高强螺栓连接节点火灾后性能试验研究

考应用的算法。 1 试验概况
专门进行了模拟高强螺栓连接的真实火灾试验( 试 件见图 1) , 内容包括: 测量高 强螺栓在火灾前和火灾后 的预紧力、抗滑移荷载、扭矩及其各组件硬度的变化。
图 1 试件设计图
1 1 试件的设计及制作 高强螺栓连 接 试件 设计 与 详细 尺寸 见图 1, 选用
Q235 钢材和 10 9 级高强度大六角头螺栓。其中, 高强
2 3 火灾后高强螺栓预紧力的变化
钢结构高强螺 栓连 接中, 影 响高强 螺栓 连接 承载
力的最主要因素为高强螺栓的预紧力和连接摩擦面的
抗滑移系数[ 6] , 而抗滑移系数可通过下式计算:
=
Nv
m
( 3)
n & Pi i= 1
m
& 式中, N v 为由 试验 测得 的滑 移荷 载, Pi 为试 件滑 i= 1
试件编号 受火时间 min
试件冷却方式
试件受火时间及冷却方式
1 60
升温后消防 喷水冷却
2 30
升温后 自然冷却
3 60
升温后 自然冷却
表1
4 0
常温状态
图 3 火灾模拟场景
图 4 试件温度测量照片
2 试验结果与分析 2 1 火灾下试件温度测量
试验过程中, 受火试 件整 体平均 温度 的变化 如图 5 所示。以试件 1 的螺栓为例, 图 6 给出了处于不同位 置的螺栓在火 灾过程中的温 度变化, 螺栓 位置见图 1, 其他组件的温 度变 化趋势 与图 6 所 示类 似, 由这 些曲 线可知其所经历的最高火灾温度。 2 2 火灾后高强螺栓扭矩变化
目前, 我国对 钢结构 抗火 性能的 研究 主要集 中在 对整体框架和单个梁、柱等构件的分析 上, 对火灾下高 强螺栓连接性 能的研 究非 常有限, 对其 火灾后 性能的 研究则更为少见。国外对常温下高强螺 栓连接性能虽 有较多研 究[ 4, 5] , 但 对突 发火 灾情 况 时处 于高 温 条件 下的高强螺栓连接进行研究的还不多。 对火灾后高强 螺栓连接节点性能的研究, 国内外学者 几乎均未涉足。 为此, 专门进行 了模拟 某高 层钢结 构高 强螺栓 连接节 点足尺模型 的真 实火灾 试验。并 通过数 学拟 合, 得到 该类节点的一系列主要参数与其经历的火灾最高温度 相关的理论拟 合公式, 以期 得到可 供工 程实际 设计参
高强螺栓火灾前后扭矩变化统计数据 表 2
试件编号 Mb kN#m Ma kN#m
Ma Mb
T∀
t∀
M1
50 4
M2
50 6
M3
51 6
M4
51 4
M5
51 5
M6
52 2
M7
50 2
M8
50 8
M9
50 6
M10
50 6
M11
50 4
11 8
0 234 127
876
856
28
0 055 336
845
移一侧高强度螺 栓预 紧力实 测值 ( 或同 批螺栓 连接的
预紧力平均值) 之和, m 为 试件一 侧螺栓 数量, 试验取
m= 2, n 为摩擦面面数, 试验取 n= 2。
由式( 3) 知, 确定火灾后高强螺栓的 预紧力和滑移
荷载对确定高强螺栓连接摩擦面的抗滑移系数至关重
要。试验所 得高 强 螺栓 在 火灾 前 及火 灾 后的 预 紧力
第 40 卷 第 8 期
建筑结构
2010 年 8 月
高强螺栓连接节点火灾后性能试验研究*
强旭红1 , 罗永峰1 , 何佳琴1 , 张立华2
( 1 同济大学土木工程学院, 上海 200092; 2 上海宝冶工程技术有限公司, 上海 200941)
[ 摘要] 对钢结构节点在火灾作用后的力学性能进行深入研究至 关重要, 它是研究 结构整体 火灾作用后 力学性能 的重要基础。对四个足尺高强螺栓连接节点进行了模拟自然火灾 试验, 通过对其火 灾前后力 学性能试验 结果的对 比分析, 采用数值分析的最小二乘法, 得到了该类节点各主要参数 与其所经历 的最高火 灾温度相关 的拟合公式 , 为 具有此类连接节点的钢结构火灾后的安全性检测评定与加固提供了参 考依据, 也为我 国 钢结构抗火 设计规范 的 修订提供参考。 [ 关键词] 高强螺栓连接; 火灾后性能; 足尺试验; 拟合公式
钢结 构高 强 度螺 栓 连接 的 设计、施 工及 验 收规
84
图 5 试件平均温度变化曲线
图 6 试件 1 螺栓温度变化曲线
由表 2 可看出, 当 高强螺 栓连 接经 历的 最高 火灾 温度为 500 ∀ ~ 800 ∀ 时, 高强 螺栓 的扭 矩剩 余系 数随 最高火灾温度升 高而 减小; 当 其经 历的最 高火 灾温度 为 800 ∀ ~ 900 ∀ 时, 随最高火灾温度的升 高, 高强螺栓 的扭矩剩余系 数略有 增加。根 据表 2 数据, 可得 到高 强螺栓在火灾前后扭矩变化的拟合公式:
0 引言 钢构件耐火性能研究 为认识结构 在火灾下的力 学
性能打下了坚实的基础[ 13] 。结构在火灾后是否可以继 续使用和灭火后救援人员 在火灾现场 实施救援工作 时 的安全性都是由火 灾后结构的 性能所决定的。在火 灾 作用下和火灾作用后, 钢结构材料强度和单个钢构件刚 度的下降必然导致钢结构 内力通过钢 结构连接和结 构 整体的抗变形能力 和内力重分 布机制发生改 变。钢 结 构连接对结构火灾时和火 灾后的承载 力都有重要的 影 响, 是研究结构整体在火灾后力学性能的重要基础。
Experimental study on the behavior of high strength bolted connection after fire Qiang Xuhong1 , Luo Yongfeng1 , He Jiaqin1 , Zhang Lihua2
(1 College of Civil Eng. , Tongji University, Shanghai 200092, China; 2 Shanghai Baoye Eng. Tech. Cor. , Shanghai 200941, China) Abstract: The study of the behavior of steel connection after fire, which is the essential basis of studying the behavior of a steel frame or a whole structure, is very significant and valuable. Four full scale high strength bolted connections were tested to simulate their behaviors in the natural fire. The experimental results of the high strength bolted connections before fire were compared with that after fire. Furthermore, the regression equations expressing the changes of several significant parameters of the high strength bolted connection with regard to different highest temperatures were concluded using the method of least squares. This study can be used as basic reference not only for the inspection and reinforcement of steel structures with high strength bolted connections after fire, but also for the revision of national fire resistant design code of steel structure. Keywords: high strength bolted connection; behavior after fire; full scale test; regression equation
该拟合公式计算结果与试验结果比较见图火灾后高强螺栓预紧力的变化钢结构高强螺栓连接中影响高强螺栓连接承载84力的最主要因素为高强螺栓的预紧力和连接摩擦面的抗滑移系数为试件滑移一侧高强度螺栓预紧力实测值或同批螺栓连接的预紧力平均值之和为试件一侧螺栓数量试验取为摩擦面面数试验取确定火灾后高强螺栓的预紧力和滑移荷载对确定高强螺栓连接摩擦面的抗滑移系数至关重要
程 ( JGJ82 ! 91) 规定应该保 证大六 角头高 强度 螺栓连
接副的扭矩系数平均值和标准偏差。高强 螺栓扭矩系
数计算公式为:
Ki = M Pd
( 1)
式中 Ki 为扭矩系数, M 为扭矩, d 为螺纹直径, P 为预 紧力。所以, 确定 高强螺 栓扭 矩和预 紧力是 准确 计算
扭矩系数的基础。
前高强螺栓的扭矩值之比。
图 2 试件实物正视图
1 2 火灾模拟 将高强螺栓 连接节 点试 件安装 在火 灾试 验台上,
在灭火措施 准备 充分后, 方可点 火。升温 过程模 拟自 然火灾, 火灾场景见图 3。每 隔 2 min 用红外 测温仪记 录试件在指定时刻的温度分布, 随后输 入计算机, 通过 THERMACAM 软件, 获 得升 温过 程 中某 时 刻试 件 不同 部位的温度。由红 外测温 仪拍得的 照片见 图 4。试验 过程中, 试件的受火时间和冷却方式见表 1。
件。其中, 火 灾 后的 高 强螺 栓 滑移 试 验, 选 用 3 个试 件, 每个试件又 有 12 个高 强螺 栓试 件; 常 温下的 高强 螺栓滑移 试 验, 选用 1 个试 件, 共 计 12 个 高 强 螺栓。 用于火灾试验的试件和用于比较的常温下的试件均未 承受外荷载且试件表面均未涂防火涂 料。试验试件实 物如图 2 所示。
* 国家财政部科学基金( CZB 2005) 。 作者简 介: 强 旭 红, 硕 士, 荷 兰 代 尔 夫 特 理 工 大 学 读 博, Email: qiangxuhong@ 126. com。
83
螺栓材料为 20MnTiB, 其规格为 M20。 试验共选用 4 个足尺钢结构高强螺 栓连接节点试
8
750
71
0 138 132
767
747
10 2
0 198 058
748
728
61
0 116 858
736
716
11 9
0 237 052
700
680
15 1
0 297 244
660
640
19 4
0 383 399
580
560
34 3
0 677 866
566
546
45 5
T % [ 500, 750]
( 4)
该拟合公式计算结果与试验结果比较见图 8。
2 4 火灾后高强螺栓滑移荷载变化 试验所得高强螺栓在火灾前及火灾后 的滑移荷载
N Vb和 N Va 分别 列于 表 4 中。其 中, N Va N Vb 为火 灾后 高强螺栓的滑移 荷载 剩余系 数, 是 火灾后 与火 灾前高 强螺栓的滑移荷载之比。
Pb 和 Pa 分 别 列于 表 3 中。 其中, Pa Pb 为 火灾 后高 强螺栓的预紧 力剩余 系数, 是火灾 后与 火灾前 高强螺
栓的预紧力之比。
由表 3 可看出, 当 高强 螺栓 经历 的最 高火灾 温度
为 500 ∀ ~ 700 ∀ 时, 高 强螺 栓的 预紧 力剩 余系数 随最
高火灾温度增 大而减 小; 当 高强螺 栓经 历的最 高火灾
0 902 778
525
505
M a Mb = 1 6 ∃ 10- 8( T - 20) 3 - 2 33 ∃ 10- 5( T - 20) 2
+ 7 28 ∃ 10- 3( T - 20) + 1 001
T % [ 500, 900]
( 2)
其中符号含义同上。该拟合公式计算结果 与试验结果
比较见图 7。
温度为 700 ∀ ~ 750 ∀ 时, 高 强螺 栓的 预紧 力剩余 系数
随最高火灾温 度增 大而略 有回 升。根据 表 3 数 据, 可
得到火灾前后高强螺栓预紧力的拟合公式:
Pa Pb = 1 51 ∃ 10- 8 ( T - 20) 3 - 1 756 ∃ 10- 5( T - 20) 2
+ 3 526 ∃ 10- 3( T - 20) + 1 000
在火灾试 验前 后 测得 的试 件高 强 螺栓 的扭 矩 M
列于表 2。其中, M b 为火灾 前高 强螺栓 的扭 矩值, Ma
为火灾后高强 螺栓的 扭矩 值, T 为试件 经历 的最 高火
灾温度, t = T - 20 为试 件火灾前 后温度 变化, M a M b 为火灾后高强螺 栓的 扭矩剩 余系 数, 是火 灾后 与火灾