20世纪80年代以来中国钢结构建筑发展及其火灾后安全鉴定与修复

20世纪80年代以来，我国钢结构建筑蓬勃发展，逐步赶上世界领先水平。钢结构具有材料强度高、塑性和韧性强、材质均匀、符合力学计算假设等优点。但钢的耐腐蚀性和耐火性较差[1]。钢结构建筑一旦发生火灾，结构很容易受损甚至倒塌[2-4]。大多数火灾不会对钢结构造成根本性损坏。查明其火灾后安全性并对其进行加固和修复，对于减少火灾后的经济损失具有重要意义。高强度螺栓连接是钢结构的基本连接方法，在钢结构中应用广泛。高强螺栓材料高温后的力学性能对于火灾后整体结构的承载安全至关重要。

目前，对钢材高温后力学性能的研究多集中于结构钢[5-7]，对高强螺栓材料高温后力学性能的研究较少。 Kodur等人[8]对8.8级高强螺栓在加热-冷却循环过程中的残余应力性能进行了实验研究，得到了8.8级高强螺栓过热后的强度折减系数和弹性模量折减率。利用该系数的拟合公式，讨论了过火后螺栓的断裂模式和裂纹发展模式。楼国标等[9]对常用的8.8级和10.9级高强螺栓高温过冷后的材料性能进行了实验研究，得到了高强螺栓材料在不同过火温度和不同冷却方式下的屈服强度。 、极限强度和弹性模量的影响规律。唐盛林[10]对8.8级和10.9级高强螺栓过火后的拉伸试验研究。结果表明，当过火温度超过400℃时，高强螺栓的强度开始下降，过火温度超过700℃。此时冷却方式对高强螺栓的性能影响较大，据此建立了高强螺栓过冷后的应力应变模型。

目前，国内外对高强螺栓材料高温后力学性能的研究还不够，不同学者的研究结果也不一致。通过对我国常用的10.9级M22大六角头高强螺栓高温后材料性能的实验研究，不同加热温度、不同冷却方式下高强螺栓的屈服强度、拉伸极限强度及材料性能获得。弹性模量的变化规律。

1 测试概述

1.1 试件设计

试验采用10.9级M22大六角头高强度螺栓。根据江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室试验设备的具体条件，制作了标距长度为50毫米、截面直径为10毫米的高强螺栓标准试件。具体尺寸如图1所示。共设计了22个试件。其中2个试件用于常温试验进行对比，其余试件分别加热至200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，采用自然冷却两种方式和喷水冷却。每个案例有两个样本。标本详细情况如表1所示。

1.2 试验装置及加载方法

加热装置采用定制电炉，自带控温设备，如图2所示。试验加载在江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室1000kN电液伺服万能试验机上进行。减少。高强螺栓试件采用自制夹具固定，如图3所示。试验机配备数据采集系统。

首先，加热样品以模拟高温过热的效果。加热至规定温度后，保温30分钟，然后用强磁铁取出试件，自然冷却并泼水冷却。试验开始时以0. 8kN/s的速率进行预加载，加载至5kN并稳定1分钟，然后以1. 2kN/s的速率正式加载直至失效。

1.3 试验现象及结果

高强螺栓标准试件加载至破坏时，会发出清脆的“砰”的一声，试件的破坏面积会缩小，如图4所示。不同的加热温度对破坏模式没有明显影响。高温后的样品。通过数据采集系统获得高温后试件的载荷-位移曲线。高强螺栓材料高温后的屈服载荷和拉伸极限载荷如表2所示。结合高强螺栓标准试件实测截面积和标距长度，得到高强螺栓材料的应力应变曲线得到高温后拉伸过程中的强度螺栓试件，如图5所示。由于试件装夹的滑移，得到了500℃曲线的初始曲线。断面比较平缓。

2 测试结果分析

从图5(a)~(f)可以看出，各试件在相同温度下，两种冷却方式的应力应变曲线基本重叠，说明冷却方式对高强度材料性能影响不大。 -高温后的强度螺栓。这是因为高强度螺栓经过了热处理。从图5（g）～（h）可以看出，当加热温度在400℃以内时，高强螺栓材料的应力应变关系没有明显变化；随着温度进一步升高，应力-应变曲线弹性段的斜率减小。曲线最高点下降；当温度达到500℃时，最大应力值比400℃时降低了4.8%和7.3%。当温度达到600℃时，最大应力值比500℃时降低16%。 4%、19. 8%，自然冷却略低于水冷曲线。根据试验结果，对高强螺栓材料高温后的屈服强度、屈服强度折减系数、抗拉强度、抗拉强度折减系数、弹性模量和弹性模量折减系数进行分析计算，如表3所示，如图6所示。

从图6可以看出，当加热温度不超过400℃时，在自然冷却和水冷情况下，高强螺栓材料的屈服强度和抗拉强度基本不受加热温度的影响，且差异较大。不超过2%。至于弹性模量，当温度不超过300℃时，基本不受加热温度的影响，相差不超过2%。随着温度升高，高强螺栓材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量迅速下降。当温度达到600℃时，高强螺栓材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量下降至常温的70%。 %～78%，自然冷却比水冷下降稍多。通过对加热至400℃以上试件的屈服强度和抗拉强度折减系数以及加热至300℃以上试件的弹性模量折减系数进行拟合，得出高强螺栓材料高温后两次冷却后的屈服强度获得了方法。 、拉伸强度和弹性模量折减系数公式。

(1) 高强螺栓材料高温后屈服强度折减系数拟合公式

式中：etay1、etay2分别为高强螺栓自然冷却和溅水冷却后的屈服强度折减系数； fyz、fyp分别为高强螺栓自然冷却和泼水冷却后的屈服强度，N/mm2； fy为常温高强度螺栓。屈服强度，N/mm2； T为高强螺栓的过火温度，℃。

(2) 高强螺栓材料高温后抗拉强度折减系数拟合公式

式中：ηu1、ηu2分别为高强螺栓自然冷却和水冷后的抗拉强度折减系数； ftz、ftp分别为高强螺栓自然冷却和水冷后的抗拉强度，N/mm2； ft为高强度螺栓在常温下的抗拉强度，N/mm2； T为高强螺栓的过火温度，℃。

(3) 高强螺栓材料高温后弹性模量折减系数拟合公式

式中：μc1、μc2分别为高强螺栓自然冷却和水冷后的弹性模量折减系数； Ez、Ep分别为高强螺栓自然冷却和水冷后的弹性模量，N/mm2； E为高强度螺栓在常温下的弹性模量，N/mm2； T为高强螺栓的过火温度，℃。

将此测试结果与楼国标等人的测试结果进行比较。文献[9]、唐盛林[10]的试验结果及拟合公式的计算结果，如图7所示。

从图7可以看出，本文试验的屈服强度和抗拉强度折减系数的变化规律与楼国标等人的试验以及唐盛林的试验基本一致。与楼国标等人的试验相比，水冷条件下，除500℃屈服强度折减系数相差8%左右外，其余差异均小于5%；自然冷却下，除300℃和500℃时相差10%左右，500℃时相差8%左右外，其他相差均小于5%。水冷条件下，400℃之前的拉伸强度折减系数比楼国标等人测试的要小。 400℃后，降低系数较大，但两者相差小于5%；自然冷却下，除300℃外，差异约为10%。除此之外，其他差异均小于5%。与唐盛林试验相比，水溅冷却和自然冷却下的屈服强度和抗拉强度折减系数差异小于3%。另外，与本文和楼国标等人试验的弹性模量折减系数相比，在水冷情况下，除300℃时相差1%左右外，其他差异较大，在300℃时相差14%左右。 200°C 和 400°C。 500℃时约10%，600℃时约16%；自然冷却下，除300℃、400℃、600℃相差7%左右外，其余相差均在5%以内。与唐盛林试验相比，水冷下，除400℃前差异小于4%外，其他差异较大，500℃时约为18%，600℃时约为25%；自然冷却下，除400℃前差异小于5%外，其他差异较大，500℃时约15%，600℃时约25%。可见，三者的弹性模量折减系数结果差异较大，需要进一步研究。

3 结论

通过对10.9级M22大六角头高强螺栓高温水冷后自然冷却下的材料力学性能测试，得到以下结论：

(1)不同冷却方式下，高强螺栓高温后的屈服强度、抗拉强度和弹性模量基本相同；

(2)当加热温度不超过400℃时，高强螺栓材料的屈服强度和抗拉强度基本不受加热温度的影响。当温度不超过300℃时，弹性模量基本保持不变，上下相差不大于2%。随着温度升高，高强螺栓材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量迅速下降，自然冷却比水冷下降幅度稍大；

(3) 根据试验结果，拟合得到高强螺栓材料的屈服强度、抗拉强度和弹性模量折减系数的计算公式；

(4)本文的屈服强度折减系数和抗拉强度折减系数结果与一些文献的结果比较一致，但弹性模量折减系数结果差异较大，需要进一步研究。

火灾现场大熊猫检查螺栓（AI生成图片）

Jason：高强螺栓受高温后材料弹性模量变化规律

GPT4：（仅供参考）

高强度螺栓是工程结构中广泛使用的一类连接件。其在高温环境下的力学性能对结构的安全性和耐久性具有重要影响。本文主要介绍高强螺栓在高温作用后材料弹性模量的变化，以及影响因素和计算方法。

弹性模量是材料弹性变形阶段应力与应变的比例系数，反映材料抵抗变形的能力。弹性模量与材料的原子间力、晶格类型、合金元素等有关，一般随温度升高而降低。高强度螺栓材料的弹性模量与碳钢相似。当温度不超过300℃时，基本保持不变；当温度升至600℃时，降至常温的70%至78%。

高强螺栓经受高温后材料弹性模量的变化规律可以通过实验或理论分析得到。试验方法是对不同温度冷却的高强螺栓样品进行拉伸试验，测量其应力应变曲线，计算其弹性模量。理论分析方法是基于热力学和晶体学原理，建立材料微观结构与宏观力学性能之间的关系模型，推导出弹性模量与温度之间的函数关系。

影响高强螺栓高温后材料弹性模量变化的因素有很多，主要包括以下几个方面：

- 温度：温度是最重要的影响因素。一般来说，温度越高，弹性模量越低。

冷却方式：冷却方式对弹性模量影响不大，但不同的冷却方式会导致不同程度的残余应力和组织转变，从而影响其他力学性能。

——热处理：热处理对弹性模量也有较小的影响，但会改变材料的屈服强度、抗拉强度等参数，从而影响材料在高温下的使用寿命和可靠性。

——冷塑性变形：冷塑性变形会轻微降低弹性模量，一般降低4%~6%，这与残余应力有关。同时，冷塑性变形也会使材料变得各向异性，沿变形方向的弹性模量最大。

- 加载速率：加载速率对弹性模量没有影响，但会影响材料的屈服强度、抗拉强度等参数。加载速率越快，塑性变形越小，屈服强度和抗拉强度越高。

综上所述，高强螺栓在高温作用下材料弹性模量的变化规律是一个复杂的问题，需要综合考虑多种因素。在工程设计中，应根据实际情况选择合适的计算方法和参数值，以保证结构的安全性和经济性。

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参考：

[1]陈少凡，顾强。钢结构基础［M］．北京：中国建筑工业出版社，2005陈少凡，顾强。钢结构基础［M］．北京：中国建筑工业出版社，2005

[2]鞠珠，王振清，韩玉来，等。火灾高温下钢结构倒塌分析［J］．工程力学, 2014, 31(1): 121-124朱炬, 王振清, 韩玉来, 等.火灾条件下钢框架结构倒塌分析［J］．工程力学, 2014, 31(S1): 121-124

[3]蒋亚强，王良伟，钟波。单层门式钢框架实火倒塌性能研究［J］．建筑结构学报, 2020, 41(4): 51-58蒋亚强, 王良伟, 钟波．单层钢门式刚架实火抗倒塌性能足尺试验［J］．建筑结构学报, 2020, 41(4): 51-58

[4] 赵前成，陈永强，刘毅，等。体育场馆火灾结构损伤数值分析［J］．应用基础与工程科学学报, 2008, 16(6): 854-862赵前成, 陈永强, 刘毅, 等.体育馆火灾结构破坏数值分析［J］．基础科学与工程, 2008, 16(6): 854-862

[5] Outinen J, Mkelinen P. 结构钢高温及冷却后的力学性能［J］．火灾与材料，2004，28：237-251

[6] 王文，刘涛，刘杰. 高强 Q460 钢火后力学性能试验研究［J］．建筑钢研究，2015，114：100-109

[7] 丁发兴，于志武，文海林。 Q235 钢高温后力学性能试验研究［J］．建筑材料学报, 2006, 9(2): 245-249丁发兴，于志武，温海林。 Q235 钢高温处理后力学性能的实验研究［J］．建筑材料学报, 2006, 9(2): 245-249

[8] Kodur V、Yahyai M、Rezaeian A 等人。高强钢螺栓热冷循环残余力学性能［J］．建筑钢研究，2017，131：122-131

[9]楼国标，于山，王锐。高强螺栓过冷后力学性能试验研究［J］．建筑结构学报, 2012, 33(2): 33-40楼国标, 于山, 王锐.高强螺栓火灾后力学性能［J］．建筑结构学报, 2012, 33(2): 33-40

[10]唐盛林.高强螺栓及不锈钢螺栓高温及火灾后性能研究及应力应变模型建立［D］.重庆: 重庆大学, 2019唐盛林.高强螺栓和不锈钢螺栓火灾时及火灾后性能及应力应变模型研究［D］．重庆：重庆大学，2019