对节点耐火极限影响 

　　 

　　 

　　

　　3.5.5 螺栓直径对耐火极限影响

　　

　　图7 混凝土保护层厚度对节点耐火极限影响曲线 

　　 

　　由表6和图8可看出，增大螺栓直径后，节点的耐火极限有所提高，主要原因是上述几个节点达到耐火极限状态时均为梁先失效破坏，梁端螺栓作为牛腿与梁的连接构件，保障节点的整体性;同时，在火灾过程中，螺栓作为传热键加速节点核心区升温。模拟结果表明，增加螺栓直径虽一定程度上加快混凝土节点区域的升温速度，但由于高强度螺栓高温材性劣化后的强度仍大于常温下混凝土，因此增大螺栓直径后，增强节点处整体抗弯能力，一定程度上降低梁在火灾作用下变形速率;对比同时刻该节点柱的变形系数，受火时间相同的情况下，螺栓直径变化对柱轴向压缩变形的影响很小，虽然螺栓在受热过程中充当传热键，提高节点核心区混凝土升温速度，但由于柱整体受火后，压缩变形率整体沿柱长方向较均匀，增大螺栓直径仅能提高核心区混凝土的压缩速度，对整体影响有限。

　　  

　　表6 螺栓直径对节点耐火极限影响 

　　 

　　 

　　

　　3.5.6 耐火极限综合分析

　　由表7可看出，根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)^[33]，本文分析过程中所有节点均能满足规范对二类及以下低多层住宅和公共建筑梁耐火极限>1.5h、柱耐火极限>2.5h的结构构件耐火极限最低要求，且达到耐火极限时的破坏形式均为梁端失效，本文研究节点从耐火性能方面设计较合理;本文参数分析中选取结构施工中常见的变量参数进行分析，在各分析变量中，对于本文研究节点，柱轴压比、梁荷载比、偏心率增大为对耐火极限的不利条件，混凝土保护层厚度、螺栓直径增大为对耐火极限的有利条件;在不利条件中，对于本文研究节点，柱轴压比、偏心率的变化对耐火极限的影响相较于梁荷载比更大，从保障耐火性能的角度出发，在节点使用过程中，应重点控制轴压比和偏心率;在有利条件中，增大混凝土保护层厚度对节点耐火极限的提升效果远大于增大螺栓直径，因此从保障耐火性的角度出发，在节点使用过程中，增大混凝土保护层厚度、减缓钢筋升温速度为相对经济有效的措施。

　　

　　图8 螺栓直径对节点耐火极限影响曲线 

　　 

　　4 结语

　　本文基于有限元分析软件ABAQUS，以新型装配式干式节点为研究对象，采用顺序热力耦合分析，以轴压比、荷载比、偏心率、保护层厚度、螺栓直径为参考变量对10个装配式节点在火灾作用下耐火极限进行分析研究，得到以下结论。

　　  

　　表7 耐火极限综合分析 

　　 

　　 

　　

　　从破坏形式上看，本文研究节点在火灾作用下均为梁先达到耐火极限，丧失承载力，满足《建筑设计防火规范》(2018年版)中同一级建筑分类中的建筑中柱耐火极限大于梁耐火极限要求。

　　在本文赋予8种常见工况范围内，新型装配式干式连接节点均能满足《建筑设计防火规范》(2018年版)对民用低多层住宅和公共建筑的耐火极限要求，节点在设计初衷范围内使用耐火性能可靠。

　　对于本文分析的影响节点耐火极限的参考变量，轴压比、荷载比、偏心率增大对延长节点耐火极限不利，其中轴压比、偏心率的影响较荷载比而言更大;混凝土保护层厚度和螺栓直径的增大对延长节点耐火极限有利，其中增加混凝土保护层厚度的效果优于加大螺栓直径。

　　从节点达到耐火极限的过程来看，在节点接近破坏时，均出现变形速度陡增，节点达到耐火极限失效具有一定突然性。