浸水冷卻對(duì)Q460高強(qiáng)鋼受剪連接力學(xué)性能的影響*

朱 立，張春濤，陳光鵬

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

在生產(chǎn)工藝改進(jìn)和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》更新的背景下，Q460高強(qiáng)鋼已成功應(yīng)用于國內(nèi)外許多工程，并取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。Q460高強(qiáng)鋼材料力學(xué)性能、構(gòu)件整體和局部穩(wěn)定性及抗震設(shè)計(jì)方法等已開展了較為系統(tǒng)的研究。連接是結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其力學(xué)性能直接影響結(jié)構(gòu)安全，隨著裝配式結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用，高強(qiáng)度螺栓連接受到了更多關(guān)注，為此石永久等[4-5]、郭宏超等[6-9]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接的構(gòu)造尺寸、受力和疲勞性能等方面展開了研究，研究成果推動(dòng)了Q460高強(qiáng)鋼的進(jìn)一步應(yīng)用。

火災(zāi)為鋼結(jié)構(gòu)最主要災(zāi)害形式，高溫后鋼結(jié)構(gòu)剩余承載力等力學(xué)指標(biāo)是鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后鑒定評(píng)估、加固修復(fù)的重要參考指標(biāo)[10-12]。滅火器和噴水冷卻為目前常采用的滅火方式，不同滅火方式對(duì)Q460高強(qiáng)鋼[13-14]和高強(qiáng)度螺栓[15]的力學(xué)性能有很大影響，同時(shí)也會(huì)造成高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的損失[16-17]。范進(jìn)凱等[18]通過數(shù)值方法研究表明自然冷卻對(duì)Q460高強(qiáng)鋼抗剪連接的承載性能有很大影響。大型火災(zāi)發(fā)生時(shí)，滅火方式為噴水冷卻，為此開展高溫后浸水冷卻對(duì)Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接力學(xué)性能的影響研究，推進(jìn)Q460高強(qiáng)鋼的應(yīng)用。

本文開展了高溫浸水冷卻后Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接試件的拉伸試驗(yàn)，得到高溫浸水冷卻后受剪連接試件的荷載-位移曲線、極限荷載和極限位移，研究過火溫度對(duì)試件受力性能的影響，給出高溫浸水冷卻后試件在拉伸試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象和最終破壞模式，研究結(jié)果可為Q460高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后鑒定評(píng)估、加固修復(fù)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度螺栓受剪連接的試件尺寸和連接方式如圖1所示，端距≥2.0d0，邊距≥1.5d0，螺栓間距≥3.0d0(d0為螺栓孔直徑)，符合GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。蓋板和芯板采用8mm厚Q460高強(qiáng)鋼鋼板，表面為干凈未經(jīng)處理的軋制面，采用鋼絲刷清除表面浮銹。螺栓采用10.9級(jí)M20高強(qiáng)度螺栓，螺栓孔直徑d0=22mm。Q460高強(qiáng)鋼鋼板力學(xué)性能和應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如表1和圖2所示。

圖1 試件尺寸

表1 Q460高強(qiáng)鋼力學(xué)性能

圖2 Q460 高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 螺栓預(yù)拉力

采用扭矩扳手對(duì)高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)拉力，按JGJ 82—2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，施工終擰扭矩由式(1)確定，初擰扭矩取0.5Tc，雙螺栓連接的施擰順序?yàn)檠刂虚g向兩端逐個(gè)進(jìn)行。

Tc=kPcd=0.15×170×20=510N·m

(1)

式中：Tc為終擰扭矩；k為高強(qiáng)度螺栓連接扭矩系數(shù)平均值，建議取0.11～0.15；Pc為高強(qiáng)度螺栓施工預(yù)緊力，取170kN；d為高強(qiáng)度螺栓公稱直徑(mm)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與加載方式

1)第1步 將試件加熱至指定溫度并保持20min后浸水冷卻。試件加熱裝置采用SX2-20-13自動(dòng)控溫電爐。試件從室溫升溫至指定溫度，加熱速率為20℃/min。當(dāng)溫度在300℃以內(nèi)時(shí)，Q460高強(qiáng)鋼力學(xué)性能基本無變化；當(dāng)溫度達(dá)900℃以上時(shí)，Q460高強(qiáng)鋼因強(qiáng)度非常低而發(fā)生破壞[13]。因此，本試驗(yàn)設(shè)定試件的加熱溫度分別為不加熱(常溫)，300，400，500，600，700，800，900℃共8種工況。試件達(dá)到設(shè)定溫度后在高溫爐內(nèi)保溫20min后，取出試件迅速放入水池中冷卻。

2)第2步 對(duì)浸水冷卻后的試件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。采用WAW-300B微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定方法加載。試驗(yàn)前，先預(yù)加載至5kN后卸載至0，檢查各儀表和加載裝置正常工作后正式開始，加載速率為1mm/min，直至試件破壞，該試件試驗(yàn)結(jié)束。試件荷載和位移數(shù)據(jù)由萬能試驗(yàn)機(jī)采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件表觀特征變化

高溫浸水冷卻后試件表觀特征如圖3所示。試件表面顏色基本隨加熱溫度的升高而逐漸加深；當(dāng)加熱溫度<800℃時(shí)，高溫浸水冷卻后試件的表觀顏色改變不明顯，與常溫試件的表觀顏色差異不大；之后隨著加熱溫度的升高，試件表觀顏色由金屬本色逐漸向炭黑色過渡。拉伸試驗(yàn)完成后將試件拆卸以觀察其內(nèi)部接觸面的表觀特征如圖4所示。除常溫試件外，板材螺栓孔周圍及其之間區(qū)域的顏色明顯加深，且隨著加熱溫度的升高該區(qū)域的面積增大；螺栓預(yù)拉力隨著加熱溫度的增加而逐漸降低[15-16]。不同預(yù)拉力導(dǎo)致不同加熱溫度作用后板材接觸狀態(tài)完全不同，進(jìn)而導(dǎo)致上述現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 高溫浸水冷卻后試件接觸面表觀特征

圖4 拆卸后試件內(nèi)部接觸面表觀特征

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)加熱溫度<500℃時(shí)，預(yù)拉力降低不明顯[15-16]，在預(yù)拉力作用下，試件拉伸試驗(yàn)過程伴隨著明顯響聲；之后隨著加熱溫度升高，預(yù)拉力降低明顯，試件拉伸試驗(yàn)過程時(shí)響聲較小或基本無響聲。拉伸試驗(yàn)完成后，試件側(cè)面標(biāo)識(shí)線發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，說明試件在拉伸試驗(yàn)完成后發(fā)生了滑移，如圖5所示。常溫試件上、下芯板無明顯滑移，說明試件外荷載主要由摩擦力承載；當(dāng)加熱溫度≤400℃時(shí)，試件只有一側(cè)芯板發(fā)生輕微滑移；隨著加熱溫度升高，試件兩側(cè)芯板均發(fā)生了明顯滑移；不同預(yù)拉力導(dǎo)致不同溫度作用后試件芯板與蓋板間的摩擦力的差異性導(dǎo)致了上述現(xiàn)象的發(fā)生。試件拆卸過程中，需借助扭力扳手，常溫試件所需的扭矩與施加螺栓預(yù)拉力時(shí)基本一致；隨著加熱溫度升高，試件拆卸時(shí)所需扭矩越小且均小于常溫試件所需扭矩；加熱溫度為900℃的試件徒手能擰松螺栓，但擰至螺栓端部時(shí)利用普通扳手才能將螺母擰下。

圖5 試件滑移

試件拆卸后內(nèi)部接觸面的表觀特征如圖4所示。常溫試件板材螺栓孔周邊有明顯摩擦痕跡，而螺栓桿與板材間無明顯接觸痕跡，結(jié)合常溫試件側(cè)邊標(biāo)識(shí)線的滑移情況，常溫試件的荷載大部分由摩擦力承擔(dān)；當(dāng)加熱溫度≤500℃時(shí)，試件板材螺栓孔周邊有明顯摩擦痕跡，螺栓桿與板材間也有明顯接觸痕跡，結(jié)合試件側(cè)邊標(biāo)識(shí)線的滑移情況，高溫后螺栓預(yù)拉力降低導(dǎo)致了芯板滑移，但預(yù)拉力并未降低至0，試件荷載由摩擦力和螺栓共同承擔(dān)；之后隨著加熱溫度升高，試件板材螺栓孔周邊無明顯摩擦痕跡，螺栓桿與板材間有明顯接觸痕跡，結(jié)合試件側(cè)邊標(biāo)識(shí)線的滑移情況，隨著加熱溫度升高，螺栓預(yù)拉力越小，試件荷載主要由螺栓承擔(dān)。

2.3 破壞模式及斷口形態(tài)

拉伸試驗(yàn)完成后，蓋板、芯板和螺栓的變形和破壞如圖4所示。由圖4可知，所有試件蓋板和螺栓均無明顯變形和破壞，破壞模式為其中一側(cè)芯板外側(cè)螺栓孔處發(fā)生凈截面拉斷。當(dāng)加熱溫度<600℃時(shí)，試件另一側(cè)芯板螺栓孔均無明顯變形；隨著加熱溫度升高，試件另一側(cè)芯板外側(cè)螺栓孔有明顯變形，且隨著加熱溫度升高，外側(cè)螺栓孔變形越明顯。芯板斷裂后的斷口宏觀形貌如圖6所示，隨著加熱溫度升高，表現(xiàn)出纖維狀斷口的特征。

圖6 芯板斷口宏觀形貌

2.4 荷載-位移曲線

試件荷載-位移曲線如圖7所示。整體來說，高溫浸水冷卻后，試件在拉伸試驗(yàn)過程中的荷載-位移曲線形態(tài)類似于常溫試件。試件首先通過蓋板與芯板間的摩擦力承受外荷載，當(dāng)外荷載超過摩擦力后，蓋板與芯板間產(chǎn)生滑移；隨著荷載繼續(xù)增加，螺栓桿與板材接觸并相互擠壓產(chǎn)生變形，這時(shí)主要由螺栓桿承受外荷載；荷載持續(xù)增加至極限荷載時(shí)，其中一側(cè)芯板外側(cè)螺栓孔處發(fā)生斷裂破壞，試件失效，破壞形態(tài)均為芯板凈截面拉斷。

圖7 荷載-位移曲線

表2 極限承載力和變形及其折減系數(shù)

加熱溫度為500，600℃的試件荷載-位移曲線波動(dòng)較大，其余試件荷載-位移曲線無大的波動(dòng)，曲線較平滑，試件滑移時(shí)，荷載-位移曲線突變?。辉斐蛇@個(gè)現(xiàn)象的主要原因?yàn)楫?dāng)加熱溫度為500，600℃時(shí)，螺栓預(yù)拉力降低較明顯，試件在拉伸試驗(yàn)過程中出現(xiàn)反復(fù)滑移的情況，加熱溫度對(duì)試件荷載-位移曲線有明顯影響。加熱溫度<500℃時(shí)，試件極限荷載、荷載-位移曲線斜率和拉伸剛度較常溫試件略有上升；隨著加熱溫度升高，試件極限荷載較常溫試件略有下降，試件荷載-位移曲線斜率和拉伸剛度與常溫試件基本一致；當(dāng)加熱溫度為800，900℃時(shí)，試件極限荷載較常溫試件略有上升，當(dāng)加熱溫度為900℃時(shí)，試件荷載-位移曲線斜率和拉伸剛度較常溫試件略有上升。

2.5 極限荷載與極限位移

試件極限荷載、極限位移及對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)如表2所示。折減系數(shù)為高溫浸水冷卻后試件性能指標(biāo)與常溫試件性能指標(biāo)之比，折減系數(shù)與加熱溫度的關(guān)系曲線如圖8所示。整體來說，試件極限荷載與常溫試件的差異不大，均在15%以內(nèi)。加熱溫度≤500℃ 時(shí)，試件極限荷載較常溫試件略有增加，最大增幅為4%；隨著加熱溫度的升高，試件極限荷載較常溫試件有所降低，最大降幅為9%；加熱溫度為800，900℃時(shí)，試件極限荷載較常溫試件有所上升，最大增幅為15%。加熱溫度為300，400℃的試件極限位移小于常溫試件，其他加熱溫度試件極限位移均大于常溫試件，最大增幅為37%。

圖8 折減系數(shù)與加熱溫度關(guān)系曲線

3 結(jié)語

為評(píng)估Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接高溫浸水冷卻后的力學(xué)性能，按GB 5 0017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求設(shè)計(jì)并制作試件，對(duì)其開展不同加熱溫度高溫試驗(yàn)和高溫浸水冷卻后的拉伸試驗(yàn)，結(jié)論如下。

1)不同加熱溫度對(duì)試件表觀特征和在拉伸試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象等有不同影響。主要由高溫浸水冷卻后材料本身力學(xué)性能的改變和螺栓預(yù)拉力減小導(dǎo)致，所有試件破壞形態(tài)均為芯板凈截面拉斷。

2)不同加熱溫度對(duì)試件的極限荷載和抗拉剛度有很大影響。加熱溫度<500℃時(shí)，試件極限荷載和拉伸剛度較常溫試件略有上升；之后隨著加熱溫度的升高，試件極限荷載較常溫試件略有下降，拉伸剛度與常溫試件基本一致；當(dāng)加熱溫度為800，900℃時(shí)，試件極限荷載和拉伸剛度較常溫試件略有上升。

3)不同加熱溫度對(duì)試件極限位移有很大影響。加熱溫度為300，400℃的試件極限位移小于常溫試件，其他加熱溫度下的試件極限位移均大于常溫試件。