常温与高温下高强钢T型连接受拉性能试验_强旭红.pdf

第 卷 第 期 年 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 .：常温与高温下高强钢 型连接受拉性能试验强旭红，卢 强，姜 旭，陈武龙（同济大学 土木工程学院，上海）摘 要：为研究高温下高强钢 型连接的受拉性能，对 个常温下和 个高温下的 型连接试件进行拉伸试验，其中包括、等多种高温环境下、等不同强度钢材的 型连接，通过试验得到各 型连接的初始拉伸刚度、抗拉承载力、破坏模式等。将试验结果与欧洲规范和中国规程的计算结果进行对比，以期校验规范对于高强钢 型连接的适用性，并分析翼缘强度、翼缘厚度、螺栓强度、螺栓直径、螺栓位置以及高温温度等多种因素对 型连接受拉性能的影响。常温与高温下的试验结果表明：欧洲规范和中国规程对高温下高强钢 型连接初始拉伸刚度的估算偏于危险，而对抗拉承载力而言偏于保守；与普通钢 型连接相比，薄翼缘高强钢 型连接能在保持承载能力相当的情况下，具有更好的变形能力；当螺栓离腹板距离和翼缘距离的比值小于 时，增大螺栓离腹板的距离会显著降低 型连接的初始拉伸刚度和抗拉承载力；螺栓直径的增加将增大 型连接初始拉伸刚度值，但螺栓强度对初始拉伸刚度影响不大。本文研究成果可为高强钢端板连接节点及其等效 型连接的抗火设计提供试验依据，为相关规范修订提供参考。关键词：高强钢；型连接；拉伸试验；受拉性能；高温下中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：；录用日期：；网络首发日期：网络首发地址：基金项目：国家重点研发计划重点专项（，）；国家自然科学基金（）作者简介：强旭红（），女，副教授，博士生导师通信作者：姜 旭，高强钢节点的研究和设计中，型连接可用于模拟分析梁柱端板连接节点受拉区的力学性能，并且模拟节点可能发生的破坏模式。目前，欧洲钢结构设计规范 已经引入 型连接模型，对常温下端板连接节点的强度、刚度和转动能力做出明确规定，并且在此设计规范的基础上增加补充条款 ，使其适用范围涵盖了 高强钢（屈服强度为 ），中国现行规范 钢结构设计标准只适用于 钢及以下强度等级的钢材，高强钢结构设计标准对钢材强度不低于 的钢结构设计做出了规定。此外，美国、加拿大和日本等国家和地区相继发布了高强度结构用钢设计规范，或是在原有基础上增添了相关条文。虽然规范将高强结构钢引入结构设计，但设计理论和计算方法大多是在普通钢结构设计的基础上，套用普通钢的计算公式，通过改变公式系数等方法来计算高强钢结构的力学特性。对于世界范围内现行的主要钢结构设计规范，钢材在高温下力学性能的退化通常使用高温力学性能折减系数来表征，对于高强钢结构在高温下的力学性能的相关条文是基于普通钢的试验研究结果，缺乏更加深入的理论与试验研究，并没有相应的针对方法进行修正。这样设计的高强钢端板连接节点在常温和高温下的力学性能是否经济合理，需要通过试验以及理论研究进行更进一步的论证。目前，国内外对于高强钢结构节点力学性能的研究较为有限。等提出一种能有效预测 型连接下极限状态塑性变形能力的理论模型，并对试件 进 行 拉 伸 试 验 分 析 论 证 模 型 的 合 理 性。等基于简支梁理论和高温材性折减，提出 型连接破坏模式、极限荷载和屈服荷载等力学性能指标可以由端板弯曲刚度和螺栓轴向刚度的相对关系得到。陈士哲等 提出了考虑螺栓抗弯刚度的 型连接初始刚度的计算方法。武念铎研究了考虑螺栓抗弯刚度情况下不同参数对 型连接初始刚度的影响，使其更具有包括高强钢结构的普适性。孙飞飞等将平齐式端板连接分为全普通钢、仅端板高强钢和全高强钢 种节点进行试验，试验结果表明高强钢柱翼缘会削弱节点的转动能力。基于目前国内外学者对 型连接力学性能的研究现状，本文以梁柱外伸式端板连接节点为研究对象，以 型连接作为等效替代组件，完成了常温和高温下高强钢 型连接的拉伸试验，探究不同因素对 型连接的抗拉承载力、初始拉伸刚度及破坏模式的影响规律，为进一步研究端板连接节点在高温下的力学性能与优化设计方法奠定基础。同时，结合欧洲钢结构设计规范 以及中国端板式半刚性连接钢结构技术规程计算得到的理论结果，研究各因素的影响规律以及验证规范的适用情况，并提出相应设计建议。试验研究.试件设计实际工程的 型连接节点见图（），试件示意见图（），其中 为螺栓中心到翼缘边缘的距离，为螺栓中心到焊脚的距离，为腹板厚度，为翼缘厚度，为翼缘宽度。上下腹板长宽尺寸统一采用 ，厚度与翼缘相等。(b)T 型连接试件示意T 型连接eddebtftws(a)T 型连接节点图 型连接 欧洲钢结构设计规范 对 型连接的设计尺寸做出如下建议：（）（，）（）（）式中：为焊脚尺寸，为螺栓中心到翼缘边缘的距离，为螺栓中心到焊脚的距离。型连接试件的螺栓中心到翼缘边和焊脚距离之比 值的范围在.，围绕在规范建议值附近。实际工程中，端板连接节点的破坏模式主要是端板破坏，因此在确定高强钢端板厚度的时候，为保证端板首先失效，根据欧洲规范提供的计算公式，设计端板连接的承载力略低于其他组件，由此得到 的端板厚度为，对应 型连接的翼缘第 期强旭红，等：常温与高温下高强钢 型连接受拉性能试验厚度 也为。其余强度等级的 型连接翼缘厚度则按照等承载力的原则通过计算得到，即保证设计的其他 型连接试件与 厚 钢 型连接具有近似的抗拉承载力，所有试件采用统一焊脚尺寸 。因为螺栓直径 与翼缘厚度 的比值 会对 型连接的各项力学性能产生显著的影响，所以在设计试件时，同时考虑了螺栓直径在内的其他因素。所有试件按试验温度可分为常温试验和高温试验，试件的编号、选材、温度、尺寸等信息详见表。表 型连接试件统计表 试件编号钢材强度温度 螺栓直径及强度等级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级 .级注：为试验温度，为常温 ；表示不同高温温度的试件；表示不同钢材强度和翼缘厚度的试件；表示不同螺栓位置的试件；表示不同螺栓直径的试件；表示不同螺栓强度的试件。.加载方案试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室的“新三思”高温力学试验机上进行，通过支架导轨上安装的高温电炉加热 型连接试件进行高温下试验。试验前，将试件固定在试验机夹持端两端，然后将试件升温到目标高温温度。在炉内升温时，保证整个试件受热均匀并达到预期试验温度后持温，再开始加载。加载时，两端夹持后通过上端液压拉伸加载，同时在加载端自动记录加载位移，试件的变形通过 非接触式光学变形测量系统测量。进行常温试验时只需将电炉沿前后滑开，加载过程与高温试验相同。具体试验装置见图。试验通过位移加载控制，加载速率为.。常温试验时加载至翼缘或是螺栓破坏时停止，高温试验时由于炉内空间有限（见图（），为防止螺栓崩裂造成炉内壁损坏，一方面降低加载速率至.，另一方面当加载到荷载 位移曲线下降段时即停止加载，同时设置 加载位移为控制上限。哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷(c)加载示意(a)加载装置(b)电炉内部固定夹持端T 型连接试件液压拉伸加载夹持端图 试验装置 试验结果分析.常温试验根据试验结果可得到常温下 型连接各试件的荷载 位移曲线，按照不同试验影响因素分组进行对比，见图。从图 的荷载 位移曲线可以得到试件的初始拉伸刚度，和抗拉承载力，初始拉伸刚度取荷载 位移曲线的初始切线模量，抗拉承载力取荷载 位移曲线最高点对应的荷载。欧洲规范将 型连接的破坏模式分为 种：破坏模式 型连接翼缘完全屈服；破坏模式 型连接翼缘屈服的同时螺栓被拉断失效，破坏模式 仅螺栓被拉断失效。试验试件的破坏模式和破坏形态以及根据欧洲规范预测的破坏模式等结果见表。(d)螺栓孔位置因素的对比曲线500400300200100010 20 30位移/mm荷载/kNSTA-AST1-AST2-AST3-A500400300200100荷载/kN010 20 30位移/mm500400300200100荷载/kN010 20 30位移/mm010 20 30位移/mmSTA-AD1-AD2-AED1-AED2-AED3-AED4-ASTA-ABST-A600500400300200100荷载/kN(a)翼缘厚度与强度复合因素的对比曲线(b)螺栓强度因素的对比曲线(c)螺栓直径因素的对比曲线图 常温下 型连接的荷载 位移曲线 第 期强旭红，等：常温与高温下高强钢 型连接受拉性能试验表 常温下 型连接受拉性能统计表 试件编号螺栓断裂弯曲翼缘与腹板交界处屈服翼缘断裂螺纹滑移试验破坏模式欧洲规范预测破坏模式，（），是是否否.是是否否.是是否否.是是是否.是是否是.是是否是.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.(d)ED4-A 翼缘与腹板交界处屈服(a)ST1-A 螺栓破坏(b)D1-A 螺纹滑移(c)ST3-A 翼缘断裂图 常温下 型连接试件破坏形态 由表 和图 可知，常温下试验得到的各试件的破坏模式均为破坏模式，即翼缘与腹板交界处出现屈服线的同时螺栓也发生破坏。和 使用了不同批次的 .级和 .级螺栓，螺栓表面进行了发黑处理，削弱了螺栓与螺母接触面的摩擦作用，导致在加载过程中发生了螺纹滑移。欧洲钢结构设计规范 建议计算 种破坏模式下 型连接的抗拉承载力，以其中最小值对应的破坏模式作为预测结果。经试验验证，多数情况下欧洲规范能准确地预测常温下高强哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷钢 型连接的破坏模式。然而，对螺栓离焊缝距离 值较大的高强钢 型连接，如 和 ，欧洲规范预测结果与试验结果不同，这是因为欧洲规范对两种模式的理论抗拉承载力的界定差距比较小，在 以内。值得注意的是此时欧洲规范对高强钢 型连接破坏模式的预测是偏于不安全的。.高温试验根据试验结果，可得到高温下 型连接各试件的荷载 位移曲线，按照试验影响因素分组进行对比见图。20015010050荷载/kN5 10 150位移/mmSTA-600ST1-600ST2-600ST3-60020015010050荷载/kN5 10 150位移/mmSTA-600BST-600(a)翼缘厚度与强度复合因素的对比曲线5 10 150位移/mm5 10 150位移/mm(b)螺栓强度因素的对比曲线20015010050荷载/kN20015010050荷载/kN(c)螺栓直径因素的对比曲线(d)螺栓孔位置因素的对比曲线STA-600D1-600D2-600ED1-600ED2-600ED3-600ED4-600STA-600TEMP1-300TEMP1-400TEMP1-5005 10 15 200位移/mm5 10 15 200位移/mm400300200100荷载/kN400300200100荷载/kN(e)温度因素的对比曲线（Q690）(f)温度因素的对比曲线（S960）STA-600TEMP2-300TEMP2-400TEMP2-500图 高温下 型连接的荷载 位移曲线 需要说明的是，作为首个加载的试件，加载到螺栓断裂，出于对试验炉的保护目的，后续试件未加载到螺栓断裂。另外，在加载初期发生了夹持端滑移。从图中的荷载 位移曲线分析得到试件的初始拉伸刚度，和抗拉承载力，试验破坏情况以及根据欧洲钢结构设计规范 预测的破坏模式见表。出于对试验炉保护的需要，试验均只加载到荷载 位移曲线下降段初期，因此加载后的试件基本全部表现为翼缘与腹板交界处出现屈服线和螺栓弯曲，见图。第 期强旭红，等：常温与高温下高强钢 型连接受拉性能试验表 高温下 型连接受拉性能统计表 试件编号螺栓弯曲翼缘与腹板交界处屈服翼缘断裂螺纹滑移试验破坏模式欧洲规范预测破坏模式，（），是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是否否.是是是否.是是否否.是是否否.是是否否.(b)ST2-600(a)ST1-600图 高温下 型连接的失效形态 由表 和图 可知，高温下各试件的破坏模式依然均为破坏模式，但变形较常温试验有明显区别：在螺栓弯曲程度相近的情况下，翼缘塑性发展并不完全，弯曲