在役銹蝕高強(qiáng)螺栓連接極限承載能力研究

陳露

北京市第五建筑工程集團(tuán)有限公司 北京 100028

1 引言

鋼框架節(jié)點(diǎn)連接形式復(fù)雜多樣，其力學(xué)性能影響整個鋼框架的承載能力。通常地，節(jié)點(diǎn)連接形式包括螺栓連接、鉚接和焊接。螺栓連接因具有剛度大、安裝拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輸電塔、橋梁、工業(yè)廠房等鋼結(jié)構(gòu)工程中。為此，國內(nèi)外學(xué)者對高強(qiáng)螺栓承載性能力的設(shè)計(jì)理論及方法進(jìn)行了大量研究，如李啟才[1]、劉剛[2]、Natalie[3]、郭宏超[4]等。GB50017-2017[5]、Eurocode3[6]及AISC-360-16[7]等 規(guī)范也給 出了高強(qiáng)螺栓承載能力的設(shè)計(jì)方法。然而，這些研究成果主要針對新建鋼結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)螺栓連接的承載性能，未考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)鋼材銹蝕的影響，如圖1所示。

圖1 銹蝕鋼框架節(jié)點(diǎn)

澳大利亞的BHP Biliton公司人員發(fā)現(xiàn)，在一些銹蝕嚴(yán)重的地區(qū)如海洋等環(huán)境下， AS/NZS 2312鋼材三年的銹蝕深度達(dá)到了0.2~0.5mm，460UB67鋼材的銹蝕深度達(dá)到了0.2mm，對中等型號鋼，每五年其強(qiáng)度要損失大約10%[8]。蘇志福[9]和姜迎秋[10]對鋼結(jié)構(gòu)廠房的吊車梁和通廊進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)吊車梁端板連接處的高強(qiáng)螺栓松動，上桁架下弦節(jié)點(diǎn)板的銹蝕情況非常嚴(yán)重，厚度由原先的12 mm減薄到6~8 mm，少數(shù)腹板局部爛透，綴板的焊縫局部銹蝕斷裂。程靈等[11]指出在重工業(yè)污染區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)輸電塔銹蝕迅速。如某鋼結(jié)構(gòu)輸電塔投運(yùn)5年后，塔桿的鍍鋅層局部銹蝕嚴(yán)重，其局部塔材銹穿或減薄至0.1 mm，部分螺栓的緊固作用基本失效。

銹蝕后，鋼板不可避免發(fā)生厚度減薄，鋼材強(qiáng)度降低，從而影響鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的安全性能。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，將導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞。因此，對在役銹蝕鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的安全評估十分重要，直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的安全性能。本文通過加速銹蝕試驗(yàn)以得到不同銹蝕程度的高強(qiáng)螺栓連接試件，然后進(jìn)行高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的抗剪試驗(yàn)，以研究不同銹蝕程度對高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響，從而為工程結(jié)構(gòu)的可靠性評價提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)JGJ82-2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[12]相關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)了高強(qiáng)螺栓連接試件，如圖2所示。本試驗(yàn)采用了Q235鋼材及10.9級扭剪型高強(qiáng)螺栓。其中，Q235鋼板厚8mm，螺栓直徑20mm，長度70mm，孔徑22mm，如圖2所示。對于每種鋼材及布置方式的試件分為四組，未銹蝕一組，其余三組銹蝕時間分別為2個月，4個月及6個月。根據(jù)GB/T 0125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》[13]采取銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)（CASS）。

圖2 高強(qiáng)螺栓連接試件

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

銹蝕試驗(yàn)完成后，進(jìn)行除銹，并根據(jù)質(zhì)量法計(jì)算出試件的銹蝕率。然后，將試件固定在萬能試驗(yàn)機(jī)上，試件的縱向中心軸線與夾具中心嚴(yán)格對中，然后對高強(qiáng)螺栓試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，進(jìn)而得到了不同銹蝕程度下試件的極限承載力，如表1所示。同時與現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2017 中高強(qiáng)螺栓的極限承載力計(jì)算值進(jìn)行了對比[5]，如表1所示。

表1 高強(qiáng)螺栓連接抗剪極限承載力試驗(yàn)值及規(guī)范計(jì)算值對比（kN）

從表中可以看出，銹蝕對高強(qiáng)螺栓連接的極限承載力影響較小，銹蝕率從0增加到15%時，極限承載力從361 kN下降到345 kN，僅下降4%左右。其主要原因是由于高強(qiáng)螺栓連接試件破壞模式為中間連接板的破壞，而中間連接板被外端板保護(hù)，銹蝕率相對較小，如圖3所示。因此可見，當(dāng)連接鋼板銹蝕在15%以內(nèi)時，且高強(qiáng)螺栓連接破壞形式為中間連接板破壞模式時，銹蝕率對高強(qiáng)螺栓連接的抗剪極限承載力影響較小。

圖3 高強(qiáng)螺栓連接試件破壞模式

為了進(jìn)一步評估現(xiàn)有規(guī)范的安全性，根據(jù)GB50017-2017 可以計(jì)算出高強(qiáng)螺栓極限承載力[5]，并與試驗(yàn)值進(jìn)行了對比，如表1所示。明顯地，GB50017-2017計(jì)算值小于試驗(yàn)值[5]。因此，當(dāng)鋼板銹蝕率在15%以內(nèi)時，可以用來保守估計(jì)銹蝕高強(qiáng)螺栓的極限承載能力。

4 結(jié)束語

通過高強(qiáng)螺栓連接試件的加速銹蝕和銹蝕后試件的抗剪試驗(yàn)，得到了不同銹蝕率下的銹蝕高強(qiáng)螺栓的極限承載能力。結(jié)果表明，在銹蝕率小于15%范圍內(nèi)，銹蝕對高強(qiáng)螺栓連接的抗剪極限承載力影響較小，最大影響不超過7%。在銹蝕率小于15%范圍內(nèi)，GB50017-2017[5]可以用來保守估計(jì)高強(qiáng)螺栓連接的極限承載力。