来源： 侯兆新, 龚超, 梁梓豪, 王罡, 姚志东. 温度对高强度螺栓连接节点承载性能影响的试验研究[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(1): 50-59. doi: 10.13206/j.gjgS20081803
来源： 侯兆新, 龚超, 梁梓豪, 王罡, 姚志东. 温度对高强度螺栓连接节点承载性能影响的试验研究[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(1): 50-59.
doi: 10.13206/j.gjgS20081803
编者按
装配式钢结构建筑已经成为建筑行业发展的新方向和新趋势，其连接节点及结构体系的高效装配化是装配式钢结构建筑设计中的重点和难点之一。高强度螺栓连接作为20世纪70年代以来我国快速发展的一种钢结构施工技术，其拆装方便的特点很好地契合了装配式结构施工的特点，且具有节点刚度大、承载能力强、安全性能高等优点。
近年来高强度螺栓的新品种、新技术、新工艺、新节点、新结构等不断涌现。基于此背景，本期邀请中冶建筑研究总院侯兆新大师作为专刊主编，集中报道中冶建筑研究总院有限公司与北京建筑大学联合团队在高强度螺栓连接、全螺栓连接节点及高效装配式钢结构体系方面的研究成果，以期为高强度螺栓连接和高效装配式钢结构体系的推广应用以及标准规范的制定提供技术支撑和参考。
专刊主编
侯兆新
全国工程勘察设计大师
国家钢结构工程技术研究中心总工程师
中冶集团钢结构领域首席专家
中冶建筑研究总院（深圳）有限公司首席科学家
《钢结构（中英文）》编委
教授级高级工程师，国家一级注册结构工程师、一级注册建造师、注册咨询工程师，享受国务院政府特殊津贴，国家级领军人才，建国70周年纪念奖章获得者，深圳市工程勘察设计功勋大师。
侯兆新大师从事钢结构科研、设计、施工、监理、咨询以及标准编制方面工作已逾35年，积极投身于国家的重大战略工程建设和重大专项研究，在钢结构领域享有较高声誉，成为我国钢结构特别是高强度螺栓连接技术领域学科带头人之一。多年来，在其专业领域形成了“钢结构、主题公园、海外工程”三大技术特色，在“高强度螺栓连接、金属屋面、国产钢材走出去以及钢结构建筑产业化”等四个方面做出了突出贡献，其中研究成果“建筑钢结构新型连接节点及体系的设计理论、关键技术与工程应用”获得2011年国家科技进步二等奖。
研究背景
高强度螺栓连接作为现代钢结构的主要连接方式之一，具有受力性能好、耐疲劳、抗震性能好、连接刚度高、施工简便、可拆换等优点，被广泛地应用在建筑钢结构、桥梁钢结构、塔桅钢结构等的工程连接中,成为钢结构现场安装的主要手段之一。
国内外对常温下高强度螺栓标准孔连接的研究取得了十分丰富的成果，各国已经形成完善的常温下高强度螺栓设计规定，如美国钢结构规范、加拿大规范、英国规范、中国钢结构规范等。对于高温条件，国内外对8.8级和10.9级高强度螺栓用钢材高温下的材料性能也进行了一些研究。
根据现行规范，目前高强度螺栓的安装形式大多是摩擦型连接，但无论哪一种螺栓，都要求比较高的安装精度，误差往往以毫米计量，而目前的施工精度受各种条件和因素的影响，在许多方面达不到要求，这就致使施工单位在安装某些构件的螺栓连接节点时，经常会遇到构件预留的螺栓孔不能与连接板完全对应的情况，给现场安装施工带来困难。而高强度螺栓槽孔节点对加工和安装误差适应能力更强，便于施工，且能够通过滑移变形释放温度内力和地震作用，起到保护主体结构安全的作用。目前对高强度螺栓槽孔节点的研究较少，对高温下高强度螺栓槽孔节点的研究更是空白。
为此，本文对常温、130 ℃和200 ℃温度下高强度螺栓槽孔节点承载力和变形能力进行了试验探究，分析了温度、孔型、螺栓直径等参数变化对高强度螺栓槽孔节点滑移性能的影响规律。
研究内容
1 试验设计
1.1 试件参数
影响高强度螺栓连接节点承载性能的主要因素是螺栓预拉力、摩擦面抗滑移系数，在确保连接板在摩擦面滑移前不发生屈服的条件下，研究不同螺栓直径、不同螺栓孔型在不同环境温度下的承载性能，设计了6组共14个试件，试件参数见表1，钢材选用Q345B材质，摩擦面喷砂处理。
表1 试件参数
注：试件编号规则为：“试件类型试件序号-环境温度-螺栓规格-孔型同类试件序号”。以“A1-20-M20-R1”为例，A代表“试件类型”为承载性能试件，1代表试件序号，20为环境温度，M20代表螺栓规格，R代表孔型为标准孔，1代表标准孔第一个试件。
为研究不同温度下高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数，根据GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》中的相关规定，采用双摩擦面的二栓拼接的拉力试件。参考JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》和GB 50205—2001，设计的试件示例如图1所示。
a—试件侧视图；b—试件俯视图；c—1—1截面。
图1 试件设计(以M20槽孔节点为例)
高强度螺栓连接接头中螺栓刚度与连接板刚度之比称为连接刚度比，其中螺栓刚度为接头中所有螺栓公称截面面积之和，连接板刚度为连接板毛截面面积。按照此定义，M20和M30试件的连接刚度比分别为0.262和0.393。当螺栓剪切破坏与连接板受拉破坏同时发生时，此时连接刚度比称为临界刚度比，试件的临界刚度比约为0.32，其意义为：当刚度比小于0.32时，连接会是螺栓剪切破坏，反之，刚度比大于0.32，连接板会被拉断破坏。
1.2 试验系统及测量方案
1.2.1 试验系统
试件加载系统由反力架、2000 kN作动器、试验试件、电炉、试验辅助梁段和侧向支撑组成，如图2和图3所示。加荷时，首先施加10%的抗滑移设计荷载值，停1 min后，再平稳加荷，加荷速度为3～5 kN/s，直拉至滑动破坏，测得滑移荷载 N v 。温度采用分级加载，试验时炉温升温速率4～5 ℃/min，达到该级温度后恒定炉温10 min以上。
图2 试件加载系统示意
a—电炉照片；b—电炉内电热丝。
图3 试验电炉照片
根据试验所测得的滑移荷载 N v 和螺栓预拉力 P i 的实测值，抗滑移系数按式(1)计算，取两位有效数字。
(1)
式中： η f 为摩擦面面数， η f =2； m 为试件一侧螺栓数量， m =2。
1.2.2 温度测量
炉内温度由2个K型热电偶记录，取其平均值为炉温。试件在电炉中升温时，在其上部、中部、下部各布置一个K型热电偶以监测试件温度。热电偶布置如图4所示。
图4 试件热电偶布置
1.2.3 变形和应变
试件的变形采用两个对称布置在试件中间连接板两侧的位移计进行测量。位移计布置如图5、图6所示。高温试验时利用导线引出电炉外与位移计相连测量位移。
a—平面；b—立面。
图5 常温试件位移计布置
a—平面；b—立面。
图6 高温试件位移计布置
1.2.4 螺栓预拉力测量
为准确测量高强度螺栓的预拉力，常温下采用螺栓应变计(温度范围：-10～+80 ℃；最大应变：5000×10 -6 )监测螺栓预拉力大小并控制施加初始预拉力；高温下则采用日本测器研究所生产的高温应变片、高温导线、704保护胶制作的高温螺栓应变计，这是国内首次采用高温应变片测量高温下高强度螺栓预拉力变化。制作完成的高强度螺栓高温应变计如图7所示。
图7 高温螺栓应变计照片
通过标定得到高强度螺栓轴向拉力与高温应变片读数之间的关系见式(2)。
对于M30螺栓，有：
ε =3.2882 P
(2a)
对于M20螺栓，有：
ε =7.3985 P
(2b)
对于M16螺栓，有：
ε =11.5601 P
(2c)
式中： ε 为高温应变片读数，10 -6 ； P 为高强度螺栓轴向拉力，kN。
高强度螺栓达到设计预拉力时，高温应变计读数约为常温应变计读数的1/2。这是由于常温应变片和高温应变片阻值不同，两者的接线方式也不相同，如图8所示。
a—常温应变计阻值及接线方式；b—高温应变计阻值及接线方式。
图8 常温与高温应变计接线方式
按照电阻应变片的工作原理，有：
(3)
式中： 为应变片电阻变化率； K 为应变片的灵敏系数； E 为弹性模量； A n 为净截面面积。
对于常温应变计，每个通道均有Δ R / R = K ε = KP /( EA n )，对于高温应变计，有Δ R 1 / R +Δ R 2 / R =2Δ R / R = Kε = KP /( EA n )。可见，预拉力相同时，高温应变计各应变片的电阻变化率为常温应变计的1/2，而电阻变化率对应静态电阻应变仪实测的应变值，故高强度螺栓达到设计预拉力时高温应变计读数约为常温应变计读数的1/2。
2 试验结果及分析
2.1 试验结果
共进行了14组试验，其中常温条件4组，130 ℃高温条件4组，200 ℃高温条件6组。
2.1.1 荷载-位移曲线及破坏形式
试件典型破坏模式如图9所示，试件的荷载-位移曲线如图10～图12所示，试件的滑移荷载、位移及破坏形式见表2。
a—螺栓剪断；b—螺栓挤压变形；c—连接盖板孔边磨光；d—连接盖板挤压变形；e—芯板挤压变形；f—芯板断裂。
图9 试件破坏形式示例
a—标准孔试件；b—槽孔试件。
图10 常温环境下试件荷载-位移曲线
a—标准孔试件；b—槽孔试件。
图11 130 ℃环境下试件荷载-位移曲线
图12 200 ℃环境下槽孔试件荷载-位移曲线
表2 滑移荷载、位移及破坏形式
2.1.2 螺栓预拉力变化
1)摩擦阶段螺栓预拉力变化规律。
常温条件下，螺栓预拉力呈逐渐平稳下降趋势，M20标准孔节点螺栓预拉力基本保持不变，变化范围在0%～-2.1%之间；而槽孔节点螺栓预拉力变化稍大，变化范围在-7.7%～-9.4%之间，平均降低8.6%。M30标准孔节点螺栓预拉力在-8.4%～-14.4%变化，平均为-11.4%；而槽孔节点螺栓预拉力在-13.1%～-15.4%变化，平均为-14.3%。
130 ℃温度下，螺栓预拉力呈明显下降趋势，M20标准孔节点螺栓预拉力在-25.8%～-30.9%变化，平均下降-28.4%，与常温下几乎不变化的规律形成比较大的反差。M30标准孔节点螺栓预拉力在-15.2%～-17.4%变化，平均为-16.3%；而槽孔节点螺栓预拉力在-21.8%～-39.7%变化，平均为-30.7%。
200 ℃温度下，M20槽孔节点预拉力呈明显下降趋势，螺栓预拉力下降幅度比130 ℃时要大，离散性也大。M30槽孔节点螺栓预拉力呈现有升有降的状况，没有明显的规律性。
这个阶段螺栓预拉力的下降主要是由于泊松效应引起，板件沿受拉方向伸长，垂直于受拉方向相应缩短，导致螺栓预拉力降低，其规律是相同螺栓直径下，槽孔芯板的变形大于标准孔芯板的变形，因此，槽孔节点螺栓预拉力下降大于标准孔节点；相同孔型下，M30节点在滑移时芯板所受拉力大于M20节点，因此，对于标准试件来说，大直径螺栓预拉力下降要大于小直径螺栓。
130 ℃下螺栓预拉力的下降幅度比常温下大的主要原因是钢材和高强度螺栓热膨胀系数随温度发生变化，由图13可知，130 ℃正好处于两者交叉的临界温度区间，板厚和螺栓长度的变化引起螺栓预拉力发生明显变化。
图13 钢材和高强度螺栓热膨胀系数随温度变化曲线
200 ℃下高强度螺栓材料的热膨胀系数大于钢材的热膨胀系数，当连接板厚度相差不大时，螺栓截面积直接影响螺栓应力，表现出来就是M20螺栓预拉力呈下降趋势，而M30螺栓预拉力就没有明显下降趋势，个别甚至有上升趋势。
2)滑移阶段螺栓预拉力变化规律。
在滑移阶段，当节点发生主滑移时，螺栓杆开始与孔壁碰撞，时间短暂，螺栓预拉力呈上下波动，波动范围在20 ℃条件下最小，在10%之内，且很大程度上受螺栓上所贴应变片的位置影响；130 ℃条件下次之，且不稳定；200 ℃条件下最大，且更不稳定。
3)承压阶段螺栓预拉力变化规律。
在承压阶段，三个温度下螺栓预拉力变化规律大致相同。螺栓杆除了受拉以外，开始受剪，处于拉剪弯曲受力状态(图14)，应力状态复杂。由于两点之间直线距离最短，高强度螺栓产生弯剪变形后螺栓杆受拉伸长，当超过板件泊松效应引起的螺栓回缩时，高强度螺栓的预拉力逐渐增大。
a—滑移前；b—滑移后。
图14 螺栓滑移后产生弯剪变形
但是，由于螺栓上所贴应变片的位置影响，试验过程中所测出的应力变化呈现无规律性，表现在有的螺栓应力增大，而有些螺栓应力减小。当试件接近并达到极限破坏状态(螺栓剪断、连接板拉断)时，螺栓预拉力几乎消失殆尽。
2.1.3 抗滑移系数
定义试件抗滑移系数标准计算值为按现行国家标准GB 50205—2001计算所得；试件抗滑移系数“滑移计算值”为采用滑移时刻螺栓预拉力值计算而得。
将试件抗滑移系数标准计算值和滑移计算值汇总于表3，对比后发现，工程中采用标准计算值是偏于保守的。
表3 抗滑移系数标准计算值与滑移计算值对比
注：由于试件A6-130-M20-S1、A8-130-M30-S1和A11-200-M20-S3未记录到高强度螺栓初始预拉力，故无法计算得到抗滑移系数。
试件螺栓孔分标准孔和槽孔两种孔型，将两种孔型的抗滑移系数值汇总于表4，对比后发现，槽孔对滑移系数影响明显，总体上减少10%(20 ℃)和6.8%(130 ℃)左右，按照现行标准采用孔型系数(0.6～0.7)折减的方法是偏于保守的。
表4 标准孔和槽孔抗滑移系数对比
试件采用M20和M30两种螺栓直径规格，其抗滑移系数值对比汇总于表5。对比后发现，不同温度下螺栓直径对标准试件抗滑移系数影响规律不同，常温下采用M30螺栓的标准试件抗滑移系数值比采用M20螺栓的高34.5%；130 ℃下螺栓直径对标准试件抗滑移系数影响相对不大，采用M30螺栓的标准试件抗滑移系数值比采用M20螺栓的高5.2%；200 ℃下螺栓直径对标准试件抗滑移系数影响较大，采用M30螺栓的标准试件抗滑移系数值比采用M20螺栓的低35%。
表5 不同螺栓直径抗滑移系数对比
2.2 试验结果分析
对14组试件试验结果进行分析，研究温度、孔型以及螺栓直径对滑移荷载以及抗滑移系数的影响。
2.2.1 温度影响分析
将14个试件分成M20标准孔、M30标准孔、M20槽孔、M30槽孔四个类别，分析温度对滑移荷载以及抗滑移系数的影响，见表6。
表6 温度对滑移荷载、抗滑移系数的影响
注：括号中数值为对应项目的平均值。
通过对比分析，可以得出以下结论：
1)对于标准孔试件，相对于常温情况，130 ℃条件下节点滑移荷载和滑移变形变化不大，M20和M30螺栓抗滑移系数标准计算值分别比常温情况低7.5%和7.8%，因此，现行设计标准JGJ 82—2011中“当高强度螺栓连接的环境温度为100～150 ℃时，其承载力应降低10%”的规定是合适的。
2)对于槽孔试件，相对于常温情况，130 ℃条件对节点滑移荷载和抗滑移系数的影响较标准孔试件大，为10%左右。但200 ℃条件下，M20螺栓槽孔的滑移荷载和抗滑移系数反而有所提高，超过常温标准孔试件，其主要原因是M20螺栓连接刚度与连接板的连接刚度相差较大，在高温下槽孔的影响大大降低。而对于M30螺栓槽孔试件，随着温度提高至200 ℃，节点滑移荷载呈明显下降趋势，但其抗滑移系数呈现出先下降再缓慢上升的趋势。
2.2.2 孔型影响分析
类似地，将14个试件分成M20/20 ℃、M30/20 ℃、M20/130 ℃、M30/130 ℃四个类别，分析孔型对滑移荷载以及抗滑移系数的影响，见表7。
表7 孔型对滑移荷载、抗滑移系数的影响
通过对比分析，可以得出以下结论：
1)常温条件下，相对于标准孔，槽孔的滑移荷载和抗滑移系数要小，且对于直径较大的螺栓，槽孔的削弱较小。M20和M30螺栓槽孔节点滑移荷载标准计算值分别比标准孔情况低11.0%和4.0%，JGJ 82—2011中对于槽孔节点规定的当荷载与槽孔方向平行时孔型系数取0.6是偏于安全的。
2)130 ℃温度下，相对于标准孔，M30槽孔的滑移荷载和抗滑移系数要小，且对比常温条件，130 ℃温度下槽孔的削弱更大。
2.2.3 螺栓直径影响分析
类似地，将14个试件分成常温标准孔、常温槽孔、130 ℃标准孔、130 ℃槽孔、200 ℃槽孔五个类别，分析螺栓直径对滑移荷载以及抗滑移系数的影响，见表8。
表8 螺栓直径对滑移荷载、抗滑移系数的影响
注：括号中数值为对应项目的平均值。
通过对比分析，可以得出以下结论：
1)常温条件下，螺栓直径对节点滑移荷载和抗滑移系数影响明显，M30螺栓的滑移荷载比M20螺栓的大200%以上，M30螺栓的抗滑移系数比M20螺栓的大30%左右。
2)130 ℃温度下，螺栓直径增大对节点滑移荷载和抗滑移系数的增大效应略有削弱。当温度升高至200 ℃，螺栓直径增大对节点滑移荷载和抗滑移系数的增大效应削弱明显，并且200 ℃时，M30槽孔节点的抗滑移系数要比M20的小12%。
结 论
本文进行了14个高强度螺栓标准孔和槽孔连接节点在常温、130 ℃高温和200 ℃高温下滑移性能的试验研究，并利用高温应变计测量了高温下高强度螺栓预拉力。试验研究结果表明：
1)130 ℃处于高强度螺栓材料与连接钢材热膨胀系数值相同的温度区间，温度对高强度螺栓连接性能的影响，体现在以下方面：
a.在20～130 ℃期间，温度对标准孔试件滑移荷载和滑移变形有影响，抗滑移荷载减少0.9%～4.3%；抗滑移系数降低7.5%～7.8%；螺栓预拉力松弛约22.4%。
b.在130～200 ℃期间，槽孔试件滑移荷载和滑移变形变化较明显。相对于常温情况，130 ℃和200 ℃下M30螺栓滑移荷载分别减少9%和34%，抗滑移系数分别降低11%和7%；螺栓预拉力出现不规则变化。
因此，现行JGJ 82—2011的规定“高强度螺栓连接长期受辐射热(环境温度)达150 ℃以上，或短时间受火焰作用时，应采取隔热降温措施予以保护。当高强度螺栓连接的环境温度为100～150 ℃时，其承载力应降低10%。”是合适的。
2)槽孔对高强度螺栓连接性能的影响，体现在以下方面：
a.常温条件下，相对于标准孔，槽孔的滑移荷载和抗滑移系数要小，且对于直径较大的螺栓，槽孔的削弱较小。M20和M30螺栓槽孔滑移荷载分别比标准孔低11.0%和4.0%，抗滑移系数分别比标准孔低12.0%和10.0%。
b.130 ℃温度下，相对于标准孔，M30槽孔的滑移荷载和抗滑移系数分别低9.0%和13.0%，且对比常温条件，130 ℃温度下槽孔的削弱更大。
c.槽孔会加大螺栓预拉力松弛，130 ℃温度下，M30标准孔节点螺栓预拉力松弛约-16.3%；而槽孔节点螺栓预拉力松弛约-30.7%，比标准孔高14.4%。
综合试验结果分析，槽孔对高强度螺栓连接承载力的影响应在10%～30%，现行JGJ 82—2011规定的抗滑移系数和孔型系数(0.6)取值偏于保守，还有提高的空间。
3)M20和M30试件的连接刚度比分别为0.262和0.393。连接刚度比对高强度螺栓连接性能的影响，体现在以下方面：
a.在20～130 ℃期间，M30螺栓的抗滑移系数比M20螺栓的大约30.0%。说明连接刚度越大，标准试件抗滑移系数值越大。200 ℃温度下，M30螺栓的抗滑移系数比M20螺栓的反而小12.4%，M20抗滑移系数出现异常。
b.130 ℃时，M20和M30螺栓预拉力松弛分别约28.4%和16.3%，说明连接刚度越大，螺栓预拉力松弛越小；随着温度提高至200 ℃时，M20预拉力呈明显下降趋势，下降幅度比130 ℃时要大，离散性也大。M30螺栓预拉力呈现有升有降的状况，没有明显的规律性。
综合分析可得出结论，连接刚度比是对标准试件性能以及温度作用的重要影响因素，连接刚度比越大，高温的影响相对较小。因此，现行JGJ 82—2011修订时，宜增加对连接刚度比的要求。
