高强度螺栓受剪连接抗火性能试验研究

范圣刚 舒赣平 霍昌盛

(1东南大学土木工程学院，南京 210096)(2东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096)

(3上海核工程研究设计院，上海 200233)

高强度螺栓受剪连接抗火性能试验研究

范圣刚1，2舒赣平1，2霍昌盛3

(1东南大学土木工程学院，南京 210096)(2东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096)

(3上海核工程研究设计院，上海 200233)

为了考察高强度螺栓受剪连接的抗火性能，用试验方法研究了其在高温状态下和过火冷却后的抗剪性能与行为反应.通过稳态升温试验，对5组(共8个)试件开展了火灾试验，研究了滑移荷载与极限荷载随温度的变化规律;通过常温下试验，研究了6组(共15个)过火后试件的受力性能，揭示了过火温度、过火处理方法和冷却方式对滑移荷载的影响.结果表明:当温度超过350℃时，滑移荷载与极限荷载随温度升高急剧下降;过火温度越高，冷却后试件的滑移荷载值越小，且不同过火处理和冷却方式的试件滑移荷载值是不相同的.拟合出了高温下滑移荷载与极限荷载折减系数以及过火后滑移荷载折减系数的近似计算公式，建议高强度螺栓受剪连接抗火分析的临界温度取350℃，为钢结构抗火研究提供参考依据.

高强度螺栓;受剪连接;抗火性能;高温

节点连接是钢结构的重要组成部分，连接性能的好坏直接关系到钢结构的整体性能.钢结构连接节点一旦发生破坏，结构整体受力性能将会发生较大改变，甚至导致结构完全丧失承载能力或连续倒塌.高强度螺栓连接具有连接紧密、受力性能稳定、安装简单及承受动力荷载时不易松动等优点，是钢结构节点中广泛采用的一种连接件.

国内外研究资料表明［1-3］，钢结构抗火性能的研究目前主要集中在构件抗火计算和结构整体抗火分析等方面.随着钢结构抗火研究内容的不断拓展，节点抗火性能的研究也日趋增多，因此高强度螺栓连接抗火性能的研究也越来越受到重视.但有关高强度螺栓连接抗火性能的试验研究未见大量报道，尤其是过火后高强度螺栓连接性能的研究甚少.文献［4］对耐火高强度螺栓的拉伸性能、受剪性能及预拉力损失进行了火灾试验研究;文献［5］对高温下8.8级M20高强度螺栓的性能进行了系列化试验研究，开展了火灾下高强度螺栓的材料性能、拉伸性能、剪切性能及过火的硬度等试验;文献［6］对高温下高强度螺栓连接的抗剪性能及滑移系数进行了试验研究;文献［7-8］对高温下20MnTiB钢的材料性能进行了试验研究，且结合几何和材料非线性编制了高温下高强度螺栓连接计算的有限元程序.

本文对高温下及过火冷却后(自然方式和泼水方式)10.9级M20扭剪型高强度螺栓受剪连接性能开展系列化试验研究，揭示了高温下高强度螺栓受剪连接滑移荷载与极限荷载随温度的变化规律，以及过火冷却后抗剪连接滑移荷载的大小，给出相关的试验现象和破坏形态，并通过数值分析，拟合出受剪连接高温下的滑移荷载与极限荷载折减系数以及过火冷却后滑移荷载折减系数的计算公式.最后，本文通过ANSYS软件建立基于试验试件的有限元准确计算模型，对高强度螺栓在高温状态下与过火后受剪连接性能进行了模拟分析与计算，并将有限元计算结果与试验结果进行了对比，验证了试验结果的可靠性与准确性.

1 高温下受剪连接性能试验

1.1 试验方案

高温下高强度螺栓受剪连接试验的试件尺寸和连接方式如图1(a)所示.高强度螺栓采用10.9级M20扭剪型，预拉力P=155 kN，材质为20MnTiB，被连接板和连接板材质为Q345B.在试件加工制作过程中，由于加载设备应在常温状态下进行工作，因此需通过增加被连接板的长度将加载位置过渡到升温装置以外;被连接板端部应设置相应区段的刻痕，便于加载装置夹持试件，防止试件两端出现打滑，如图1(a)所示;受升温装置(自制热电炉)尺寸的限制，且为了防止高温下试验荷载过大可能造成连接板较大滑动而产生危险，因此连接试件的两端仅设置了单颗螺栓连接.加工制作完成后的连接试件模型如图1(b)所示.

图1 高强度螺栓受剪连接试验试件(单位:mm)

试验加载装置为材料试验机，升温装置采用自制热电炉，如图2(a)所示.试验前将自制热电炉和试件安装到材料试验机上.在热电炉内部设置图2(b)所示的K型热电偶来测试炉腔内部温度;自制热电炉配有专用的温度控制仪，用于调节和控制炉腔内的实际温度.火灾试验可采用2种方法:稳态试验和瞬态试验.在稳态试验中，首先将温度上升到一定值，然后进行加载试验;在瞬态试验中，首先将荷载加到一定值，然后进行升温.稳态试验容易开展，瞬态试验更接近真实火灾［9］.本文火灾试验采用稳态试验，试验控制温度点设定为20，250，350，450，550℃.试验试件被分成5组，共计8个试件，分组详见表1.

图2 试验加温装置

表1 试件分组及加载机制

1.2 试验过程

将试验试件置于自制热电炉中，升温至控制温度点，恒温30 min后，再按表1的加载机制进行加载.试验的具体加载机制为:① 为了避免连接试件夹持两端的滑动而施加不上荷载，应快速施加荷载P(约为高温下滑移荷载设计值的10%)，且保持荷载恒定1 min.②按表1的加载机制开始逐级施加荷载，每级加载稳定后，利用材料试验机力学性能测试软件记录各级加载对应的荷载值，然后记录千分表和组合式位移计的读数;若试验机荷载显示盘上读数出现反复时，对应荷载值为试件在高温下的滑移荷载值，此时连接板与被连接板的钢材尚未屈服(应变片难以准确地测量出高温下的应变值，由后续有限元分析可知，此时钢板应力约为95 MPa).③ 继续加载，直至试件破坏，记录下试件的破坏荷载值.

1.3 试验结果分析

试验所得高强度螺栓受剪连接高温下滑移荷载与极限荷载的试验值、平均值及与常温下相比的折减系数如表2所示.试验结果表明:高温下高强度螺栓的受剪连接破坏机理类似于常温受剪连接的破坏过程;随着荷载的增加，试件首先通过连接板与被连接板间的摩擦力传递外力，当摩擦力被完全克服后，连接板与被连接板间产生滑移;荷载继续增加，螺栓杆接触并挤压孔壁，通过螺栓杆抗剪传递荷载，孔壁与螺栓杆发生变形;试验荷载持续增加，直至极限荷载，此时孔壁变形过大或螺栓杆断裂，试件破坏.

表2 高温下高强度螺栓抗剪试验的结果

为了验证试验结果的准确性，将试验所获得的高温下滑移荷载和极限荷载折减系数与文献［6，10］中已有的试验结果进行了对比，结果如图3所示.由图3(a)可知，当温度低于350℃时，本文试验所获得的高温下滑移荷载折减系数与文献［6］的结果相近;当温度超过350℃时，两者的结果存在较大偏差.由图3(b)可知，本文所获得的高温下极限荷载折减系数与文献［10］的结果在300～500℃区段内存在较大的差异，本文试验结果从350℃时呈现剧烈下降，文献［10］的结果在此温度区段内基本保持不变.综上所述，可得出:高强度螺栓受剪连接的滑移荷载和极限荷载均随着温度升高逐渐降低;温度低于250℃时，滑移荷载和极限荷载值降低不多;温度超过350℃后，两者急剧下降;温度达到550℃时，两者分别为常温下的33%和44%，对于摩擦型高强度螺栓受剪连接，此时可认为完全丧失了承载能力.因此，本文建议高强度螺栓受剪连接抗火分析的临界温度取350℃.

采用DataFit软件对试验结果进行数值分析和拟合，高温下高强度螺栓受剪连接的滑移荷载折减系数ηy和极限荷载折减系数ηu按下式计算:

式中，N，NT分别表示高强度螺栓受剪连接在常温和高温Ts下的滑移荷载值分别表示高强度螺栓受剪连接在常温和高温Ts下的极限荷载值.

图3 高温下荷载折减系数的试验结果和拟合结果

拟合结果与试验结果的对比如图3所示，拟合公式(1)、(2)与试验结果的误差均值分别为0.46%，0.53%，方差分别为 1.82%，1.83%;两者吻合较好，且精度高.

2 过火冷却后受剪连接性能试验

2.1 试验方案

过火冷却后高强度螺栓受剪连接试验的试件尺寸和连接方式如图4(a)所示.试验过程中，对试件的过火处理采用了2种方法:① 先通过高强度螺栓将连接板与被连接板连接成整体，加热至指定温度，恒温一定时间后，采用自然和泼水2种方式冷却.②将连接板和被连接板加热至指定温度，恒温一定时间后自然冷却，再通过高强度螺栓将两者连接成整体.在冷却过程中，由于泼水冷却具有较大的不确定性，因此在对应试件的表面布置了数字金属表面温度计来测定其温度变化，测点布置如图4(b)所示.经过火冷却后的整体试件和板件如图5所示.高强度螺栓采用10.9级M20扭剪型，材质为20MnTiB，被连接板和连接板材质为Q235B.过火控制温度设定为 20，200，300，400，500，600 ℃.根据过火控制温度、过火处理方法及冷却方式的不同，将试验试件分成6组，共计15个，具体分组详见表3.

连接试件及板件的过火热处理是在箱式高温电阻炉内完成的，加载装置采用300 kN电子万能材料试验机.试验的加载机制为:先对试件快速施加荷载9 kN，稳定1 min;再以3 kN/s速率平稳加载.

图4 过火后连接试件尺寸和温度测点布置(单位:mm)

图5 过火后整体试件和板件

表3 过火后受剪连接试件分组

2.2 试验现象与结果

对整体过火后的试件(见图5(a))，当过火温度低于400℃时，试件滑移时伴随着较为明显的响声;当过火温度超过400℃，试件滑移时响声较小或基本无响声.对过火后的板件(见图5(b))，当过火温度低于300℃时，冷却后板件表面未发生明显变化;当过火温度高于300℃时，部分板件表面呈紫色，自然冷却后板件表面会生出赤锈，而泼水冷却后板件表面颜色浅于前者;当过火温度超过500℃时，板件表面呈黑色.

泼水冷却后各试件(AJ-4，AJ-6，AJ-9，AJ-12，AJ-15)的降温曲线(温度随时间的变化关系)与温度折减系数如图6所示.由图6(a)～(e)曲线可知，在泼水冷却初始阶段，各试件表面的温度剧烈降低，降至80℃左右，然后开始均匀缓慢地下降至常温.

各试件的荷载-位移曲线如图7(a)、(b)所示，对泼水冷却的试件，其对应的荷载-位移曲线存在较大差异，如AJ-4，AJ-6和AJ-9试件均呈现出较大幅度的波动，其中AJ-6试件由于加载过程中荷载下降过大而未能获得完整的荷载-位移曲线;其他各试件(包括自然冷却)的荷载-位移曲线均无较大的波动，曲线平缓，试件滑移时荷载-位移曲线突变较小.自然冷却和泼水冷却方式下的试件滑移荷载对比曲线如图7(c)所示.

图6 试件泼水冷却的降温曲线

图7 过火后试件的试验荷载-位移曲线和滑移荷载曲线

过火后试件滑移荷载的试验值和螺栓预拉力值见表4，其中AJ-7，AJ-10和AJ-13三个试件为先将连接板分别加热到300，400和500℃后在空气中自然冷却至常温，再通过高强度螺栓连接成整体进行滑移试验.由表4结果可知，对AJ-7试件，将连接板和被连接板加热至300℃，被连接板接触面破坏不严重，摩擦系数与常温下相近，试件的滑移荷载约为95.42 kN，为常温下滑移荷载的89%;对AJ-10和AJ-13试件，板件分别被加热至400℃和500℃，被连接板接触面上产生赤锈，摩擦系数提高，约为0.405和0.387(常温下的试验结果为0.345)，此时滑移荷载提高，分别为常温下的1.18倍和1.12倍;过火处理后整体试件(如 AJ-3～AJ-6、AJ-8～AJ-9、AJ-11、AJ-12、AJ-14、AJ-15)的滑移荷载较常温下均有不同程度的下降，原因是高温过火后高强度螺栓的预拉力值降低，且温度越高降低程度越大.由图7(c)可知，当过火温度不超过300℃时，冷却方式对受剪连接的滑移荷载影响较小，二者相差约为5%;当过火温度超过400℃时，泼水冷却和自然冷却的试件滑移荷载相差较大，前者比后者约低10%.

表4 过火后试件滑移荷载的试验值和预拉力值

2.3 对比分析

为了验证试验结果的准确性，将本文试验所得过火后试件的滑移荷载折减系数与文献［4，6］中的试验结果进行了对比，如图8所示.由图8可知:当过火温度低于400℃时，本文试验所获得的滑移荷载与文献［6］的试验结果接近，且文献［4］的试验结果远远高于本文和文献［6］的试验结果，这主要是由于文献［4］的试件采用耐火钢螺栓，其在火灾下的力学性能要优越于20MnTiB钢材;当过火温度超过400℃，本文试验结果与文献［4］的试验结果接近.由本文试验结果可知，当过火温度不超过300℃时，试验试件的滑移荷载约为常温下的70%;当过火温度达到400℃时，滑移荷载剧烈下降;当温度为600℃时，滑移荷载仅为常温下的20%.因此，过火后受剪连接试件的滑移荷载产生大幅度降低时，其对应的过火控制温度点约为300～350℃.

本文通过DataFit软件对过火后受剪连接各试件的试验数据进行拟合和回归，自然冷却下滑移荷载的折减系数λa和泼水冷却下滑移荷载的折减系数λw可按下式计算:

式中，N表示在常温下高强度螺栓抗剪连接的滑移荷载值;NaT，NwT分别表示过火温度为Ts再通过自然冷却和泼水冷却后高强度螺栓受剪连接的滑移荷载值.

拟合结果与试验结果的对比如图8所示，拟合公式(3)、(4)与试验结果的误差均值分别为1.48%，3.42%，方差分别为 2.8%，6.86%;两者吻合好，且精度较高.

图8 不同试验和不同冷却方式下滑移荷载折减系数的试验结果和拟合结果

3 有限元模拟分析

3.1 高温下受剪连接性能

按图1(a)的试件尺寸与连接方式建立计算模型［11-12］，通过有限元模拟分析，可得出各温度下的滑移荷载值以及荷载-位移曲线，如图9(a)所示.不同温度下滑移荷载和极限荷载折减系数的有限元计算值与试验结果的对比如图3(a)、(b)所示.

由图9(a)可知，随着荷载的增加，高温下高强度螺栓受剪连接主要经历了第1次滑移(螺栓孔孔隙间滑移)、第2次滑移(孔壁挤压变形)和极限状态(螺栓杆完全变形或断裂).由图3(a)可知:当温度不超过350℃时，试验所得滑移荷载的折减系数与有限元计算结果吻合较好;当温度达到或超过450℃后，二者之间的偏差逐步增大.由图3(b)可知，试验所获得的试件极限荷载与有限元计算结果有较好的吻合.

图9 有限元计算出的荷载-位移曲线

3.2 过火冷却后受剪连接性能

按图4的试件尺寸与连接方式建立计算模型，通过计算分析得出试件滑移后的应力分布及其荷载-位移曲线，且将有限元计算结果与试验结果进行了对比.计算结果表明:高强度度螺栓连接在滑移后连接板与被连接板的应力值均较小，远低于材料的屈服强度;高强度螺栓的应力值较高，但也低于材料的强度.图9(b)所示有限元计算出的过火冷却后试件荷载-位移曲线与试验结果在滑移前吻合较好，此时有限元计算出的滑移荷载值为113.20 kN，试验结果为107.00 kN，二者偏差为5.7%;当试件发生第1次滑移后，两者所得的荷载-位移曲线有所分离，差异逐步增大，但是荷载上升的趋势基本一致;当试件发生第2次滑移时，有限元计算出的荷载-位移曲线与试验结果又吻合较好，有限元计算出的极限荷载值为236.52 kN，试验获得的极限荷载值为 228.37 kN，二者偏差仅为3.6%，精度较高.

4 结论

1)高温下高强度螺栓受剪连接的滑移荷载和极限荷载随着温度升高逐渐降低，本文拟合出了高温下受剪连接滑移荷载和极限荷载折减系数的近似计算公式.

2)基于高温下高强度螺栓受剪连接的试验研究，本文建议高强度螺栓受剪连接抗火分析的临界温度可近似取350℃，此结论与国内外已有试验结果相吻合.

3)温度对高强度螺栓受剪连接的摩擦面系数影响较小，受剪连接在高温下滑移荷载值下降原因主要是由于高温导致高强度螺栓的预拉力值损失所造成的.

4)不同的过火温度、过火处理方法和冷却降温方式(自然和泼水)对过火后高强度螺栓受剪连接的抗火性能有较大影响，本文通过试验研究与数值分析，拟合出了过火后高强度螺栓受剪连接滑移荷载折减系数的近似计算公式.

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Experimental study on fire-resistant behaviour of high-strength bolted shear connections

Fan Shenggang1，2Shu Ganping1，2Huo Changsheng3

(1School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(3Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China)

In order to reveal the fire-resistant behavior of high-strength bolted shear connections，the experimental studies on its shear performance and reaction behavior were carried out at high temperature and after fire.Through steady-state tests of temperature rising，the fire experiments were performed on five groups of connections specimens(eight specimens)，and the variations of sliding load and limit load with temperature were investigated.At normal temperature，the mechanical behaviors of six groups of specimens(fifteen specimens)after fire were tested，and the effects of different fire temperatures，different approaches of handling fire and different cooling methods on the sliding load were revealed.The results show that when temperature exceeds 350℃，sliding load and limit load decline sharply as temperature rises.The higher the fire temperature，the smaller the sliding load of the specimen cooled after fire.Moreover，sliding load varies with different approaches of handling fire and cooling methods.Approximate formulas for reduction factors of sliding load and limit load at high temperature as well as reduction factors of sliding load after cooling are fitted.A value of 350℃ for critical temperature of high-strength bolted shear connection is recommended in fire-resistant analysis，which can be an indicative reference for future research on fire resistance of steel structures.

high-strength bolt;shear connection;fire resistant behaviour;high temperature

TU356

A

1001－0505(2012)06-1180-07

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.029

2012-06-16.

范圣刚(1974—)，男，博士，副教授，101010393@seu.edu.cn.

江苏省自然科学基金资助项目(BK2009287)、江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2012200，BY2009151).

范圣刚，舒赣平，霍昌盛.高强度螺栓受剪连接抗火性能试验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(6):1180-1186.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.029］