高温后钢结构焊缝连接力学性能研究现状

高温后钢结构焊缝连接力学性能研究现
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摘要：本文针对近年来国内外学者对高温后钢结构焊缝力学性能的研究进行详细的分析，比较各位学者提出的高温后钢结构随温度变化及连接方式不同时力学性能变化规律，并对高温后钢结构焊缝力学性能变化特征进行探讨。

关键字：高温后；焊缝；力学性能；连接方式
1 引言
目前，钢结构构件的连接形式和连接质量对建筑安全造成一定的影响，不同连接方式对高温后钢结构的抗力可能造成极大的影响[1]。

现阶段钢结构的主要连接方式有三种：螺栓连接、焊接连接和铆接连接。

相比于其他两种连接方式，焊接连接具有构造简单、刚度大、密闭性好、生产效率高等诸多优点[2]。

所以，在钢结构设计中多采用焊接连接。

火灾对钢结构建筑的安全具有致命危害，钢材虽然具有较好的强度和韧性，但其不耐高温。

随着火灾发展，环境温度持续升高，钢结构的承载能力不断下降。

当温度达到600℃时，钢结构构件的强度和弹性模量几乎完全丧失[3]。

因此，对于无防火措施的钢结构建筑，结构在火灾发生时，容易产生严重破坏[4-5]。

通过分析多篇火灾工程事故报告，发现钢结构建筑中焊缝节点作为结构的薄弱点，往往先发生破坏，然后结构发生整体破坏。

许多研究表明，火灾后焊缝力学性能将受到影响，且更易受损[6-7]。

因此，研究角焊缝连接高温下的力学行为尤为重要。

2、高温后钢结构焊缝力学性能研究现状
焊接连接由于结构简单、加工简便、强度大、密闭性好等一系列优势，已成为现代钢结构的主要连接方式。

但是，焊缝工艺的各种特性又使它成为了整个结构的薄弱环节[8]。

焊接加工过程中遇到的高温也会直接影响焊接钢材力学性能，许多学者通过对强度、弹性模量、伸长率等方面进行了探讨分析。

赵金城[9-10]分别
结合材料试验技术和相变理论，分析计算了各种高温情况下普通钢材力学性能特征的显著变化，并分别阐明出其转变对结构以及抗火化性能变化造成后果。

王卫永[11]以国产高强度钢材为实验研究主要对象，通过单轴拉伸试验，分别对其在高温工况下试样弹性模量和抗拉强度分别进行拉伸试验，发现试件的承载力出现了不同程度的下降。

贾兴志[12]通过设计试验，分析了高温、焊缝缺陷等因素对焊缝力学性能的影响，通过统计平均法绘制在一定温度区段内不同缺陷面积占比对焊缝试样的屈服强度、弹性模量、极限强度及延展性影响曲线。

通过曲线可明显看出，试件的屈服强度受高温和焊接缺陷的影响出现降低，当焊接缺陷占比较大时，试件屈服强度会出现较大削弱，发生脆性断裂。

通过高温稳态拉伸实验发现，经高温后，焊缝区域的力学性能相对于母材发生较为显著的变化，当温度达到500℃时该区域的金相组织部分发生金属相变，材质较脆，较易断裂。

因此在对钢结构防火设计时，应综合考虑温度对焊缝力学性能的影响，以保证设计和评估结果的有效性。

程亮等[13]对39个对接焊缝试件进行高温后力学性能试验，分析了不同温度和冷却方式对焊缝强度和延性的影响。

结果表明当温度超过500℃时，断裂位置由母材逐步偏移到焊缝处，故在评估时需要对焊缝强度进行折减。

朱美春[14]等人开展了高温过火模拟和冷却后的拉伸实验，其实验结果与文献[13]对接焊缝的试验结果近似一致。

乔文娟[15]进行不同形式角焊缝的常温和高温稳态试验研究，获得纯焊缝和角焊缝不同温度下的相关力学性能指标，并与相关规范进行对比，讨论了不同焊缝高温力学性能的差异。

得出的结论是纯焊缝、正面角焊缝、侧面角焊缝、十字接头的抗拉强度和屈服强度都呈现出随着温度的升高先增大后减小的趋势。

陈建锋[16]通过设计试验将试件在不同温度下经历高温，使用不同的冷却方法，并分析在不同条件下试样的力学性能，研究不同高温、不同冷却方式下正面角焊缝拉抗剪强度变化规律。

实验发现，在自然冷却下，试件抗拉剪切强度随温度升高而增加，再升高温度，试件抗剪强度略有降低。

当采用喷水冷却，600℃以下时，焊缝抗剪强度随温度升高而增加。

当温度达到600℃~700℃度时，试件抗剪强度随温度升高而降低，当温度升温至800℃后，试件抗剪强度趋于平缓。

3、结论
通过广泛借鉴已成熟先进的各种金属材料高温力学性能模拟研究技术方法原理和技术手段，针对焊缝高温力学性能问题的研究，可以充实完善目前钢结构稳定性及防火灾设计理论。

本文主要针对国内外高温后钢结构焊缝连接力学性能的研究工作进行分析，通过对多种条件下高温后焊缝力学性能分析，得出以下结论：
（1）焊接缺陷会造成焊缝处几何尺寸、力学性能不连续，产生的应力集中现象对结构强度影响较大。

全温度段，焊材在力学破坏形式均会受到焊缝缺陷的影响。

所以，焊缝缺陷对高温后焊缝连接力学性能的影响不容忽视。

（2）对接焊缝连接试件的变形能力在高温过火后显著降低。

同时温度的升高会对焊材的强度降低，变形能力增大，抗裂能力增强。

（3）高温后钢结构焊缝抗剪强度呈现出了先增加后减小的力学特征。

并且在构件经历高温后不同的冷却方式对焊缝连接性能的力学特性有着重要影响。

综上所述，高温后钢结构材料性能劣化，结构性能大大削弱，特别是焊缝连接力学性能表现出明显差异。

随着温度升高，焊缝的极限强度呈先增后减的趋势。

焊缝不同连接方式及钢结构高温后冷却方式对焊缝力学性能也存在着较大影响。

所以，综合考虑钢结构环境温度及焊缝连接方式，合理控制钢结构高温后冷却方法对钢结构的保护起着重要作用。

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