在役銹蝕高強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有限公司 北京 100028

1 引言

鋼框架節點連接形式復雜多樣，其力學性能影響整個鋼框架的承載能力。通常地，節點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、安裝拆卸方便等優點，被廣泛應用于輸電塔、橋梁、工業廠房等鋼結構工程中。為此，國內外學者對高強螺栓承載性能力的設計理論及方法進行了大量研究，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 規范也給 出了高強螺栓承載能力的設計方法。然而，這些研究成果主要針對新建鋼結構中高強螺栓連接的承載性能，未考慮到實際結構鋼材銹蝕的影響，如圖1所示。

圖1 銹蝕鋼框架節點

澳大利亞的BHP Biliton公司人員發現，在一些銹蝕嚴重的地區如海洋等環境下， AS/NZS 2312鋼材三年的銹蝕深度達到了0.2~0.5mm，460UB67鋼材的銹蝕深度達到了0.2mm，對中等型號鋼，每五年其強度要損失大約10%[8]。蘇志福[9]和姜迎秋[10]對鋼結構廠房的吊車梁和通廊進行檢查，發現吊車梁端板連接處的高強螺栓松動，上桁架下弦節點板的銹蝕情況非常嚴重，厚度由原先的12 mm減薄到6~8 mm，少數腹板局部爛透，綴板的焊縫局部銹蝕斷裂。程靈等[11]指出在重工業污染區，鋼結構輸電塔銹蝕迅速。如某鋼結構輸電塔投運5年后，塔桿的鍍鋅層局部銹蝕嚴重，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，鋼板不可避免發生厚度減薄，鋼材強度降低，從而影響鋼結構節點的安全性能。鋼結構節點發生破壞，將導致整個結構的破壞。因此，對在役銹蝕鋼結構節點的安全評估十分重要，直接影響著鋼結構的安全性能。本文通過加速銹蝕試驗以得到不同銹蝕程度的高強螺栓連接試件，然后進行高強螺栓連接節點的抗剪試驗，以研究不同銹蝕程度對高強螺栓連接節點極限承載力的影響，從而為工程結構的可靠性評價提供依據。

2 試驗方案

根據JGJ82-2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》[12]相關規定，設計了高強螺栓連接試件，如圖2所示。本試驗采用了Q235鋼材及10.9級扭剪型高強螺栓。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GB/T 0125-2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》[13]采取銅加速乙酸鹽霧試驗（CASS）。

圖2 高強螺栓連接試件

3 試驗結果與分析

銹蝕試驗完成后，進行除銹，并根據質量法計算出試件的銹蝕率。然后，將試件固定在萬能試驗機上，試件的縱向中心軸線與夾具中心嚴格對中，然后對高強螺栓試件進行拉伸試驗，進而得到了不同銹蝕程度下試件的極限承載力，如表1所示。同時與現有的鋼結構設計規范GB50017-2017 中高強螺栓的極限承載力計算值進行了對比[5]，如表1所示。

表1 高強螺栓連接抗剪極限承載力試驗值及規范計算值對比（kN）

從表中可以看出，銹蝕對高強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，銹蝕率相對較小，如圖3所示。因此可見，當連接鋼板銹蝕在15%以內時，且高強螺栓連接破壞形式為中間連接板破壞模式時，銹蝕率對高強螺栓連接的抗剪極限承載力影響較小。

圖3 高強螺栓連接試件破壞模式

為了進一步評估現有規范的安全性，根據GB50017-2017 可以計算出高強螺栓極限承載力[5]，并與試驗值進行了對比，如表1所示。明顯地，GB50017-2017計算值小于試驗值[5]。因此，當鋼板銹蝕率在15%以內時，可以用來保守估計銹蝕高強螺栓的極限承載能力。

4 結束語

通過高強螺栓連接試件的加速銹蝕和銹蝕后試件的抗剪試驗，得到了不同銹蝕率下的銹蝕高強螺栓的極限承載能力。結果表明，在銹蝕率小于15%范圍內，銹蝕對高強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，GB50017-2017[5]可以用來保守估計高強螺栓連接的極限承載力。