浅议钢结构半刚性节点的防火要求

随着我国城市化进程的加速和大型基础设施建设的上马, 各类型的建筑结构不断展现于人们眼前。尤其是一些大型建筑和高层建筑的兴建, 使得对于各类型建筑结构的要求也越来越高。特别是针对于一些特殊状况下的建筑结构的研究, 在各研究机构和高等学校普遍开展。钢结构工程是我国近些年比较广泛使用的新兴建筑工程形式之一, 而且多用于大型工业厂房和高层建筑当中。钢结构工程因其具有施工工期短、空间利用率高、抗震性能优秀、建筑形式美观和富于个性等优点, 深受广大建筑结构设计师和建设单位的青睐。

有很多人认为钢结构建筑是最安全的, 因为其抗震性能好, 荷载承受能力强, 而且因为钢材自身不会燃烧起火, 所以其防火性能也是最佳的。其实事实恰恰相反。钢结构建筑的最大致命缺陷就是其抗火性能的影响较大。虽然钢材的耐热性能很好, 但是并不能长时间耐高温。大量文献资料表明, 当钢材的受热温度在2500℃以下时, 钢材的弹性模量和强度不会受到较大影响;当钢材受热温度超过2500℃时, 钢材开始变得“柔软”, 即发生所谓的“塑性流动”;当钢材受热温度超过3000℃后, 钢材就会失去其明显的屈服极限和屈服平台, 其强度和弹性模量发生锐减。对于没有涂抹防火保护涂层的钢柱、钢梁、钢屋架等钢结构构件的耐火极限仅为0.25h~0.5h, 也就是说在钢结构构件面临火灾作用下, 15分钟后钢结构就随时有可能因其中部分钢构件失去承载力而发生倒塌。在现有的钢结构建筑设计施工过程中, 虽然对于钢结构建筑已经采取了较多的防火措施, 但是“钢结构不耐火”的悲剧却常常发生。尤其是钢结构构件中的节点部位, 因其受力条件复杂和钢结构构件自身耐火性能影响, 往往是火灾的易侵蚀部位, 也是导致钢结构建筑发生破坏的主要因素。

在进行钢结构建筑设计时, 设计师也很注重钢结构的节点设计。通常节点破坏有如下几种方式:当端板刚度相对较薄而柱翼缘刚度相对较大时, 梁端板破坏导致连接破坏;当柱翼缘的厚度相对较薄, 而端板较厚时, 柱翼缘破坏导致连接破坏。对于一般钢结构建筑节点设计需要满足以下几方面的要求:首先, 在强度方面, 要求节点应能够承担在正常荷载作用下产生的剪力、弯矩和轴力;其次, 在刚度方面, 要求节点应能够满足一定的构件变形要求;另外, 在施工方面, 要求节点构造简单, 便于批量制造和现场安装。

同时, 我们希望节点可以达到一种理想的受力状态, 即完全刚性连接要具有一定的柔度, 满足于构件的正常变形要求, 而理想铰接也具有一定的刚度, 满足于构件的正常承载需要, 使得节点连接的性能能够介于完全刚性连接和理想铰接之间。那么, 这种所谓的理想状态节点既能够满足钢结构的荷载要求, 同时具有满足构件变形的柔性, 在荷载作用下连接构件间可以发生相对转动, 产生一定的转角, 即半刚性节点连接。这种半刚性节点连接由于比刚性连接具有更大的延性和耗能能力, 同时还能减少工厂加工和现场安装的焊接工作量, 已经在工程中广泛应用。但是其抗火性能是否满足需要, 还要进一步的研究。

在实验室中, 我们现场模拟了半刚性节点连接在高温状态下的受载情况。通过对半刚性节点连接进行耐火荷载破坏试验, 我们发现:钢结构节点破坏主要受端板的厚度、柱腹板加劲肋的布置情况、梁柱翼缘和腹板厚度等多方面的影响。尤其是端板厚度和加劲肋的布置情况对节点耐火性能影响最大, 决定了节点的破坏形式、节点延性和节点转动刚度, 同时也决定了节点抗火性能。由于端板自身的可弯曲变形性能, 使得端板节点具有较好的延性;同时端板的厚度虽然对提高钢结构耐火温度影响不大, 但可明显提高节点的刚度;增设加劲肋可以大幅提高节点的抗火极限温度和转动刚度。

因此, 对于半刚性节点连接的设计过程中, 应注意端板的设计厚度不能太薄, 否则, 即使能够保证构件具有相应的柔性, 但却不能保证节点的抗火性能和转动刚度要求, 会导致端板和柱翼缘之间产生撕裂裂缝;加劲肋应合理设置, 用以增强节点的抗火性能, 保证节点在火灾情况下能够协调受力;如果对于端板刚度的提高不能通过增加端板厚度实现, 可采取加设加劲肋的方法来提高端板刚度。另外, 钢结构施工时, 要采用合理的焊接方法和施工顺序, 注意连接构件摩擦面的处理, 对摩擦面进行除锈打磨, 同时保证构件不出现夹渣、未焊透和气孔等焊接缺陷, 防止这些缺陷削弱焊缝的实际受力面积, 在焊缝中产生严重的应力集中, 从而影响节点的抗火性能;装配前要用钢丝刷刷去表面浮锈;对于钢梁与端板间应采用双面角焊缝, 同时端板焊接残余变形应满足《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》的要求, 保证节点焊接质量, 使节点既能够满足荷载的要求, 同时又能够保证节点具有相应的延性。

摘要：很多人认为钢结构建筑是最安全的建筑, 其实由于钢材不耐高温, 很容易受到火灾的侵袭二破坏, 特别是其节点部位最易发生破坏。对于半刚性的节点连接进行耐火试验, 得出加强半刚性节点的出发点和一般措施, 提出相应的对策。

关键词：节点连接,半刚性