引言

钢结构具有材料强度高、塑性和韧性好、材质均匀等优点，被广泛应用于房屋建筑、桥梁等工程中，但钢结构耐腐蚀性差、耐火性差[1]。高强度螺栓连接是钢结构基本连接方式，在钢结构中广泛应用。因此，针对高温后高强度螺栓连接的受剪性能进行研究，对评估火灾后钢结构的承载安全至关重要。

目前，国内外学者对高温下高强度螺栓连接的受力性能进行了较为系统的研究，包括高温下螺栓的力学性能研究[2,3,4]及高温下螺栓连接的受剪性能研究[5,6,7],具体有：Yan等[8,9]进行了薄钢板单剪螺栓连接的高温稳态和瞬态试验，研究表明，在加热温度为300℃～600℃时，单剪螺栓连接的承载力随加热温度的增加而迅速下降，单剪螺栓连接的临界温度随着荷载水平的增加而降低。Yu[10]研究了高强度螺栓连接的高温性能，发现单螺栓连接的承载力随加热温度的增加而显著降低，当加热温度高于600℉时，单螺栓连接破坏模式从轴承破坏变为螺栓剪切破坏；当加热温度超过800℉时，双螺栓连接移荷载显著降低。综上，高温下高强度螺栓连接受力性能会随着加热温度的增加而退化，加热温度低于300℃时退化幅度较小，加热温度高于300℃时退化幅度较大。

对高温后高强度螺栓连接的受力性能研究比较有限，且各学者研究成果结论相差较大，如：强旭红等[11]进行了高强度螺栓连接的真实火灾试验，得到高强度螺栓连接火灾前后滑移荷载和预紧力变化，研究结果表明高强度螺栓连接的滑移荷载和预紧力随加热温度升高而降低。俞珊等[12]进行了高温过火冷却后高强度螺栓摩擦型连接受剪试验研究，试验结果表明，当加热温度未超过400℃时，加热温度对连接的滑移荷载、极限荷载影响较小；当加热温度超过400℃时， 滑移荷载、极限荷载开始显著下降。范圣刚等[13]进行了高温后高强度螺栓受剪连接性能试验研究，发现当加热温度超过350℃时，滑移荷载与极限荷载随加热温度升高急剧下降，加热温度越高，冷却后试件的滑移荷载值越小，当加热温度不超过300℃时，泼水冷却和自然冷却对试件的滑移荷载影响较小；加热温度为400℃时，泼水冷却试件的滑移荷载的降低大于自然冷却的。Liu等[14]对8.8级和10.9级高强度螺栓连接高温后的受剪性能进行了试验研究，认为高强螺栓连接的抗滑移能力和抗剪能力随着加热温度的升高而降低，当加热温度低于600℃时，高强度螺栓连接的受剪承载力与室温下的相近；当加热温度超过600℃时，受剪承载力迅速下降。

实际工程中，火灾时高强度螺栓连接承担一定荷载，而已有研究均未考虑加热过程中荷载作用对高温后高强度螺栓连接受力性能的影响，不能反映真实的工程实际情况。为此，本文中进行高温后高强度螺栓受剪连接性能试验，研究不同加热温度、不同冷却方式和不同高温受荷情况对高强度螺栓受剪连接性能的影响，并提出高温后高强度螺栓连接受剪承载力计算式。

1、试验概况

1.1试件设计

为研究不同加热温度、冷却方式和高温受荷情况对高强度螺栓受剪连接性能的影响，依据JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》[15],设计了2组高温不受荷(加热过程中不受荷载作用)试件、4组高温受荷(加热过程中受荷载作用)试件及1组常温试件，共32个试件。高强度螺栓受剪连接试件均采用10.9级M22大六角头高强度螺栓，连接板钢材牌号为Q235B,接触面作抛丸处理。为保证高强度螺栓破坏时连接板不破坏，芯板厚取28 mm,盖板厚取16 mm。试件构造及尺寸如图1所示，主要设计参数如表1所示，具体如下：1)加热温度为200、300、400、500℃和600℃。2)冷却方式采用自然冷却和泼水冷却两种。3)高温受荷情况。根据火灾时连接一般受荷情况，荷载分别取试件受剪承载力设计值Fd的0%(即高温不受荷)、20%和40%。

1.2试验装置

试验在江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室进行，试验装置由加载装置和加热装置组成，具体如下：1)加载装置为1 000 kN电液伺服万能试验机，采用自制夹具固定高强度螺栓连接；试验过程中通过试验机数据采集系统得到试件拉伸过程中的荷载-位移曲线，加载装置如图2a所示。2)加热装置采用自制电炉，并配套温度控制设备，如图2b所示；加热时用耐火棉塞住两端缝隙，防止热量外泄。

图1试件及温度测点   

表1试件主要设计参数

图2试验装置   

1.3加载制度

对于高温不受荷试件，首先对试件进行加热，模拟高温过火作用，达到指定温度后保温30 min,再用强磁夹具取出试件，分别进行自然冷却或泼水冷却至室温(图3)。试件冷却后，将试件安装在试验机上，先以加载速率为0.5 kN/s加载至荷载为10 kN,稳定1 min;然后，以2 kN/s的加载速率加至荷载为100 kN;最后以1 kN/s的加载速率平稳加载，当螺栓剪断或螺栓已出现明显变形，荷载-位移曲线突降时，停止加载。

图3冷却方式   

对于高温受荷试件，将加热电炉安装在可移动支架上一并放入试验机(图4)。加热前，以0.8 kN/s的加载速率加载至预加荷载后保持不变，加热至指定加热温度，保温40 min后取出试件，泼水冷却或自然冷却至室温，再将试件重新安装在试验机上，参照高温不受荷试件加载过程进行加载，直至试件破坏。

图4高温受荷试件加热及加载示意  

1.4测量方案

加载前，在试件侧面画出观测滑移的直线，如图2a所示。采用位移计测量盖板与芯板间的相对滑移，由3818型应变仪采集位移计数据。通过试验机自带数据测量系统得到试件加载过程中的荷载-位移曲线。当试验中发生以下情况之一时，即判定试件发生滑移，所对应的荷载定义为滑移荷载：1)试件发出“嘣”的响声；2)拉力试验机所测荷载-位移曲线发生明显下降；3)位移计所测荷载-位移曲线发生明显突变。

2、试验结果及分析

2.1试验现象

高温后高强度螺栓连接试件表面颜色有明显变化，常温下试件颜色为银灰色。采用不同冷却方式处理的试件颜色不同，具体如下：1)自然冷却后，加热温度为200℃的试件表面略有一点褐色，300℃的试件表面褐色非常明显，400℃的试件表面出现少许黑色，500℃的试件表面基本为黑色，600℃ 的试件表面呈现黑、蓝、紫三种颜色。2)泼水冷却后试件表面以褐色为主，加热温度400℃以内无明显区别，500℃试件表面有一点黑色，600℃试件表面黑色比较明显。

加载过程中，每组试件都出现了明显的滑移和“嘭”的声响，试件产生相对滑移时会有很大的震动，试件最终破坏模式为高强度螺栓剪断，同时螺栓剪断处盖板翘起，如图5所示。拆开试件，连接板螺柱孔壁出现明显的承压变形，如图6所示。

图5试件破坏模式   

图6试验后螺栓孔壁形态   

2.2荷载-位移曲线

通过数据采集系统得到高温后高强度螺栓连接荷载-位移曲线。由于加载开始时，夹具与构件之间不可避免地会存在滑移，因此曲线起始段的斜率较小，当进入稳定加载阶段后构件弹性阶段曲线斜率基本不变，为消除上述因素对曲线的影响，在绘制荷载-位移曲线时对数据进行处理，具体为：各试件在进入稳定加载阶段时曲线斜率基本已保持不变，因此选取达到稳定点的加载数据，删除达到稳定点之前的数据，并依据稳定点以上弹性段的直线将曲线延伸至横坐标轴，然后将曲线起始点平移到原点处。经过处理的加热时不受荷试件荷载-位移(F-Δ)曲线如图7所示，加热时受荷0.2Fd试件荷载-位移曲线如图8所示，加热时受荷0.4Fd试件荷载-位移曲线如图9所示。试验中试件S0-2W的夹具松动，其荷载-位移曲线在第1次荷载下降后出现较大滑移。因试验机的原因试件S20-3W高强度螺栓未被剪断，但已出现明显滑移。受荷0.4Fd的试件S40-6A、S40-6W,其荷载-位移曲线随着荷载的增加位移不断增大，中间没有出现水平段或下阶段，说明没有滑移产生，这是因为试件在加热过程中滑移已产生，其他受荷试件加热过程中，连接件没有发生滑移。

图7高温不受荷试件荷载-位移曲线   

2.3特征荷载

分析2.2节中的荷载-位移曲线可以得到各试件的滑移荷载和极限荷载，如表2所示。

图8高温受荷0.2%Fd试件荷载-位移曲线   

图9高温受荷0.4Fd试件荷载-位移曲线  

2.3.1滑移荷载

将高温后试件滑移荷载Nt, T与常温试件滑移荷载Nt, 20之比定义为高温后高强度螺栓受剪连接滑移荷载折减系数，各试件的滑移荷载折减系数如表2及图10所示。可以看出：

1)高温后高强度螺栓受剪连接件滑移荷载受冷却方式的影响较小。与自然冷却相比，泼水冷却后试件，不受荷加热试件的滑移荷载在加热温度为200～500℃时基本没有变化，加热温度为600℃时降低了21.1%;受荷0.2Fd加热试件在加热温度为200℃时下降了5.1%,加热温度为300℃时下降了3.5%;加热温度400℃时，提高了8.2%;加热温度500℃时，降低了2.7%;加热温度600℃时，降低了12.7%;受荷0.4Fd加热试件在加热温度为200℃时没有变化，在加热温度为300℃时提高了约3%,加热温度过400℃后降低不到4%,加热温度为600℃时没有发生滑移现象。

2)加热温度对高温后高强度螺栓受剪连接滑移荷载影响显著。与常温试件滑移荷载相比，不受荷加热高温后试件在加热温度为200℃时滑移荷载变化很小，提高幅度不到5.5%;在加热温度为300℃时滑移荷载最大，提高了约30%;随着加热温度的增加，滑移荷载逐渐减小，但在加热温度为400℃时滑移荷载降幅不超过6%;在加热温度为500℃时下降了约25%,在加热温度为600℃下降了约80%,在加热温度为300℃高温后连接滑移荷载提高显著是因为此时的连接滑移系数有很大提高。对于受荷0.2Fd加热试件，加热温度为300℃前，随着温度增加，滑移荷载略有增大，在加热温度为300℃时提高了约11%,加热温度过300℃后滑移荷载开始下降，但加热温度为400℃时仍可以提高，但提高幅度不超过6%,随后滑移荷载快速下降，加热温度为500℃时降低了约24%,加热温度为600℃时降低了约75%。对于受荷0.4Fd加热试件，加热温度为200℃时滑移荷载基本没有变化，加热温度为300、400℃时提高了约7%,加热温度为500℃时降低了约25%。

表2试验结果

图10高温后高强度螺栓受剪连接滑移荷载折减系数   

3)自然冷却下，除加热温度为300℃时不同受荷情况试件滑移荷载变化较大，不同高温受荷情况对高温后高强度螺栓受剪连接件滑移荷载影响很小。相比不受荷试件，加热温度为200、400、500℃和600℃时受荷0.2Fd试件和受荷0.4Fd试件滑移荷载变化都在5%以内；加热温度为300℃时受荷0.2Fd试件滑移荷载降低了约12%,受荷0.4Fd试件下降了约20%。泼水冷却下，相比不受荷试件，加热温度为200、400、500℃和600℃时受荷0.2Fd试件和受荷0.4Fd试件滑移荷载的变化都在3%以内；加热温度为300℃时受荷0.2Fd和受荷0.4Fd试件分别下降了约13%和15%。

2.3.2极限荷载

将高温后试件极限荷载Nv, T与常温试件极限荷载Nv, 20之比Nv, T/Nv, 20定义为高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载折减系数，各试件的极限荷载折减系数如表2及图11所示，可以看出：

图11高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载折减系数  

1)高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载在加热温度400℃前变化较小，与常温试件相比，相差在7%以内。加热温度过400℃后高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载随温度升高而下降，加热温度为500℃后快速下降，加热温度为500℃时试件极限荷载约为常温试件的95%左右，而加热温度为600℃时只有常温试件的85%左右。

2)对于不受荷试件，冷却方式对不同加热温度的高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载影响不同。自然冷却下，在加热温度为200℃前，试件极限荷载随温度升高而增大，加热温度过200℃后试件极限荷载随温度升高而降低；泼水冷却下，在加热温度为300℃前，试件极限荷载随温度升高而降低，加热温度过300℃后试件极限荷载随温度升高略有增大，加热温度过500℃后试件极限荷载快速下降。因此加热温度为200、300℃时，泼水冷却试件极限荷载比自然冷却试件降低约7%,加热温度为500℃时，极限荷载增大约3%,其他加热温度时，两者差别不大。

3)对加热时受荷0.2Fd试件，高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载受冷却方式影响很小，各温度下两者极限荷载基本相同。

4)对加热时受荷0.4Fd试件，泼水冷却下，加热温度为500℃前试件极限荷载变化较小，加热温度过500℃后试件极限荷载急速下降；自然冷却下，试件极限荷载随温度升高先降低后升高，然后再降低，加热温度为200℃与300℃时试件极限荷载基本相同，相比常温减少约5%,加热温度为400℃时试件极限荷载相比常温时减少约2%,加热温度为400℃时后试件极限荷载随温度升高而减小。与不受荷试件相反，加热时受荷0.4Fd试件，加热温度为200、300℃自然冷却试件极限荷载比泼水冷却试件的低约5%,加热温度为400℃自然冷却试件极限荷载比泼水冷却试件的略高，但相差不到3%。

5)加热时受荷情况对高温后受剪连接极限荷载影响较小，自然冷却下，受荷0.2Fd和受荷0.4Fd试件的极限荷载在加热温度为200℃时，比不受荷试件的分别低约5%和8%,加热温度为300℃时受荷0.4Fd试件比不受荷试件的低约5%,其他情况下试件的极限荷载基本相同。泼水冷却下，受荷0.4Fd试件在加热温度为300℃时比不受荷试件高约5%,其他情况下试件的极限荷载基本相同。

3、折减系数拟合

3.1滑移荷载折减系数

由于加热温度未达到400℃时试件滑移荷载大于或接近常温试件，所以偏安全地不考虑高温后高强度螺栓受剪连接滑移荷载的提高。加热温度过400℃后，高温后高强螺栓连接滑移荷载开始急速下降，且加热时受荷试件高温后高强螺栓连接滑移荷载与不受荷试件的基本相同。因此，加热温度为400℃之前，高温后高强度螺栓连接滑移荷载取常温下滑移荷载，加热温度过400℃之后采用多项式拟合，根据自然冷却和泼水冷却下的试验结果，高温后滑移荷载折减系数拟合结果ηA、ηW如下：

图12滑移荷载折减系数试验结果与拟合曲线

3.2极限荷载折减系数

由于高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载在加热温度未达到400℃时变化较小，与常温试件相比，仅相差约5%,加热温度过400℃后下降明显。以加热温度400℃为界，根据自然冷却和泼水冷却下的试验结果，高温后极限荷载折减系数拟合式如下：

图13极限荷载折减系数试验结果与拟合曲线  

4、结论

1)高温后高强度螺栓受剪连接滑移荷载受冷却方式的影响较小。加热温度对高温后高强度螺栓受剪连接滑移荷载影响显著，加热温度不超过400℃时，滑移荷载比常温高强螺栓连接滑移荷载要高，但随着加热温度进一步升高，滑移荷载快速下降。

2)加热温度为300℃左右时，加热时受荷越大，高温后高强度螺栓受剪连接滑移荷载越小。其他加热温度、不同受荷情况对高温后高强度螺栓受剪连接件滑移荷载影响很小。加热且受荷较大时，高强螺栓连接会在加热过程中发生滑移，高温后连接不会发生滑移现象。

3)冷却方式对高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载的影响不大，加热温度为200、300℃时，随着加热时受荷的增加，泼水冷却高强螺栓连接极限荷载从比自然冷却高强螺栓连接低逐渐转变成比自然冷却高强螺栓连接的高，但两者相差不大，其他加热温度、不同冷却方式下高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载基本相同。加热温度400℃后高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载随温度升高而下降，加热温度为600℃时约为常温高强螺栓连接的85%。

4)自然冷却下，加热温度为200、300℃时，随着加热时受荷的增加，高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载降低，但降低幅度较小。其他加热温度下，加热时受荷大小对高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载影响很小；泼水冷却下，加热时受荷大小对高温后高强度螺栓受剪连接极限荷载影响很小。

5) 综合试验结果，给出的高温后不同冷却方式下高强度螺栓受剪连接滑移荷载折减系数和极限荷载折减系数的计算式拟合精度为0.925～0.986。

参考文献:

[1]陈绍蕃,顾强.钢结构基础[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:1-6.

[2]强旭红,罗永峰,何佳琴,等.高强度螺栓连接节点火灾后性能试验研究.[J.建筑结构,2010,40(8):83-87.

[3]俞珊,楼国彪,张成.高强度螺栓摩擦型连接火灾后受剪试验研究[J].防灾减灾工程学报,2012,32(增刊1)6-14.

[4]]范圣刚,舒赣平,霍昌盛.高强度螺栓受剪连接抗火性能试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2012,42(6).

[5]钢结构高强度螺栓连接技术规程:JGJ 82—2011[8].北京:中国建筑工业出版社,2011.

文章来源:黄炳生,陈涛,荆海仓等.高温后高强度螺栓受剪连接性能试验[J].建筑结构学报,2023,44(10):234-242.