近年来，随着我国社会经济和城市化建设的快速发展，钢结构凭借其轻质高强、环保节能、施工快速等优点在我国多高层和大型公共建筑领域应用日益广泛。但是钢材耐火性能较差，在经历火灾高温作用后容易出现屈服强度等力学性能的劣化，因此钢结构相对于混凝土结构在火灾下更容易发生整体倒塌。除了在火灾中直接发生倒塌的结构外，实际上还存在大量火灾后没有发生整体性倒塌的结构，这些火灾后的结构经过局部加固后仍有继续使用的可能。由于火灾高温的影响，此时火损后结构发生连续性倒塌与结构未受火时发生连续倒塌机制有所不同。在这种背景下，深入认识和掌握受火后梁柱子结构、连接节点以及整体结构的力学性能是进行该类结构火灾后抗倒塌性能评估、制订修复加固方案和措施的前提。因此，开展钢结构火灾后的整体抗倒塌研究意义重大。
梁柱节点作为钢框架体系的重要组成部分，其节点构造形式和在极端荷载下力学性能对结构整体性能的表现以及预防连续性倒塌起着至关重要的影响。目前，针对钢框架梁柱子结构火灾后的抗倒塌性能评估、火灾后的抗倒塌行为及力学机理等相关研究仍然较少，这对于认识和掌握结构受火后的力学性能以及后续制定相关加强方案均有不利影响。因此，深入开展钢框架结构火灾后的抗倒塌性能研究具有重要的科学价值和意义。本文以应用广泛的钢框架梁柱子结构为研究对象，采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的手段，系统开展了子结构火灾后的抗连续倒塌性能研究。本文主要工作与结论如下：
（1）基于备用荷载路径法，设计制作3组不同节点构造的“节点双半跨”子结构模型，包括栓焊混合节点、全焊接节点以及外伸端板节点，并对试件实施火灾后的竖向推覆静力加载试验，每组子结构模型中包括9个受火处理的节点试件和1个未受火处理的对照试件。获取了梁柱子结构的变形破坏过程、竖向承载力、挠度变形以及关键截面的应变发展与分布规律，重点考察了节点构造和受火条件对子结构抗连续倒塌性能的影响。试验结果表明，三类梁柱子结构受火后均体现出了良好的抗倒塌性能，其中，栓焊混合节点展现出了最好的延性和转动能力，全焊接节点其次，外伸端板节点性能较大程度上取决于端板与柱身相连的高强螺栓性能，其子结构抗倒塌性能受火灾条件影响最为敏感。受火后栓焊混合节点和全焊接节点在失效状态和极限状态时所对应的塑性转角均显著大于DoD指南提供的塑性转角限值要求，证实上述节点具有良好的转动能力，其子结构体现出了良好的火灾后抗连续倒塌性能。当受火温度分别超过400℃和600℃后，外伸端板节点在失效状态和极限状态时所对应的塑性转角均不满足DoD指南提供的塑性转角限值要求，表明外伸端板节点塑性转动能力受火灾温度影响更为显著。
（2）采用ABAQUS有限元软件建立考虑材料损伤断裂的精细化数值模型，对不同节点构造的梁柱子结构在中柱失效工况下的破坏模式和力学响应进行模拟验证。模拟结果表明，有限元结果与试验结果在破坏模式、荷载-位移曲线、应变发展曲线、内力效应和抗力机制等方面都吻合良好，验证了精细化模拟方法的合理性。基于校验的数值模型，对各类节点构造的梁柱子结构开展大量变参数分析，讨论其对子结构抗倒塌性能的影响，并针对火灾特殊荷载给出结构抗连续倒塌的设计建议。最后，还针对各类构造节点提出相应子结构火灾后的性能提升方案，从而提高整体结构的抗连续倒塌性能。
（3）结合试验和精细化模拟结果，分析各类节点构造的梁柱子结构在中柱失效工况下的内力效应、抗力机制和竖向承载力的发展规律，着重探究节点构造和受火条件对子结构内力效应和抗力机制发展的影响。其次，归纳各类节点子结构的内力效应、抗力机制和竖向承载力的发展特征，分别构建火灾后梁柱子结构的内力效应、抗力机制和竖向承载力发展模型，并给出相应模型的参数取值范围。最后，将梁柱子结构的抗力机制发展过程划分为弯曲机制作用阶段、弯曲机制主导阶段、悬索机制主导阶段以及悬索机制作用四个典型阶段，并建议采用反应结构整体受力性能的竖向承载力作为梁柱节点的失效判定准则。
（4）采用热-力耦合和竖向推覆非线性分析对边界约束的梁柱子结构受火过程中的力学特征和火灾后的倒塌行为进行模拟，获取试件的温度场分布、竖向承载力、跨中挠度以及结构内力响应情况，考察节点类型和受火条件对子结构悬索机制效应的影响。模拟结果表明，尽管钢材性能在受火后会发生损伤退化，但梁柱子结构受火后产生的轴向压力部分提高了其刚度和承载力，使得子结构在初期就具有维持较高抗力水平的能力。考虑到受火后所特有的负轴力效应，引入“负”悬索阶段，构建带边界约束的梁柱子结构火灾后的四阶段力学模型，包括弹性阶段、“负”悬索阶段、过渡阶段和“正”悬索阶段。在此基础上，推导了刚性和半刚性节点子结构在中柱荷载下的承载力-位移关系曲线的计算公式，揭示了梁柱子结构火灾后连续性倒塌过程中的受力机理。对比分析表明，提出的理论模型和有限元模型模拟结果吻合较好，能够满足工程设计的精度要求。
（5）借助精细化数值计算模型，分析梁柱子结构节点域和连接部位的受力特征和变形模式，基于节点组件法思想，建立适用于火灾后不同节点构造的简化弹簧模型，并给出相应弹簧组件的力学参数。针对节点域受力特点，设置斜向剪切弹簧来考虑节点域的剪切变形，设置顶底轴向弹簧来考虑节点域的弯曲和轴拉变形，顶底轴向弹簧采用三折线模型来表征弹簧“线性-强化-卸载”三阶段发展特征，斜向剪切弹簧则采用相对较大刚度的线性弹簧模型加以表征；针对连接部位受力特点，建立由刚性杆、轴向弹簧或转动弹簧构成的连接简化模型，根据连接部位受力行为和传力机理的差异，提供相应连接组件弹簧的本构模型及其力学参数的计算方法。通过对各类节点构造的梁柱子结构试验结果进行模拟，验证了简化模型的可靠性。最后，将上述简化模型用于平面钢框架结构受火后倒塌失效过程分析，实现了考虑不同节点构造的整体框架结构倒塌失效模拟。

连续性倒塌，全过程火灾作用