高溫自然冷卻后Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

朱 立, 張春濤, 王汝恒, 陳光鵬

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

0 引言

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是指采用微合金化和熱機(jī)械軋制技術(shù)生產(chǎn)的具有強(qiáng)度高(強(qiáng)度等級(jí)不小于460MPa),延性、韌性和加工性好的結(jié)構(gòu)鋼材[1]。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[2]已將Q460高強(qiáng)鋼納入其中,這對(duì)推廣Q460高強(qiáng)鋼在工程中的應(yīng)用具有積極的意義。近年來(lái),Q460高強(qiáng)鋼已經(jīng)成功應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外的多個(gè)工程中,取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。為了加快Q460高強(qiáng)鋼的推廣和應(yīng)用,關(guān)于Q460高強(qiáng)鋼的材料力學(xué)性能、構(gòu)件整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定、疲勞斷裂、殘余應(yīng)力的影響、抗震設(shè)計(jì)方法等方面的研究工作已經(jīng)展開(kāi)。高強(qiáng)度螺栓連接是目前鋼結(jié)構(gòu)采用的主要連接方式,其安全可靠性對(duì)整體結(jié)構(gòu)承載安全至關(guān)重要。石永久和潘斌等[4-5]、郭宏超等[6-9]對(duì)Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接開(kāi)展了系列研究,他們的研究成果為Q460高強(qiáng)鋼的推廣和應(yīng)用提供了參考。

鋼結(jié)構(gòu)抗火不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)在高溫下的性能,還要研究其高溫后的性能[10]。鋼結(jié)構(gòu)的材料和連接在火災(zāi)后的力學(xué)性能可以得到很大程度的恢復(fù),大部分結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)合理加固和修繕后可以重新使用,從而減少火災(zāi)帶來(lái)的損失[11]?；馂?zāi)后高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接的力學(xué)性能直接關(guān)系到高強(qiáng)鋼鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力性能是否可靠,而節(jié)點(diǎn)的可靠程度直接影響高強(qiáng)鋼鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后的剩余承載能力[10]。高溫作用對(duì)普通鋼材高強(qiáng)度螺栓受剪連接力學(xué)性能和破壞模式等有很大的影響[12-15],高溫作用既會(huì)影響Q460高強(qiáng)鋼[16-17]和高強(qiáng)度螺栓[18]的力學(xué)性能,同時(shí)也會(huì)改變鋼材表面的表觀特征[16-17],還會(huì)造成預(yù)緊力的損失[14-15],進(jìn)而導(dǎo)致Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接力學(xué)性能的變化,相關(guān)問(wèn)題還缺乏研究。火災(zāi)后普通鋼材高強(qiáng)度螺栓受剪連接的抗拉、抗剪剛度和極限承載力隨過(guò)火溫度的升高均顯著下降[12-13,15],而筆者通過(guò)有限元研究表明高溫后自然冷卻對(duì)Q460高強(qiáng)鋼抗剪連接的承載性能有很大的影響[19]。因此,搞清楚高溫自然冷卻后Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接的力學(xué)性能對(duì)Q460高強(qiáng)鋼的推廣應(yīng)用至關(guān)重要。

本文對(duì)高溫自然冷卻后Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接試件展開(kāi)了拉伸試驗(yàn)研究,得到了高溫自然冷卻后Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接試件的荷載-位移曲線、極限荷載和極限位移,研究了過(guò)火溫度、過(guò)火處理方法對(duì)受剪連接受力性能的影響,給出了高溫自然冷卻后試件在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài),研究結(jié)果可為Q460高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后安全鑒定、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)度螺栓受剪連接試件的尺寸和連接方式如圖1所示,端距、邊距和螺栓間距符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)的相關(guān)要求,即端距≥2.0d0,邊距≥1.5d0,螺栓間距≥3.0d0,d0為螺栓孔直徑。蓋板和芯板均采用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)的M20高強(qiáng)度螺栓,螺栓孔直徑d0為22mm。Q460鋼板材性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖2。

圖1 試件尺寸/mm

表1 鋼板的力學(xué)性能

圖2 Q460鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 螺栓預(yù)緊力

采用扭矩扳手對(duì)高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)緊力,按《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)的規(guī)定,高強(qiáng)螺栓的施工終擰扭矩由式(1)確定,初擰扭矩取0.5Tc,對(duì)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 高溫試驗(yàn)設(shè)備與方法

試件加熱裝置為SX2-20-13自動(dòng)控溫電爐,該自動(dòng)控溫電爐最高工作溫度為1400℃,如圖3所示。對(duì)試件的過(guò)火處理采用了2種方法:1)拼裝成整體后再過(guò)火:先通過(guò)高強(qiáng)度螺栓按1.2節(jié)所示方法和預(yù)緊力將蓋板與芯板連接成整體,然后放入電爐中加熱至指定溫度,升溫速率為20℃/min,恒溫20min后取出在空氣中自然冷卻,過(guò)火溫度分別為常溫,300、400、500、600、700、800、900℃,此組簡(jiǎn)稱自然組;2)過(guò)火后再拼裝成整體:將蓋板、芯板和高強(qiáng)螺栓加熱至指定溫度,升溫速率為20℃/min,恒溫20min后取出在空氣中自然冷卻,冷卻后未對(duì)鋼材表面進(jìn)行處理直接通過(guò)高強(qiáng)度螺栓按1.2節(jié)所示方法和預(yù)緊力將蓋板與芯板連接成整體,溫度分別為500、600、700、800℃,此組簡(jiǎn)稱后裝組。

圖3 高溫爐

1.4 拉伸試驗(yàn)設(shè)備與方法

采用WAW-300B微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn),加載裝置和儀表布置如圖4所示。采用《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228．1—2010)規(guī)定方法加載。試驗(yàn)前,先預(yù)加載至5kN后卸載至零,檢查各儀表和加載裝置工作正常后正式開(kāi)始拉伸試驗(yàn),加載速率為1mm/min。試件的荷載和位移由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)記錄,其中過(guò)火溫度為300、400℃的自然組試件在拉伸試驗(yàn)時(shí)未拉斷。

圖4 加載裝置和儀器布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)過(guò)火溫度低于500℃時(shí),自然組試件滑移時(shí)伴隨著較為明顯的響聲;之后隨著過(guò)火溫度升高,自然組試件滑移時(shí)響聲較小或基本無(wú)響聲,這與隨著過(guò)火溫度的升高螺栓預(yù)緊力不斷減小有關(guān)[14-15];而后裝組試件滑移時(shí)響聲較小且明顯低于常溫試件,這與高溫后板材表面新產(chǎn)生的浮銹降低了摩擦有關(guān)。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,試件側(cè)面的滑移線發(fā)生錯(cuò)動(dòng),如圖5所示。常溫時(shí)上下芯板均無(wú)明顯滑動(dòng),主要由摩擦承載;當(dāng)過(guò)火溫度不超過(guò)400℃時(shí),自然組試件一側(cè)芯板輕微滑動(dòng),之后隨著過(guò)火溫度升高,自然組試件兩側(cè)芯板同時(shí)滑動(dòng),這與高溫后高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力大幅度減小有關(guān)[14-15];后裝組試件兩側(cè)芯板同時(shí)滑動(dòng),這與高溫后板材表面新產(chǎn)生的浮銹降低了摩擦有關(guān)。

為觀察試件內(nèi)部在試驗(yàn)過(guò)程中的變化,拉伸試驗(yàn)完成后將試件拆卸,拆卸后的試件如圖6所示。拆卸過(guò)程需借助扭力扳手,自然組試件隨著過(guò)火溫度的升高拆卸時(shí)所需要的扭矩越小,過(guò)火溫度為900℃的試件,徒手即可輕松擰松螺栓,但擰到螺栓端部時(shí)需借助普通扳手才能將螺母完全擰下來(lái),主要原因是試件螺栓在900℃高溫自然冷卻后產(chǎn)生形變較大;而后裝組試件拆卸時(shí)所需要的扭矩與常溫試件基本一致,過(guò)火溫度為800℃的試件拆卸時(shí)螺栓被擰斷,說(shuō)明高溫作用對(duì)螺栓的強(qiáng)度有很大的影響[17]。

圖6 拆卸后的試件

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(wú)明顯接觸痕跡,說(shuō)明常溫試件的荷載大部分由摩擦承擔(dān);當(dāng)過(guò)火溫度不超過(guò)500℃時(shí),自然組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,說(shuō)明高溫后螺栓預(yù)緊力減小導(dǎo)致芯板滑移,試件的荷載由摩擦和螺栓共同承擔(dān);之后隨著過(guò)火溫度升高,自然組試件板材螺栓孔周邊無(wú)明顯摩擦痕跡,螺栓桿與板材間有明顯接觸痕跡,說(shuō)明隨著過(guò)火溫度的升高螺栓預(yù)緊力越小,試件的荷載主要由螺栓承擔(dān)。后裝組試件板材螺栓孔周邊均有明顯摩擦痕跡,螺栓桿與板材間也有明顯接觸痕跡,試件的荷載由摩擦和螺栓共同承擔(dān),這與高溫后板材表面新產(chǎn)生的浮銹降低了抗滑移系數(shù)有關(guān),后裝組試件抗滑移系數(shù)低于常溫試件。

2.2 表觀特征

高溫自然冷卻后的試件表觀特征如圖7所示。由圖7可知受剪連接試件表面的氧化程度隨過(guò)火溫度的升高而逐漸增加,氧化程度的增加導(dǎo)致各試件表面呈現(xiàn)的顏色逐漸變深,由金屬本色逐漸向炭黑色變化;在溫度為900℃時(shí),試件表面嚴(yán)重氧化,表面顏色呈炭黑色,碳化程度和剝落程度也基本隨溫度的升高而逐漸加重[16]。試件內(nèi)部接觸面的表觀特征如圖6所示,自然組試件在板材螺栓孔周圍及其之間區(qū)域出現(xiàn)明顯不同于周圍的顏色變化,主要是因?yàn)樵陬A(yù)緊力的作用下該區(qū)域板材接觸緊密,氧化程度與周圍存在差異;且隨著過(guò)火溫度的升高顏色變化越明顯,主要是因?yàn)殡S著預(yù)緊力減小氧氣更易進(jìn)入板材接觸面導(dǎo)致氧化程度不同。

圖7 高溫自然冷卻后試件的表觀特征

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模式如圖6所示。從圖中可以看出,所有試件的蓋板和螺栓均無(wú)明顯變形和破壞,破壞模式均為其中一側(cè)芯板外側(cè)螺栓孔處發(fā)生凈截面拉斷;根據(jù)試驗(yàn)安排,過(guò)火溫度為300、400℃的自然組試件在拉伸試驗(yàn)時(shí)未拉斷,它們其中一側(cè)芯板外側(cè)螺栓孔處發(fā)生明顯變形。當(dāng)過(guò)火溫度低于700℃時(shí),自然組試件另一側(cè)芯板螺栓孔均無(wú)明顯變形;隨著過(guò)火溫度升高,自然組試件另一側(cè)芯板外側(cè)螺栓孔有明顯的變形,且隨著過(guò)火溫度的升高外側(cè)螺栓孔變形越明顯。后裝組試件一側(cè)芯板在外側(cè)螺栓孔處被凈截面拉斷,另一側(cè)芯板外側(cè)螺栓孔有明顯的變形,且隨著過(guò)火溫度的增加外側(cè)螺栓孔變形越明顯。圖8為芯板斷裂后的斷口宏觀形貌,隨著溫度的提高,斷口表現(xiàn)出纖維狀斷口的特征,表明鋼材具有較好的塑性及韌性。高溫自然冷改變了Q460高強(qiáng)度鋼材的力學(xué)特性,隨著過(guò)火溫度的升高鋼材延性逐漸增大,鋼材呈現(xiàn)軟鋼特征[16]。

圖8 斷口宏觀形貌

2.4 荷載-位移曲線

試件的荷載位移-曲線如圖9所示。整體來(lái)說(shuō),高溫自然冷卻后受剪連接試件在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的現(xiàn)象類似于常溫試件。隨著荷載的增加,試件首先通過(guò)蓋板與芯板間的摩擦傳遞外荷載,當(dāng)摩擦力被完全克服后,蓋板與芯板間產(chǎn)生滑移;之后隨著荷載的繼續(xù)增加,螺栓桿與板材接觸并擠壓孔壁,這時(shí)荷載由螺栓桿傳遞,孔壁與螺栓桿發(fā)生變形;當(dāng)荷載增加至極限荷載時(shí),芯板螺栓孔處變形過(guò)大或芯板斷裂,試件破壞[4,8,13]。

圖9 試件荷載-位移曲線

從圖9中可以看出,按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)的相關(guān)要求設(shè)計(jì)的試件在高溫自然冷卻后表現(xiàn)出了較好的延性,試件的破壞形態(tài)均為凈截面拉斷。自然組中除過(guò)火溫度為500℃的試件外,其他試件的荷載-位移曲線無(wú)明顯波動(dòng),曲線較為平緩,試件發(fā)生滑移時(shí)的荷載-位移曲線突變比較小,過(guò)火溫度對(duì)試件的荷載-位移曲線有比較大的影響。過(guò)火溫度不超過(guò)500℃時(shí),試件極限荷載和斷裂荷載、試件荷載-位移曲線的斜率和試件拉伸剛度較常溫試件略有上升;之后隨著過(guò)火溫度升高,試件極限荷載和斷裂荷載、試件荷載-位移曲線的斜率和試件拉伸剛度較常溫試件有所下降,過(guò)火溫度為700℃及以上的試件極限荷載和斷裂荷載、試件荷載-位移曲線的斜率和試件拉伸剛度下降更明顯,但延性逐漸增大。后裝組試件的荷載-位移曲線在初期均有較大波動(dòng),主要原因是高溫自然冷卻后板材表面新產(chǎn)生的浮銹,試件在滑移階段荷載-位移曲線突變較大;所有試件荷載-位移曲線的斜率和拉伸剛度與常溫試件基本一致,試件延性較常溫均有所增加;過(guò)火溫度為500、600、700℃的試件極限荷載和斷裂荷載較常溫試件略有下降,過(guò)火溫度為800℃的試件極限荷載和斷裂荷載較常溫有所增加。

同一過(guò)火溫度不同過(guò)火方式的試件與常溫試件的荷載-位移曲線對(duì)比如圖10所示。兩者的主要區(qū)別為:1)螺栓的預(yù)緊力和升降溫受力條件不同。自然組的預(yù)緊力在溫度作用下會(huì)降低,且隨著溫度的增加降低越明顯,且自然組的螺栓是在有預(yù)緊力的條件下升降溫的。2)板材升降溫時(shí)厚度不同。自然組的試件是整體過(guò)火后降溫,厚度較大,而后裝組是單塊板件過(guò)火后降溫,厚度較小。3)鋼材表面狀態(tài)不同。后裝組過(guò)火后表面新產(chǎn)生的浮銹未清除。

圖10 不同過(guò)火方式試件荷載-位移曲線

由圖10可以看出,后裝組試件荷載-位移曲線的斜率和拉伸剛度與常溫試件基本一致,自然組荷載-位移曲線的斜率和試件拉伸剛度較常溫有所下降,主要是由于預(yù)緊力和板材表面的差異造成的;預(yù)緊力的存在能提高連接的受剪承載力,減小螺栓剪切破壞試件的變形,提高受剪連接摩擦階段和螺栓桿擠壓前期階段的剛度。

2.5 極限荷載與極限位移

表2為試件極限荷載、極限位移以及對(duì)應(yīng)的折減系數(shù),折減系數(shù)定義為高溫自然冷卻后試件性能指標(biāo)與常溫試件性能指標(biāo)之比。由表2和圖11可知,1)自然組:過(guò)火溫度不超過(guò)500℃時(shí),試件的極限荷載較常溫試件略有上升,最大上升幅度為6%;之后隨著過(guò)火溫度的升高,試件的極限荷載較常溫試件有所下降,降幅超過(guò)8%,過(guò)火溫度為900℃的試件極限荷載僅為常溫試件的77%。過(guò)火溫度為500、600℃時(shí),試件的極限位移較常溫試件有所下降;之后隨著過(guò)火溫度的升高,試件的極限位移較常溫試件逐漸增加,過(guò)火溫度為900℃的試件極限位移較常溫時(shí)提高了42%。2)后裝組:過(guò)火溫度不超過(guò)700℃時(shí),試件的極限荷載較常溫略有下降,降幅最大為10%,過(guò)火溫度為800℃的試件極限荷載較常溫試件提高了3%;所有試件的極限位移隨著過(guò)火溫度升高而增加,過(guò)火溫度為800℃的試件的極限位移較常溫試件提高了36%。

表2 極限荷載、極限位移及其折減系數(shù)

圖11 折減系數(shù)與過(guò)火溫度的關(guān)系

3 結(jié)論

為了評(píng)估Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接高溫自然冷卻后的力學(xué)性能,按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)的相關(guān)要求設(shè)計(jì)并制作試件,通過(guò)對(duì)其開(kāi)展不同過(guò)火溫度、不同過(guò)火處理方法的高溫試驗(yàn)和高溫自然冷卻后的拉伸試驗(yàn),可得到如下結(jié)論:

(1)不同過(guò)火溫度和過(guò)火處理方法對(duì)試件內(nèi)部的表觀特征以及在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)現(xiàn)象、板材間和板材與螺栓間的接觸狀態(tài)的影響是不同的。除材料本身力學(xué)性能的改變,自然組主要是由于高溫導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力減小導(dǎo)致的,而后裝組主要是由于高溫后板材表面新產(chǎn)生的浮銹引起抗滑移系數(shù)改變導(dǎo)致的。

(2)不同過(guò)火溫度和過(guò)火處理方法對(duì)試件的極限荷載、極限位移和抗拉剛度有很大影響。自然組試件的極限荷載和抗拉剛度總體隨著溫度的升高而降低,而極限位移總體隨著溫度的升高而增加;后裝組試件的極限荷載總體隨著溫度的升高而減小,而極限位移隨著溫度的升高而增加,而抗拉剛度與常溫試件基本一致。

(3)試件在高溫自然冷卻后表現(xiàn)出了較好的延性,試件的破壞形態(tài)均為其中一側(cè)芯板外側(cè)螺栓孔處凈截面拉斷。

綜上所述,當(dāng)Q460高強(qiáng)鋼高強(qiáng)度螺栓受剪連接承受的火災(zāi)溫度不超過(guò)500℃時(shí),可認(rèn)為受剪連接仍能承受荷載,不需要對(duì)受剪連接進(jìn)行加固或更換高強(qiáng)度螺栓。當(dāng)過(guò)火溫度超過(guò)500℃時(shí),應(yīng)對(duì)受剪連接作更進(jìn)一步研究分析。