高温下高强度螺栓连续性能研究

摘要

火灾是当今世界上严重威胁人类生命财产安全的常发性灾害之一。随着我国国民经济的快速发展，钢结构建筑大量涌现，钢结构有着众多优点，但其耐火性较差。钢结构在火灾中，构件温度迅速上升，当钢材温度达到400℃时，屈服强度降至常温下的一半；钢材温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此当钢结构建筑在没有采取防火措施或防火措施不足的情况下，一旦发生火灾，结构极易遭到破坏甚至整体倒塌，严重威胁人民的生命财产安全。
　　 在钢结构的设计中，节点是保证钢结构安全的重要环节，而高强度螺栓连接是钢结构节点连接的重要形式，其具有连接紧密、受力性能稳定、耐疲劳、可拆换、安装简单以及承受动力荷载时不易松动的优点。火灾中高强度螺栓连接性能直接关系到钢结构节点的受力可靠，而节点的可靠程度直接关系到钢结构建筑在火灾中的安全。在工程实践中，高强度螺栓摩擦型连接应用广泛，螺栓的预拉力值对其受力至关重要，火灾中由于高温作用，高强度螺栓预拉力值发生损失，从而造成高强度螺栓摩擦型连接抗剪承载力下降；当火灾中外力克服摩擦力后，高强度螺栓摩擦型连接转为承压传力，其极限承载力亦随着温度的升高而降低。因此，如何确定高温下及过火后的高强度螺栓连接性能至关重要，而我国在这方面的研究还不完善，试验与理论研究均不多，尚处于起步阶段。
　　 本文研究主要针对工程实践中常用的10.9级M20扭剪型高强度螺栓进行了高温下高强度螺栓抗拉试验、高温下高强度螺栓抗剪连接恒温加载试验及不同冷却方式下高强度螺栓抗剪连接高温过火后的性能研究，揭示了高温下高强度螺栓抗拉强度和屈服强度的变化规律、高温下高强度螺栓抗剪连接滑移荷载和极限荷载的变化规律和不同冷却方式下高温过火后高强度螺栓抗剪连接滑移荷载的变化规律，并开展了相应的有限元分析，深入分析研究了高强度螺栓抗剪连接的各种破坏状态；在试验和有限元分析的基础上，对《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中高强度螺栓摩擦型连接抗剪承载力计算公式和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2008)中单个高强度螺栓抗剪连接极限承载力计算公式提出了修改建议，为高温下的高强度螺栓连接承载力计算提供参考。
　　 试验研究表明，高温下高强度螺栓的抗拉强度和屈服强度、高温下高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值和极限荷载均随着试验温度的升高而降低，通过综合各试验结果可以认为350℃为高强度螺栓连接的临界温度；高强度螺栓连接板摩擦面在高温下破坏不大，高强度螺栓摩擦型抗剪连接高温下和过火后抗剪承载力设计值的下降主要是因为高强度螺栓预拉力值的降低；高强度螺栓摩擦型连接过火后的抗剪承载力设计值随着过火温度的升高而降低，400℃可以认为是抗剪承载力降低的临界温度，相同过火温度下泼水冷却后试件的抗剪承载力较低。
　　 通过与不同试验结果的对比发现，本文采用有限元ANSYS软件建立的分析模型能较好地模拟高温下高强度螺栓抗剪连接性能。在对高强度螺栓抗剪连接各破坏状态的深入分析的基础上，提出了对高强度螺栓抗剪连接极限承载力的计算公式修改建议以适应高温条件下的使用。