高温下螺栓球节点螺栓连接抗拉性能试验研究

刘红波，林思伟，张高青

高温下螺栓球节点螺栓连接抗拉性能试验研究

刘红波1, 2, 3，林思伟1，张高青2

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 河北工程大学土木工程学院，邯郸 056038；3. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

为研究高温下空间结构螺栓球节点受力性能，更好地预测螺栓球节点在火灾高温下的承载能力，进行了高温下螺栓球节点螺栓连接抗拉性能试验，研究了不同温度对螺栓球节点抗拉极限承载力的影响．结果表明：拧入深度为1.1倍螺栓直径时，节点破坏形式为螺栓拉断破坏；高温下螺栓球节点抗拉极限承载力在400℃前并没有明显降低，500℃时极限承载力已经降低至常温承载力的50%，温度升温至700℃时极限承载力几乎完全丧失；在不同温度下，试件表面现象不同，当温度达到300℃时，螺栓球表面开始变黄，螺栓并未发生改变，随着温度升高，螺栓球表面逐渐呈现黑色，700℃情况下，螺栓球表面完全被烧红，螺栓球表面和螺栓表面螺纹开始逐渐起皮脱落．根据所测得的试验结果，对不同温度下试件极限承载力折减系数进行回归拟合，提出了高温下螺栓球节点螺栓抗拉承载力计算方法．

螺栓球节点；高温；抗拉承载力

螺栓球节点从20世纪80年代开始，以其适应性强、标准化程度高、安装运输方便等优点，在空间结构上有着较为广泛的应用．但空间网格结构的主要组成材料是钢材，钢材对高温环境十分敏感，高温下其各项力学性能显著降低，因此针对螺栓球节点开展抗火性能研究可以为空间网架结构抗火性能分析提供依据，对于指导空间网架结构的抗火设计具有重要意义．

刘红波等[1]对空间结构中的Q235、Q345钢材进行高温处理、材料拉伸试验和里氏硬度试验，结果显示：温度低于500℃时，热处理对钢材硬度和抗拉强度影响不显著；温度高于500℃时，对其硬度和抗拉强度均有较大的影响．范圣刚等[2]对Q550D高强钢在不同温度工况和不同冷却方式下进行了拉伸试验，结果表明：高温下Q550D高强钢弹性模量、屈服强度、抗拉强度随试验温度的升高而逐渐下降，温度高于400℃时，3种力学指标下降明显；温度超过700℃，3项指标接近于0．范峰等[3]对常温下螺栓球节点受力力学性能进行了试验研究，验证了螺栓球节点具有一定的转动刚度，借助ANSYS有限元软件建立了螺栓球节点模型，并通过试验验证了模拟结果的准确性．童乐为等[4]对常温下大直径(M68～M90)螺栓球节点性能进行了试验研究，发现钢管锥头是整个节点中的薄弱环节，容易沿径向开裂，强度明显低于钢管强度．杨放等[5]以M20、M24螺栓球节点为研究对象，在1.1拧入深度下对螺栓球节点进行高温受拉试验，分析螺栓球节点在高温下的破坏模式，研究发现：温度在400℃以下时，试件发生脆性断裂，承载力降低并不明显；温度高于400℃后，试件破坏时承载力明显下降，发生延性破坏；随着温度升高，螺栓破坏时颈缩明显．刘东宇[6]对不同温度作用和不同冷却方式作用后螺栓球节点的抗拉承载力进行试验研究，发现大部分螺栓球节点的承载能力随着过火温度的升高而降低，提出值为1.45的抗力分项系数，并借助ABAQUS进行实体建模，模拟在火灾全过程中螺栓拧入深度、过火温度、冷却方式等因素对螺纹及螺栓球节点的影响．付宜东等[7]、吴琼尧等[8]分别借助ABAQUS和ANSYS有限元软件模拟了常温下拧入深度对螺栓球承载性能的影响，并分别给出了能较好地反映螺栓球节点不同螺栓拧入深度时节点受拉极限承载力的螺栓球节点极限承载力拟合公式，以及螺栓球节点抗拉承载力降低比例与高强螺栓拧入比例的关系曲线．

本文基于目前研究现状，研究了常温(20℃)、火灾高温下(200～700℃)螺栓球节点螺栓连接抗拉承载力，回归得出了高温下螺栓球节点螺栓抗拉承载力计算方法．

1 试验方案

1.1 试件设计

高温下螺栓球节点抗拉试验中，为了与电阻加热炉和加载机相配套，试验研究中选取螺栓杆件长300mm、10.9级高强度螺栓并设定M16螺栓规格，M16级螺栓考虑1.1(为螺栓直径)拧入深度，进行了共7种不同温度(20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃)下的拉伸试验，钢球节点直径为100mm，但限于电阻加热炉的内腔尺寸限制，对其进行纵向切削，纵向切削至直径为75mm，探究螺栓球抗拉承载力规律．试件材料及尺寸见表1．

表1 试件材料及尺寸

Tab.1 Specimen material and size

1.2 加载方案

试件的加载装置为30t万能试验机，加热装置为电阻加热炉，试验加载方案如下.

(1) 按照试验方案指定拧入深度将螺栓旋入钢球中，并将螺栓球节点固定在试验机上，保证试件中心与试验机中心对中，并使螺栓球节点放置在高温炉中，试验装配图见图1．

图1 试验装配图

(2) 对试件进行预加载，先加载至10%设计荷载值后卸载至0．

(3) 按照《金属高温拉伸试验方法》(GB/T 4338—2006)，采用恒温加载方式进行试验．借助电阻加热炉将螺栓球节点加热至目标温度，控制目标温度分别为20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃．高温炉空腔内分别有上、中、下3个温度传感器，通过不断调节加热炉上、中、下加热丝的功率，使整个空腔内部温度趋于一致并同时达到目标温度，达到目标温度后恒温25min，使试件充分受热升温，升温过程试件自由膨胀．加热时用耐火棉塞住高温炉两端，防止热量外泄．

(4) 开始加载，加载速度为0.6mm/min，直至螺栓球节点破坏或承载力降低至极限承载力的50%以下．分别记录不同温度下的螺栓球节点的极限承载力和力-位移曲线等．

1.3 材性试验

为了解10.9级35CrMo高强螺栓材料性能，按《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)中的要求，对M16高强度螺栓进行了机床切削加工制作，切削3个材料试样，为避免试验机的夹持装置对螺栓螺纹造成破坏进而导致滑移，采用预先做好的夹具对螺栓进行夹持拉伸，测得10.9级高强螺栓屈服强度和极限强度见表2，破坏情况如图2所示．

表2 螺栓材料力学性能

Tab.2 Mechanical properties of bolt materials

图2 材性试验破坏情况

2 试验现象

2.1 破坏形式

当螺栓拧入深度为1.1，M16级螺栓在温度为20～300℃时，螺栓发生拉断破坏，破坏时可以听到很大的断裂声，试件达到极限承载力并未立刻发生破坏，但只有较小的下降段，颈缩程度不是很明显，呈脆性破坏；400～600℃的情况下，螺栓发生拉断破坏，400℃和500℃时断裂声较响，600℃时断裂声微小，试件达到极限承载力没有立刻破坏，有较长的下降段，有较为明显的颈缩现象；700℃情况下，螺栓并未拉断，试件发生颈缩，试件达到极限承载力后并没有发生破坏，反而存在很长的下降段，达到极限承载力的50%仍没有发生拉断破坏．螺栓球节点破坏情况如图3所示．

图3 螺栓球节点破坏情况

2.2 试件表面现象

如图4所示，20～200℃时，试件表面并未发生明显变化；当温度达到300℃时，螺栓球表面开始变黄，螺栓并未发生明显改变；当温度升高到400℃时，螺栓球表面颜色呈现出部分蓝色；当温度升温至500℃乃至600℃时，螺栓球表面呈现黑色；700℃情况下，螺栓球表面完全被烧红，表面开始起皮掉落，螺栓表面螺纹也开始逐渐脱落．通过试件表面现象，可以初步判断试件所经历的高温温度范围，进而推测其承载力损失情况．

图4 试件表面现象照片

3 试验结果

3.1 试验极限承载力

不同情况下试验极限承载力如表3所示．从试验结果可以看出，当温度在300℃前，承载力没有明显的改变．

当温度升温至400℃，拧入深度为1.1时，承载力下降逐渐明显，下降了近15%；当温度升温至500℃时，承载力大约下降至常温下承载力的50%；当温度升温至600℃时，承载力相当于常温下承载力的30%；当温度升温至700℃时，试件几乎丧失了全部承载力，下降为常温承载力的10%以下．

表3 试验极限承载力及破坏形式

Tab.3 Ultimate bearing capacity and damage form

3.2 破坏模式分析

在拧入深度为1.1、20～200℃情况下，螺栓球试件在螺栓中部发生拉断破坏，在拉伸过程中并没有发生明显的颈缩，在经历一段下降段后发生破坏，由于螺栓螺纹作用，存在削弱截面，破坏形式并没有出现和材性试验相同的颈缩和水平断口，断口平面与螺栓轴向有一定的夹角，断口平面处螺纹也沿断口方向被拉断；在300～600℃情况下，螺栓球试件在螺栓中部发生拉断破坏，在轴向拉力的作用下，当螺栓球节点受拉达到抗拉强度后，螺栓中部某一截面处发生颈缩现象，与此同时，螺栓螺纹也随之被拉伸，随着纵向拉伸位移增加，局部截面颈缩逐渐明显，承载面积减少，承载力下降明显直至断裂，端口形状类似于杯状，中间端口较为平整．

3.3 力-位移曲线

图5为试件的力-位移曲线．当温度处于20～400℃时，当试件达到极限承载力后，仅有较小的下降段发生破坏．当温度升温至500℃乃至700℃，可以观察到较为明显的下降段，随着温度的升高，延性呈上升趋势．

3.4 高温下螺栓球节点螺栓抗拉承载力计算方法

不同温度下螺栓抗拉承载力计算方法主要是高温下折减系数的不同，因此根据试验结果，对M16螺

图5 试件力-位移曲线

栓球节点试件1.1拧入深度在不同温度下的极限承载力折减系数进行曲线拟合，当温度为20～300℃时，折减系数设为1.000，当温度高于300℃时，借助ORIGIN软件进行数值拟合，最终得到

借助此折减系数预测公式与文献[5]中高温下M20、M24螺栓球节点极限承载力折减系数进行比较，比较结果如图6所示．

图6 预测公式与文献[5]试验结果比较

通过与文献[5]试验结果进行比较，当螺栓球节点螺栓直径扩大到M20、M24时，其折减系数并没有明显的降低，其试验测得的折减系数与“折减系数预测公式”误差基本在5%以内，500℃处于承载力变化较为明显阶段，其预测公式与试验结果误差在5%～10%，700℃试件已基本丧失承载力，最终采用预测公式计算出承载力结果差别很小．

本文高温下螺栓抗拉承载力计算方法适用于M12～M36级螺栓球节点．拧入深度为1.1时螺栓球节点的破坏为螺栓的拉断破坏，考虑到螺栓为均质钢材构件，此公式适用于10.9级螺栓的承载力计算. 目前工程上M12～M36级螺栓球节点采用的螺栓构件均为10.9级，拧入深度均在1.1以上，在进行高温下承载力计算时适用．

4 结 论

(1) 当拧入深度为1.1时，螺栓球节点破坏形式为螺栓拉断破坏．螺栓拉断破坏前存在一定程度的下降段，随着温度的升高，延性呈上升趋势．

(2) 随着温度的升高，螺栓球节点抗拉极限承载力在400℃前并没有明显降低，500℃时极限承载力已经降低至常温承载力的50%，温度升温至700℃时极限承载力几乎完全丧失．

(3) 结合试验结果，提出了高温下螺栓球节点螺栓抗拉承载力计算方法．

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Experimental Study of the Tensile Performance of Bolt-Ball Connections in Bolt Ball Joint at High Temperatures

Liu Hongbo1, 2, 3，Lin Siwei1，Zhang Gaoqing2

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China；3. Key Laboratory of Binhai Civil Engineering Structure and Safety，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To study the force performance and predict the load carrying capacity of bolt ball joint in space structures at high temperatures，we investigated the tensile performance of bolted connections in bolt ball joint at high temperatures. The effect of different temperatures on the ultimate tensile bearing capacity of bolt ball joint was studied. The results show that the bolt ball joint was damaged due to pull-off damage when the screwing depth is 1.1 times the bolt diameter. The ultimate tensile load capacity of the bolt ball joint did not decrease significantly at temperatures less than 400℃；however，it halved at 500℃ and reduced to minute value at 700℃. At different temperatures，different changes in specimen surface were observed. For example，when the temperature reached 300℃，the surface of the bolt ball turned yellow；however，the surface of bolt did not change significantly. With a further increase in temperature，the surface of the bolt ball gradually turned black. At 700℃，the surface of the bolt ball was completely red，and the surface and threads of the bolt ball gradually peeled off. According to the test results，the regression fitting on the ultimate bearing capacity reduction coefficient at different temperatures was performed，and a calculation method for the tensile bearing capacity of bolt ball joint at high temperatures was proposed.

bolt ball joint；high temperature；tensile load capacity

10.11784/tdxbz202108040

TU393.3

A

0493-2137(2022)08-0862-05

2021-08-16；

2021-11-03.

刘红波（1983—  ），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

刘红波，hbliu@tju.edu.cn.

河北省杰出青年基金资助项目(E2021402006).

Hebei Province Distinguished Young Scholars Fund Project(No. E2021402006).

(责任编辑：金顺爱)