高温下高强钢连接的高强螺栓预紧力研究...

高强度钢是指硬度超过460MPa的钢。 由于其硬度高、硬度好、切削加工性好，随着国家“双碳”战略目标的提出，高强度钢将在其中发挥重要作用，其应用范围势必会越来越广。 高强度螺钉连接具有施工简单、连接挠度大、力学性能好、可拆装、耐疲劳等优点，广泛应用于建筑、桥梁钢结构，已成为钢结构连接的主要手段之一。 -钢结构现场安装。 在火灾低温下，高强度螺钉不可避免地会发生挠度松弛，即螺钉的预紧力随着温度的升高而不断增大的现象，这将直接影响接头的力学性能。 低温挠度松弛已成为高强度螺纹接头的主要问题之一。

在高强钢和高强螺钉的研究中，涂成亮等人。 文献[1]利用ABAQUS数值模型模拟了铁管混凝土柱的轴压，给出了适合高强钢的铁管混凝土角柱在轴压下的承载力。 和长柱稳定性估计方法。 李翔等. 文献[2]利用有限元软件分析了考虑残余挠度和集体缺陷的Q690钢柱低温下的局部稳定性能。 研究表明，残余挠度和几何缺陷对钢柱低温屈曲挠度影响较大，但对极限挠度影响不大。 卢良新等人[3]对螺纹锚栓T型接头在火灾下的拉伸承载能力进行了实验研究，提出了适合该接头低温下的承载能力公式。 贾斌等. 文献[4]对厚板丝锥与高强度螺钉的连接进行了多尺度实验研究。 结果表明，这些连接形式具有良好的抗剪性能和伸长性能，最终失效为螺钉断裂。

国内外学者对高强度螺钉在低温下预紧力的变化进行了一些研究。 杨[5]等。 设计了热轧涂层厚板与高强度螺钉连接的试件，并进行了预紧损失试验。 研究表明，预紧力的损失主要是由热轧涂层的挠度造成的。 吕等人。 文献[6]研究了本体温度、初始预紧力和材料对螺纹接头残余预紧力的影响。 结果表明，低温和初始扭矩降低了预紧力松弛，复合材料比金属材料更容易发生预紧力松弛，但螺杆松弛表现出很强的温度依赖性。 陈剑锋等. 文献[7]对高强螺钉进行了温升试验，测量了不同冷却方式后螺钉的预紧力，总结了火灾后高强螺钉预紧力的变化规律。 张超[8]对单个高强螺钉连接节点进行了低温试验，研究了温度对高强螺钉应变的影响，总结了高强螺钉预紧力的变化规律。 300℃以内的强力螺丝。 张秋平[9]对单个高强螺钉连接节点进行了低温下预拉力变化检测试验，并根据试验数据拟合了各湿度下预拉力的变化曲线。 孙英智等. [10]对两种尺寸的高强度螺纹连接进行了低温试验。 研究表明，不同尺寸的高强度螺钉的预紧力随着温度的下降具有相同的变化规律。

现有对高强螺钉预紧力的研究主要集中在普通钢结构的高强螺钉连接。 升温速率大多呈线性递减，温度范围大多在300℃以内，与真实火灾现场存在显着差异。 为了获得高强厚板与高强螺纹连接在实火下的预紧松弛行为，借助有限元软件ABAQUS，构建了高强螺纹高强钢连接模型，并对螺杆规格、连接板长度、钢材硬度和加热速率进行了分析。 研究结果可为高强钢及高硬度螺纹连接的耐火设计提供参考。

1 数值分析模型

1.1 几何模型

设计高强度厚板和高强度螺钉连接节点的模型。 该节点包括半径为22mm的高强度螺钉、两块厚度为10mm的钢盖板和一块厚度为20mm的连接板。 详细规格如图1所示。厚板平面规格为120mm×100mm。

1.2 材料特性

厚板采用Q960钢材，钢材的挠度-应变关系采用理想的弹塑性模型。 钢的弹性挠度和屈服硬度参考文献[12]，弹性挠度为204GPa，屈服硬度为965MPa。 低温时，钢的弹性挠度和屈服硬度随着温度的降低而降低，折减系数也根据文献[12]确定。 钢材的热膨胀系数可参考文献[13]中的拟合公式。 厚板的挠度模型采用方法简单、参数少的Fields&Fields模型，根据实验数据选取文献[12]拟合的挠度参数值。

该螺杆为10.9级高强度螺杆，其挠度-应变关系也采用理想的弹塑性模型。 低温下弹性挠度、屈服硬度及其折减系数的值参考文献[14]。 弹性挠度为201GPa，屈服硬度为1129MPa。 10.9级高强螺杆材料20MnTiB钢的热膨胀系数根据文献[14]测定。 钢和高强度螺钉的比热容和导热系数选自EC3（EN1993-1-2:2005）建议的公式[14]。 模量不随温度变化，取0.3。 钢材的密度取7850kg/m3。

1.3 有限元分析流程

采用全热力耦合方法研究了高强度螺钉连接模型的预紧力变化。 分析过程包括三个步骤：1）施加较小的螺钉预紧力，暂时约束螺钉和盖板的所有自由度； 2））将高硬度螺钉的预紧力施加到设计值，并继续保持对螺母和盖板的临时约束； 3）固定螺钉的宽度，释放螺母和盖板的临时约束，将芯板外截面耦合到截面质心的参考点RP3和RP4，此时设置两个参考点作为实体边界条件，即限制所有自由度。 随后，模型中引入了体温场，温度-时间曲线关系遵循ISO-834曲线来模拟瞬态加热过程。 边界条件设置如图2所示。

应用较小的螺杆预紧力和临时约束有助于接触关系的平滑改善并解决估计中的收敛问题。 模型中的接触关系包括四种相互作用：螺钉-盖板、螺栓-工件、盖板-芯板和螺母-盖板。 接触动作采用面对面接触副，允许较小的滑移，规定公差为0.1mm。 摩擦切线方向摩擦系数为0.25，法线方向设置硬接触。 模型与热空气之间的热交换是通过热辐射和热对流实现的。 环境湿度设置为20℃，模型对流交换系数设置为25W/(m2·K)，表面发射率为0.7。

2 模型验证

采用文献[11]中高强度螺钉连接低温预紧力变化的实验数据进行模型验证，钢材和螺钉的热性能和热参数均采用该文献数据。 共进行了3次低温螺钉预紧力检测试验。 本文件中的样本S-1和S-2被用作验证模型。 试件S-1的高强度螺丝尺寸为M20，试件S-2的高强度螺丝尺寸为M30，按照升温速率加热至目标温度250℃。 4.5°C/分钟。

图3是试验中高强度螺钉预紧力与空气温度曲线与有限元模拟分析得到的螺钉预紧力-空气温度曲线的对比结果。 从图中可以看出，有限元模拟结果与实验结果相似。 表1为试验与有限元模拟的螺钉预紧力对比结果。 从表1可以看出，数值模拟下螺钉最大预紧力与试验中螺钉最大预紧力的偏差分别为0.5%和0.9%，验证了准确性的有限元模型。

3 参数分析

利用经过验证的有限元模型，分析螺钉规格、钢板硬度、芯板长度和加热速率四个参数对高强度螺钉预紧力变化的影响，并定量分析最大预紧力螺钉的预紧力完全丧失时空气温度。 各模型参数如表2所示。

3.1 螺杆规格

为了研究不同规格螺钉对火灾报警时螺钉预紧力变化的影响，选取模型B1-B5对5种不同螺钉规格的模型进行分析。 螺钉规格选用范围为M20、M22、M24、M27、M30，这些都是实际施工中常用的螺钉尺寸。 图4为不同螺杆规格下的温度-螺杆预紧力曲线，表3为不同螺杆规格下的有限元分析结果。

从表3和图4可以看出，在节流火灾下预紧力完全丧失时，螺钉规格对空气温度没有明显影响。 与B1型相比，随着螺母尺寸减小，螺钉预紧力完全丧失时的空气温度升高，B2、B3升高幅度稍大，达到5%左右； B4和B5的下降幅度相对小于B1 Small。 对于最大预紧力的影响，B4变化最大，增加了11%； 其他尺寸的螺丝增加了8%左右。 减小螺杆尺寸，会在一定程度上降低螺杆在火力作用下的最大预紧力，同时也会加快其完全丧失的速度。

3.2 核心板长度

为了找出芯板长度的影响，选取型号B1、B5-B15、两种螺杆规格和六种芯板长度进行分析，以及不同芯板型号时预紧力的变化分别使用板长度和两种螺钉尺寸进行研究。 。 芯板长度的分析范围为8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、30mm。 主要考虑的是芯板的长度选择在盖板长度的1到2倍之间。 图5为12种工况下的气温-螺杆预紧力曲线，表4为两种螺杆尺寸下不同芯板长度的有限元结果。

从表4可以看出，当螺钉为M20时，与型号B1相比，当芯板宽度与盖板长度相同，即10mm时，型号B7的最大预紧力增大8%，幅度最大。 据悉，与板厚为20mm的情况相比，使用其他长度的芯板对最大预紧力的影响可以忽略不计。 对于预紧力完全丧失的温度，芯板长度为10mm和12mm时，与厚度为20mm的芯板相比有所提高。 这是因为当芯板长度为20mm时，芯板的热膨胀是盖板热膨胀的两倍，导致盖板在升温过程中均匀地反向挤压芯板，挤压程度螺母的预紧力增大，放松得更快。 当芯板的长度与盖板的长度相同时，几乎不存在这种反向挤压。

当螺母为M30时，与B5型相比，使用其他长度的芯板对最大预紧力影响不大。 随着芯板长度的减小，螺钉预紧力完全丧失时的空气温度逐渐降低，预紧力丧失速度减慢。 当预紧力完全丧失时，B15 型比 B11 型热 5%。 可见，选择合适长度的芯板可以提高低温下抵抗螺钉预紧力松弛的能力，但提高范围有限。

3.3 钢材硬度

为了找出不同硬度的厚板对预紧力的影响，以型号B1、B5、B16-B19为例，对不同硬度的厚板三种型号进行分析，分别取Q460、Q690和Q960 ，并考虑了两个模型。 各种规格的螺丝，共有6种工况。 图6为不同钢材硬度下的气温-螺杆预紧力曲线，表5为不同钢材硬度下的有限元结果。

从表5和图6可以发现，在所有工况下，当螺钉尺寸和芯板长度一定时，改变钢材的硬度对最大预紧力和拧紧时的温度影响不大。预紧力完全丧失。 原因是低温下螺钉预紧力的变化主要是由高强度厚板和高强度螺钉的热膨胀引起的。 在加热初期，高强度螺钉的热膨胀系数比厚板大，厚板对螺母的挤压加剧，导致预紧力增大。螺丝； 随着水温不断降低，厚板的热膨胀系数比螺杆大。 ，于是螺钉不再拧紧，偏转松动，螺钉的预紧力逐渐丧失，直至完全丧失。 在本文构建的有限元模型中，Q460钢、Q690钢和Q960钢的热膨胀系数均采用文献[12]建议的相同值，因此螺杆预紧力-温度曲线几乎没有体现出差异。

3.4 升温速率

一般来说，钢构件的温度变化是由火灾现场、防火和断面特性决定的。 对于截面防火性能好的预制构件，升温速率为3～7℃/min； 对于截面防火性能较差的预制构件，升温速率通常为20℃/min左右[15]。 考虑不同场景下的火灾报警，选取模型B1、B5、B20-B25，分析了具有升温速率的三个模型：Fire-5、Fire-10、Fire-20，分别代表人体的线性下降速率5°C/分钟、10°C/分钟和20°C/分钟的温度。 据悉，这三种加热速率模型与ISO-834标准加热模型进行了比较。 图7为不同升温速率下的空气温度-螺杆预紧力曲线，表6为不同升温速率模型的有限元结果。

可以看出，在三种恒定加热速度下，无论使用M20还是M30螺钉，模型的最大预紧力几乎没有变化。 但与IS0-834标准的升温模型相比，当体温保持线性下降时，最大预载增加，最大增加约6%。 当预紧力完全丧失后，随着升温速率的增加，温度将继续升高。 在火灾的早期阶段，标准热量上升得更快，导致板和螺钉快速膨胀，导致螺钉预紧力更高，并降低预紧力松弛的速度。

4 低温下螺钉预紧力的简化估算

有限元分析结果表明，螺钉规格、芯板长度、钢材硬度和加热速率对低温下螺钉预紧力影响不大，螺钉预紧力的变化主要与温度有关。 因此，在标准火灾条件下，厚板采用Q960钢材，芯板长度为20mm，采用M20、M22、M24、M27、M30的螺钉规格的模拟数据具有代表性。 衰减系数。 将初始阶段减小螺钉预紧力时的螺钉预紧力折减系数简化为1，然后根据有限元数据进行拟合，得到低温下螺钉预紧力的折减系数，如图公式1）。

式中：PT为温度T时螺母的预紧力（kN）； P0为该温度下施加在螺母上的初始预紧力（kN）； T是螺杆的温度(°C)。

本公式的适用范围为： (1)钢材类型为高强度钢； (2)螺杆规格为M20~M30； (3)芯板长度为盖板长度的1～2倍； （4）加热形式 为ISO-834标准加热方式，受火方式为均匀受火。

图8为高强度螺钉预紧力随温度变化的折减系数拟合公式与有限元模拟分析得到的螺钉预紧力折减系数的对比结果。 对于不同的螺杆规格，数据点与拟合公式之间的最大偏差不超过8%，精度较高，可用于预测低温下螺杆预紧力的变化。

5 推论

(1)低温时螺钉预紧力的变化分为两个阶段：当机体温度较低时，螺钉预紧力增大； 当温度较高时，螺钉预紧力松弛并最终完全失去。

(2)螺钉规格增大，预紧力损失速度加快。 与M20螺钉相比，预紧力损失速度最多会增加5%左右。

(3)适当的芯板长度可以在一定程度上抵抗预紧力的松弛行为。 建议选择芯板长度为盖板长度的两倍。

(4)钢材的硬度对低温下螺母预紧力的变化影响不大。

(5)标准温升下螺钉预紧力的损失速度比5-20℃/min的升温速度快，升温速度对螺母预紧力的变化影响较大。

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参考：

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