浸水冷卻對Q460高強鋼受剪連接力學性能的影響*

朱 立，張春濤，陳光鵬

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

在生產(chǎn)工藝改進和《鋼結構設計標準》更新的背景下，Q460高強鋼已成功應用于國內(nèi)外許多工程，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益[1-3]。Q460高強鋼材料力學性能、構件整體和局部穩(wěn)定性及抗震設計方法等已開展了較為系統(tǒng)的研究。連接是結構的重要組成部分，其力學性能直接影響結構安全，隨著裝配式結構的推廣和應用，高強度螺栓連接受到了更多關注，為此石永久等[4-5]、郭宏超等[6-9]通過試驗和數(shù)值模擬對Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接的構造尺寸、受力和疲勞性能等方面展開了研究，研究成果推動了Q460高強鋼的進一步應用。

火災為鋼結構最主要災害形式，高溫后鋼結構剩余承載力等力學指標是鋼結構火災后鑒定評估、加固修復的重要參考指標[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Q460高強鋼[13-14]和高強度螺栓[15]的力學性能有很大影響，同時也會造成高強度螺栓預拉力的損失[16-17]。范進凱等[18]通過數(shù)值方法研究表明自然冷卻對Q460高強鋼抗剪連接的承載性能有很大影響。大型火災發(fā)生時，滅火方式為噴水冷卻，為此開展高溫后浸水冷卻對Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接力學性能的影響研究，推進Q460高強鋼的應用。

本文開展了高溫浸水冷卻后Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接試件的拉伸試驗，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過程中的試驗現(xiàn)象和最終破壞模式，研究結果可為Q460高強鋼結構火災后鑒定評估、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《鋼結構設計標準》的相關要求。蓋板和芯板采用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M20高強度螺栓，螺栓孔直徑d0=22mm。Q460高強鋼鋼板力學性能和應力-應變曲線分別如表1和圖2所示。

圖1 試件尺寸

表1 Q460高強鋼力學性能

圖2 Q460 高強鋼應力-應變曲線

1.2 螺栓預拉力

采用扭矩扳手對高強度螺栓施加預拉力，按JGJ 82—2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規(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 試驗設備與加載方式

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自動控溫電爐。試件從室溫升溫至指定溫度，加熱速率為20℃/min。當溫度在300℃以內(nèi)時，Q460高強鋼力學性能基本無變化；當溫度達900℃以上時，Q460高強鋼因強度非常低而發(fā)生破壞[13]。因此，本試驗設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。試件達到設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 對浸水冷卻后的試件進行靜力拉伸試驗。采用WAW-300B微機控制電液伺服萬能試驗機，按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》規(guī)定方法加載。試驗前，先預加載至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，該試件試驗結束。試件荷載和位移數(shù)據(jù)由萬能試驗機采集。

2 試驗結果及分析

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；當加熱溫度<800℃時，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；螺栓預拉力隨著加熱溫度的增加而逐漸降低[15-16]。不同預拉力導致不同加熱溫度作用后板材接觸狀態(tài)完全不同，進而導致上述現(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 試驗現(xiàn)象

當加熱溫度<500℃時，預拉力降低不明顯[15-16]，在預拉力作用下，試件拉伸試驗過程伴隨著明顯響聲；之后隨著加熱溫度升高，預拉力降低明顯，試件拉伸試驗過程時響聲較小或基本無響聲。拉伸試驗完成后，試件側面標識線發(fā)生錯動，說明試件在拉伸試驗完成后發(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；當加熱溫度≤400℃時，試件只有一側芯板發(fā)生輕微滑移；隨著加熱溫度升高，試件兩側芯板均發(fā)生了明顯滑移；不同預拉力導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拉力時基本一致；隨著加熱溫度升高，試件拆卸時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，結合常溫試件側邊標識線的滑移情況，常溫試件的荷載大部分由摩擦力承擔；當加熱溫度≤500℃時，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，結合試件側邊標識線的滑移情況，高溫后螺栓預拉力降低導致了芯板滑移，但預拉力并未降低至0，試件荷載由摩擦力和螺栓共同承擔；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，結合試件側邊標識線的滑移情況，隨著加熱溫度升高，螺栓預拉力越小，試件荷載主要由螺栓承擔。

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芯板外側螺栓孔處發(fā)生凈截面拉斷。當加熱溫度<600℃時，試件另一側芯板螺栓孔均無明顯變形；隨著加熱溫度升高，試件另一側芯板外側螺栓孔有明顯變形，且隨著加熱溫度升高，外側螺栓孔變形越明顯。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，這時主要由螺栓桿承受外荷載；荷載持續(xù)增加至極限荷載時，其中一側芯板外側螺栓孔處發(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-位移曲線波動較大，其余試件荷載-位移曲線無大的波動，曲線較平滑，試件滑移時，荷載-位移曲線突變小；造成這個現(xiàn)象的主要原因為當加熱溫度為500，600℃時，螺栓預拉力降低較明顯，試件在拉伸試驗過程中出現(xiàn)反復滑移的情況，加熱溫度對試件荷載-位移曲線有明顯影響。加熱溫度<500℃時，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；當加熱溫度為800，900℃時，試件極限荷載較常溫試件略有上升，當加熱溫度為900℃時，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、極限位移及對應的折減系數(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與常溫試件性能指標之比，折減系數(shù)與加熱溫度的關系曲線如圖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，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，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)與加熱溫度關系曲線

3 結語

為評估Q460高強鋼高強度螺栓受剪連接高溫浸水冷卻后的力學性能，按GB 5 0017—2017《鋼結構設計標準》相關要求設計并制作試件，對其開展不同加熱溫度高溫試驗和高溫浸水冷卻后的拉伸試驗，結論如下。

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

2)不同加熱溫度對試件的極限荷載和抗拉剛度有很大影響。加熱溫度<500℃時，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；當加熱溫度為800，900℃時，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。