浸水冷却对Q460高强钢受剪连接力学性能的影响*

2022-08-27张春涛陈光鹏

施工技术(中英文) 2022年14期

朱立，张春涛，陈光鹏

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

0 引言

在生产工艺改进和《钢结构设计标准》更新的背景下，Q460高强钢已成功应用于国内外许多工程，并取得了良好的社会效益和经济效益[1-3]。Q460高强钢材料力学性能、构件整体和局部稳定性及抗震设计方法等已开展了较为系统的研究。连接是结构的重要组成部分，其力学性能直接影响结构安全，随着装配式结构的推广和应用，高强度螺栓连接受到了更多关注，为此石永久等[4-5]、郭宏超等[6-9]通过试验和数值模拟对Q460高强钢高强度螺栓受剪连接的构造尺寸、受力和疲劳性能等方面展开了研究，研究成果推动了Q460高强钢的进一步应用。

火灾为钢结构最主要灾害形式，高温后钢结构剩余承载力等力学指标是钢结构火灾后鉴定评估、加固修复的重要参考指标[10-12]。灭火器和喷水冷却为目前常采用的灭火方式，不同灭火方式对Q460高强钢[13-14]和高强度螺栓[15]的力学性能有很大影响，同时也会造成高强度螺栓预拉力的损失[16-17]。范进凯等[18]通过数值方法研究表明自然冷却对Q460高强钢抗剪连接的承载性能有很大影响。大型火灾发生时，灭火方式为喷水冷却，为此开展高温后浸水冷却对Q460高强钢高强度螺栓受剪连接力学性能的影响研究，推进Q460高强钢的应用。

本文开展了高温浸水冷却后Q460高强钢高强度螺栓受剪连接试件的拉伸试验，得到高温浸水冷却后受剪连接试件的荷载-位移曲线、极限荷载和极限位移，研究过火温度对试件受力性能的影响，给出高温浸水冷却后试件在拉伸试验过程中的试验现象和最终破坏模式，研究结果可为Q460高强钢结构火灾后鉴定评估、加固修复提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

高强度螺栓受剪连接的试件尺寸和连接方式如图1所示，端距≥2.0d0，边距≥1.5d0，螺栓间距≥3.0d0(d0为螺栓孔直径)，符合GB 50017—2017《钢结构设计标准》的相关要求。盖板和芯板采用8mm厚Q460高强钢钢板，表面为干净未经处理的轧制面，采用钢丝刷清除表面浮锈。螺栓采用10.9级M20高强度螺栓，螺栓孔直径d0=22mm。Q460高强钢钢板力学性能和应力-应变曲线分别如表1和图2所示。

图1 试件尺寸

表1 Q460高强钢力学性能

图2 Q460 高强钢应力-应变曲线

1.2 螺栓预拉力

采用扭矩扳手对高强度螺栓施加预拉力，按JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》的规定，施工终拧扭矩由式(1)确定，初拧扭矩取0.5Tc，双螺栓连接的施拧顺序为沿中间向两端逐个进行。

Tc=kPcd=0.15×170×20=510N·m

(1)

式中：Tc为终拧扭矩；k为高强度螺栓连接扭矩系数平均值，建议取0.11～0.15；Pc为高强度螺栓施工预紧力，取170kN；d为高强度螺栓公称直径(mm)。

1.3 试验设备与加载方式

1)第1步将试件加热至指定温度并保持20min后浸水冷却。试件加热装置采用SX2-20-13自动控温电炉。试件从室温升温至指定温度，加热速率为20℃/min。当温度在300℃以内时，Q460高强钢力学性能基本无变化；当温度达900℃以上时，Q460高强钢因强度非常低而发生破坏[13]。因此，本试验设定试件的加热温度分别为不加热(常温)，300，400，500，600，700，800，900℃共8种工况。试件达到设定温度后在高温炉内保温20min后，取出试件迅速放入水池中冷却。

2)第2步对浸水冷却后的试件进行静力拉伸试验。采用WAW-300B微机控制电液伺服万能试验机，按GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》规定方法加载。试验前，先预加载至5kN后卸载至0，检查各仪表和加载装置正常工作后正式开始，加载速率为1mm/min，直至试件破坏，该试件试验结束。试件荷载和位移数据由万能试验机采集。

2 试验结果及分析

2.1 试件表观特征变化

高温浸水冷却后试件表观特征如图3所示。试件表面颜色基本随加热温度的升高而逐渐加深；当加热温度<800℃时，高温浸水冷却后试件的表观颜色改变不明显，与常温试件的表观颜色差异不大；之后随着加热温度的升高，试件表观颜色由金属本色逐渐向炭黑色过渡。拉伸试验完成后将试件拆卸以观察其内部接触面的表观特征如图4所示。除常温试件外，板材螺栓孔周围及其之间区域的颜色明显加深，且随着加热温度的升高该区域的面积增大；螺栓预拉力随着加热温度的增加而逐渐降低[15-16]。不同预拉力导致不同加热温度作用后板材接触状态完全不同，进而导致上述现象的发生。

图3 高温浸水冷却后试件接触面表观特征

图4 拆卸后试件内部接触面表观特征

2.2 试验现象

当加热温度<500℃时，预拉力降低不明显[15-16]，在预拉力作用下，试件拉伸试验过程伴随着明显响声；之后随着加热温度升高，预拉力降低明显，试件拉伸试验过程时响声较小或基本无响声。拉伸试验完成后，试件侧面标识线发生错动，说明试件在拉伸试验完成后发生了滑移，如图5所示。常温试件上、下芯板无明显滑移，说明试件外荷载主要由摩擦力承载；当加热温度≤400℃时，试件只有一侧芯板发生轻微滑移；随着加热温度升高，试件两侧芯板均发生了明显滑移；不同预拉力导致不同温度作用后试件芯板与盖板间的摩擦力的差异性导致了上述现象的发生。试件拆卸过程中，需借助扭力扳手，常温试件所需的扭矩与施加螺栓预拉力时基本一致；随着加热温度升高，试件拆卸时所需扭矩越小且均小于常温试件所需扭矩；加热温度为900℃的试件徒手能拧松螺栓，但拧至螺栓端部时利用普通扳手才能将螺母拧下。

图5 试件滑移

试件拆卸后内部接触面的表观特征如图4所示。常温试件板材螺栓孔周边有明显摩擦痕迹，而螺栓杆与板材间无明显接触痕迹，结合常温试件侧边标识线的滑移情况，常温试件的荷载大部分由摩擦力承担；当加热温度≤500℃时，试件板材螺栓孔周边有明显摩擦痕迹，螺栓杆与板材间也有明显接触痕迹，结合试件侧边标识线的滑移情况，高温后螺栓预拉力降低导致了芯板滑移，但预拉力并未降低至0，试件荷载由摩擦力和螺栓共同承担；之后随着加热温度升高，试件板材螺栓孔周边无明显摩擦痕迹，螺栓杆与板材间有明显接触痕迹，结合试件侧边标识线的滑移情况，随着加热温度升高，螺栓预拉力越小，试件荷载主要由螺栓承担。

2.3 破坏模式及断口形态

拉伸试验完成后，盖板、芯板和螺栓的变形和破坏如图4所示。由图4可知，所有试件盖板和螺栓均无明显变形和破坏，破坏模式为其中一侧芯板外侧螺栓孔处发生净截面拉断。当加热温度<600℃时，试件另一侧芯板螺栓孔均无明显变形；随着加热温度升高，试件另一侧芯板外侧螺栓孔有明显变形，且随着加热温度升高，外侧螺栓孔变形越明显。芯板断裂后的断口宏观形貌如图6所示，随着加热温度升高，表现出纤维状断口的特征。

图6 芯板断口宏观形貌

2.4 荷载-位移曲线

试件荷载-位移曲线如图7所示。整体来说，高温浸水冷却后，试件在拉伸试验过程中的荷载-位移曲线形态类似于常温试件。试件首先通过盖板与芯板间的摩擦力承受外荷载，当外荷载超过摩擦力后，盖板与芯板间产生滑移；随着荷载继续增加，螺栓杆与板材接触并相互挤压产生变形，这时主要由螺栓杆承受外荷载；荷载持续增加至极限荷载时，其中一侧芯板外侧螺栓孔处发生断裂破坏，试件失效，破坏形态均为芯板净截面拉断。

图7 荷载-位移曲线

表2 极限承载力和变形及其折减系数

加热温度为500，600℃的试件荷载-位移曲线波动较大，其余试件荷载-位移曲线无大的波动，曲线较平滑，试件滑移时，荷载-位移曲线突变小；造成这个现象的主要原因为当加热温度为500，600℃时，螺栓预拉力降低较明显，试件在拉伸试验过程中出现反复滑移的情况，加热温度对试件荷载-位移曲线有明显影响。加热温度<500℃时，试件极限荷载、荷载-位移曲线斜率和拉伸刚度较常温试件略有上升；随着加热温度升高，试件极限荷载较常温试件略有下降，试件荷载-位移曲线斜率和拉伸刚度与常温试件基本一致；当加热温度为800，900℃时，试件极限荷载较常温试件略有上升，当加热温度为900℃时，试件荷载-位移曲线斜率和拉伸刚度较常温试件略有上升。

2.5 极限荷载与极限位移

试件极限荷载、极限位移及对应的折减系数如表2所示。折减系数为高温浸水冷却后试件性能指标与常温试件性能指标之比，折减系数与加热温度的关系曲线如图8所示。整体来说，试件极限荷载与常温试件的差异不大，均在15%以内。加热温度≤500℃ 时，试件极限荷载较常温试件略有增加，最大增幅为4%；随着加热温度的升高，试件极限荷载较常温试件有所降低，最大降幅为9%；加热温度为800，900℃时，试件极限荷载较常温试件有所上升，最大增幅为15%。加热温度为300，400℃的试件极限位移小于常温试件，其他加热温度试件极限位移均大于常温试件，最大增幅为37%。