朱 立, 張春濤, 王汝恒, 陳光鵬

(西南科技大學土木工程與建筑學院，綿陽 621010)

0 引言

高強度結構鋼是指采用微合金化和熱機械軋制技術生產(chǎn)的具有強度高(強度等級不小于460MPa),延性、韌性和加工性好的結構鋼材[1]。《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[2]已將Q460高強鋼納入其中,這對推廣Q460高強鋼在工程中的應用具有積極的意義。近年來,Q460高強鋼已經(jīng)成功應用到國內(nèi)外的多個工程中,取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益[3]。為了加快Q460高強鋼的推廣和應用,關于Q460高強鋼的材料力學性能、構件整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定、疲勞斷裂、殘余應力的影響、抗震設計方法等方面的研究工作已經(jīng)展開。高強度螺栓連接是目前鋼結構采用的主要連接方式,其安全可靠性對整體結構承載安全至關重要。石永久和潘斌等[4-5]、郭宏超等[6-9]對Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接開展了系列研究,他們的研究成果為Q460高強鋼的推廣和應用提供了參考。

鋼結構抗火不僅要關注結構在高溫下的性能,還要研究其高溫后的性能[10]。鋼結構的材料和連接在火災后的力學性能可以得到很大程度的恢復,大部分結構經(jīng)過合理加固和修繕后可以重新使用,從而減少火災帶來的損失[11]?；馂暮蟾邚婁摳邚姸嚷菟ㄊ芗暨B接的力學性能直接關系到高強鋼鋼結構節(jié)點受力性能是否可靠,而節(jié)點的可靠程度直接影響高強鋼鋼結構在火災后的剩余承載能力[10]。高溫作用對普通鋼材高強度螺栓受剪連接力學性能和破壞模式等有很大的影響[12-15],高溫作用既會影響Q460高強鋼[16-17]和高強度螺栓[18]的力學性能,同時也會改變鋼材表面的表觀特征[16-17],還會造成預緊力的損失[14-15],進而導致Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接力學性能的變化,相關問題還缺乏研究?；馂暮笃胀ㄤ摬母邚姸嚷菟ㄊ芗暨B接的抗拉、抗剪剛度和極限承載力隨過火溫度的升高均顯著下降[12-13,15],而筆者通過有限元研究表明高溫后自然冷卻對Q460高強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高強鋼高強度螺栓受剪連接的力學性能對Q460高強鋼的推廣應用至關重要。

本文對高溫自然冷卻后Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接試件展開了拉伸試驗研究,得到了高溫自然冷卻后Q460高強鋼高強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,研究了過火溫度、過火處理方法對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過程中的試驗現(xiàn)象和破壞形態(tài),研究結果可為Q460高強鋼結構火災后安全鑒定、加固修復提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

高強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《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)的相關要求,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級的M20高強度螺栓,螺栓孔直徑d0為22mm。Q460鋼板材性試驗結果見表1和圖2。

圖1 試件尺寸/mm

表1 鋼板的力學性能

圖2 Q460鋼材應力-應變曲線

1.2 螺栓預緊力

采用扭矩扳手對高強度螺栓施加預緊力,按《鋼結構高強度螺栓連接技術規(guī)程》(JGJ 82—2011)的規(guī)定,高強螺栓的施工終擰扭矩由式(1)確定,初擰扭矩取0.5Tc,對雙螺栓連接的施擰順序為沿中間向兩端逐個進行。

Tc=kPcd=0.15×170×20=510N·m

(1)

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

1.3 高溫試驗設備與方法

試件加熱裝置為SX2-20-13自動控溫電爐,該自動控溫電爐最高工作溫度為1400℃,如圖3所示。對試件的過火處理采用了2種方法:1)拼裝成整體后再過火:先通過高強度螺栓按1.2節(jié)所示方法和預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,過火溫度分別為常溫,300、400、500、600、700、800、900℃,此組簡稱自然組;2)過火后再拼裝成整體:將蓋板、芯板和高強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,冷卻后未對鋼材表面進行處理直接通過高強度螺栓按1.2節(jié)所示方法和預緊力將蓋板與芯板連接成整體,溫度分別為500、600、700、800℃,此組簡稱后裝組。

圖3 高溫爐

1.4 拉伸試驗設備與方法

采用WAW-300B微機控制電液伺服萬能試驗機對試件進行靜力拉伸試驗,加載裝置和儀表布置如圖4所示。采用《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》(GB/T 228．1—2010)規(guī)定方法加載。試驗前,先預加載至5kN后卸載至零,檢查各儀表和加載裝置工作正常后正式開始拉伸試驗,加載速率為1mm/min。試件的荷載和位移由萬能試驗機記錄,其中過火溫度為300、400℃的自然組試件在拉伸試驗時未拉斷。

圖4 加載裝置和儀器布置

2 試驗結果及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗現(xiàn)象

拉伸試驗過程中,當過火溫度低于500℃時,自然組試件滑移時伴隨著較為明顯的響聲;之后隨著過火溫度升高,自然組試件滑移時響聲較小或基本無響聲,這與隨著過火溫度的升高螺栓預緊力不斷減小有關[14-15];而后裝組試件滑移時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。拉伸試驗過程中,試件側面的滑移線發(fā)生錯動,如圖5所示。常溫時上下芯板均無明顯滑動,主要由摩擦承載;當過火溫度不超過400℃時,自然組試件一側芯板輕微滑動,之后隨著過火溫度升高,自然組試件兩側芯板同時滑動,這與高溫后高強度螺栓的預緊力大幅度減小有關[14-15];后裝組試件兩側芯板同時滑動,這與高溫后板材表面新產(chǎn)生的浮銹降低了摩擦有關。

為觀察試件內(nèi)部在試驗過程中的變化,拉伸試驗完成后將試件拆卸,拆卸后的試件如圖6所示。拆卸過程需借助扭力扳手,自然組試件隨著過火溫度的升高拆卸時所需要的扭矩越小,過火溫度為900℃的試件,徒手即可輕松擰松螺栓,但擰到螺栓端部時需借助普通扳手才能將螺母完全擰下來,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所需要的扭矩與常溫試件基本一致,過火溫度為800℃的試件拆卸時螺栓被擰斷,說明高溫作用對螺栓的強度有很大的影響[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明顯接觸痕跡,說明常溫試件的荷載大部分由摩擦承擔;當過火溫度不超過500℃時,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,說明高溫后螺栓預緊力減小導致芯板滑移,試件的荷載由摩擦和螺栓共同承擔;之后隨著過火溫度升高,自然組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,說明隨著過火溫度的升高螺栓預緊力越小,試件的荷載主要由螺栓承擔。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,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,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火溫度的升高而逐漸增加,氧化程度的增加導致各試件表面呈現(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,試件表面嚴重氧化,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,主要是因為在預緊力的作用下該區(qū)域板材接觸緊密,氧化程度與周圍存在差異;且隨著過火溫度的升高顏色變化越明顯,主要是因為隨著預緊力減小氧氣更易進入板材接觸面導致氧化程度不同。

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明顯變形和破壞,破壞模式均為其中一側芯板外側螺栓孔處發(fā)生凈截面拉斷;根據(jù)試驗安排,過火溫度為300、400℃的自然組試件在拉伸試驗時未拉斷,它們其中一側芯板外側螺栓孔處發(fā)生明顯變形。當過火溫度低于700℃時,自然組試件另一側芯板螺栓孔均無明顯變形;隨著過火溫度升高,自然組試件另一側芯板外側螺栓孔有明顯的變形,且隨著過火溫度的升高外側螺栓孔變形越明顯。后裝組試件一側芯板在外側螺栓孔處被凈截面拉斷,另一側芯板外側螺栓孔有明顯的變形,且隨著過火溫度的增加外側螺栓孔變形越明顯。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高強度鋼材的力學特性,隨著過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。整體來說,高溫自然冷卻后受剪連接試件在拉伸試驗過程中的現(xiàn)象類似于常溫試件。隨著荷載的增加,試件首先通過蓋板與芯板間的摩擦傳遞外荷載,當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,這時荷載由螺栓桿傳遞,孔壁與螺栓桿發(fā)生變形;當荷載增加至極限荷載時,芯板螺栓孔處變形過大或芯板斷裂,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《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)的相關要求設計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。自然組中除過火溫度為500℃的試件外,其他試件的荷載-位移曲線無明顯波動,曲線較為平緩,試件發(fā)生滑移時的荷載-位移曲線突變比較小,過火溫度對試件的荷載-位移曲線有比較大的影響。過火溫度不超過500℃時,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,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。

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

圖10 不同過火方式試件荷載-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,主要是由于預緊力和板材表面的差異造成的;預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、極限位移以及對應的折減系數(shù),折減系數(shù)定義為高溫自然冷卻后試件性能指標與常溫試件性能指標之比。由表2和圖11可知,1)自然組:過火溫度不超過500℃時,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8%,過火溫度為900℃的試件極限荷載僅為常溫試件的77%。過火溫度為500、600℃時,試件的極限位移較常溫試件有所下降;之后隨著過火溫度的升高,試件的極限位移較常溫試件逐漸增加,過火溫度為900℃的試件極限位移較常溫時提高了42%。2)后裝組:過火溫度不超過700℃時,試件的極限荷載較常溫略有下降,降幅最大為10%,過火溫度為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火溫度升高而增加,過火溫度為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)與過火溫度的關系

3 結論

為了評估Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接高溫自然冷卻后的力學性能,按照《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)的相關要求設計并制作試件,通過對其開展不同過火溫度、不同過火處理方法的高溫試驗和高溫自然冷卻后的拉伸試驗,可得到如下結論:

(1)不同過火溫度和過火處理方法對試件內(nèi)部的表觀特征以及在拉伸試驗過程中的試驗現(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。除材料本身力學性能的改變,自然組主要是由于高溫導致螺栓預緊力減小導致的,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)改變導致的。

(2)不同過火溫度和過火處理方法對試件的極限荷載、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)均為其中一側芯板外側螺栓孔處凈截面拉斷。

綜上所述,當Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接承受的火災溫度不超過500℃時,可認為受剪連接仍能承受荷載,不需要對受剪連接進行加固或更換高強度螺栓。當過火溫度超過500℃時,應對受剪連接作更進一步研究分析。