不同溫度下高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)預(yù)拉力變化研究.doc

高溫下連接節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力試驗(yàn)研究【摘要】溫度是影響高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力變化的重要因素之一，在高溫下，高強(qiáng)螺栓的應(yīng)力松弛導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力以及高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的滑移荷載下降。通過(guò)對(duì)自行設(shè)計(jì)的高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高溫下的受力性能試驗(yàn)，擬合了高強(qiáng)螺栓溫度應(yīng)變曲線(xiàn)，溫度預(yù)拉力曲線(xiàn)，總結(jié)出高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力隨溫度的變化規(guī)律。【關(guān)鍵詞】高溫；高強(qiáng)螺栓；預(yù)拉力變化 Test research on Pretension of High-Strength bolt in connecting nodes under High temperatures 【Abstract】:Temperature is one of the most important factors that affects the high strength bolts pretension change, under the high temperature, the stress of high strength bolt easily relaxes, and stress relaxation phenomenon directly leads to the decrease of the bearing capacity of high-strength bolt and slip load of high strength bolt connection node drop down. This experiment was carried out on the high strength bolt node of own design under the high temperature to monitor the strain, concluded the strain change rule, fited the temperature-strain curves and temperature pretension curve, summarizes the change law of pretension.【keywords】: high temperature; high strength bolts; the change of pretension force【引言】高強(qiáng)螺栓作為鋼構(gòu)件連接的主要方式，其受力性能非常重要。在高溫下，高強(qiáng)螺栓發(fā)生的應(yīng)力松弛直接導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓的承載能力下降。本文對(duì)自行設(shè)計(jì)的一種高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高溫下的試驗(yàn)研究，分別將溫度從常溫上升到100、150、200、250、300，并保持半個(gè)小時(shí)，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得出各溫度下的高強(qiáng)螺栓的應(yīng)變溫度曲線(xiàn)，得到高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力的變化值；再根據(jù)初期施加的預(yù)拉力，得出溫度預(yù)拉力曲線(xiàn)，擬合預(yù)拉力在各溫度下的變化規(guī)律曲線(xiàn)。1 單高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件設(shè)計(jì)本試驗(yàn)連接節(jié)點(diǎn)試件共5組，鋼板均為Q235鋼，螺栓均為大六角頭10.9級(jí)M20高強(qiáng)螺栓（20MnTiB鋼）。本文采用自行設(shè)計(jì)的新型檢測(cè)方法，在螺帽與蓋板之間加一塊鋼板，在鋼板上開(kāi)槽，與高溫應(yīng)變片焊接的高溫導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)鋼板上的槽引出，再由烘箱的洞口引出與試驗(yàn)儀器連接進(jìn)行試驗(yàn)。單螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件詳見(jiàn)圖12。圖1 單高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件詳圖圖2 單高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件圖2 高溫下單高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)預(yù)拉力變化試驗(yàn)2.1 高溫加溫及測(cè)量設(shè)備本次試驗(yàn)工作主要應(yīng)用的試驗(yàn)設(shè)備為上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（下面簡(jiǎn)稱(chēng)烘箱）,采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀量測(cè)試件應(yīng)變。本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備及其它輔助設(shè)備有：高溫電阻應(yīng)變計(jì)（型號(hào)：BAB1203AA250(11)X），F(xiàn)610高溫膠（耐250C高溫），高溫端子（DHA3G1 ），高溫焊錫（熔點(diǎn)達(dá)300C左右），高溫導(dǎo)線(xiàn)。2.2 試驗(yàn)方案每個(gè)高強(qiáng)螺栓都貼有兩個(gè)應(yīng)變片，每組試件由兩個(gè)單高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)組成，一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)施加預(yù)拉力，另一個(gè)則不施加預(yù)拉力（在高溫條件下，高溫膠可能會(huì)軟化，從而使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生應(yīng)變，對(duì)高強(qiáng)螺栓上的預(yù)拉力的變化結(jié)果造成影響，為了消除這個(gè)影響，先施加一個(gè)很小的力，并用電阻應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)，100，很小的力不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較明顯的影響，同時(shí)使連接節(jié)點(diǎn)緊固，不會(huì)錯(cuò)動(dòng)），將其通過(guò)半橋的方式接入靜態(tài)電阻應(yīng)變儀上，施加預(yù)拉力的高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)作為工作試件，未施加預(yù)拉力的單高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)作為溫度補(bǔ)償試件，然后進(jìn)行試驗(yàn)，即同溫度的上升和保持，測(cè)量溫度應(yīng)變變化，再求出溫度預(yù)拉力曲線(xiàn)，并總結(jié)出隨著溫度的改變，預(yù)拉力的變化情況。2.3 單高強(qiáng)螺栓施加扭矩經(jīng)過(guò)高溫固化以后，利用高溫端子、高溫焊錫把高溫導(dǎo)線(xiàn)和高溫應(yīng)變計(jì)焊接在一起，把鋼板與高強(qiáng)螺栓組裝起來(lái)，并使應(yīng)變計(jì)處于鋼板上的槽內(nèi)。組裝好以后，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)施加預(yù)拉力。施加的預(yù)拉力是通過(guò)扭矩值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB50205-2001），緊固件高強(qiáng)螺栓應(yīng)分為初擰和終擰。初擰應(yīng)達(dá)到螺栓預(yù)拉力標(biāo)準(zhǔn)值的50%左右(參見(jiàn)表1)。終擰后，螺栓預(yù)拉力值應(yīng)符合規(guī)定：對(duì)裝有壓力傳感器或貼有電阻片的高強(qiáng)度螺栓，實(shí)測(cè)控制試件每個(gè)螺栓的預(yù)拉力值應(yīng)在0.951.05P（P為高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力值）之間。表1 初擰扭矩值螺栓直徑d（mm）16202224初擰扭矩（Nm）115220300390高強(qiáng)度螺栓連接副終擰扭矩值按下列式計(jì)算： 式中 TC終擰扭矩值（Nm），本試驗(yàn)的終擰值為400 Nm； PC施工預(yù)拉力值（kN），M20高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力設(shè)計(jì)值為155kN； d螺栓公稱(chēng)直徑（mm），高強(qiáng)螺栓直徑為20mm； K扭矩系數(shù)，本試驗(yàn)所采用高強(qiáng)螺栓的扭矩系數(shù)為0.130。高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副初擰扭矩值T0可按0.5 TC取值。本次試驗(yàn)施加扭矩是通過(guò)扭矩車(chē)床實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)計(jì)算得出應(yīng)變值大小為2400微應(yīng)變，當(dāng)施加的扭矩值為400 Nm時(shí)，應(yīng)變值也在2400微應(yīng)變左右，因此兩者結(jié)果比較接近，符合實(shí)際。扭矩曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。圖3 扭矩施加曲線(xiàn)2.4 時(shí)漂檢測(cè)終擰后，高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力隨著時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)有所損失，因此通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變儀來(lái)監(jiān)測(cè)已完成扭矩施加的高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的預(yù)拉力隨著時(shí)間增長(zhǎng)的變化情況。終擰時(shí)間及預(yù)拉力損失變化見(jiàn)表2。表2 預(yù)拉力損失變化終擰時(shí)間T（h）0246812應(yīng)變均值化（）240023752369236523582350預(yù)拉力損失P(kN)01.6122.262.713.22由此得出結(jié)論，高強(qiáng)螺栓終擰初期預(yù)拉力損失較多，后期逐漸趨于穩(wěn)定，12小時(shí)以后，預(yù)拉力就趨于穩(wěn)定，基本保持不變。因此，終擰時(shí)間也是影響預(yù)拉力的一個(gè)重要因素，在扭矩施加完成后應(yīng)盡快進(jìn)行試驗(yàn)。2.5試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)現(xiàn)象在各溫度下的試驗(yàn)中，可觀察到的現(xiàn)象為：（1）在各溫度下，應(yīng)變值的變化趨勢(shì)為：升溫的過(guò)程中應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)溫度接近指定溫度并保持該溫度時(shí)（即最大應(yīng)變值可能出現(xiàn)在到達(dá)指定溫度之前或是在溫度保持的過(guò)程中），應(yīng)變值逐漸減小，最后圍繞某個(gè)值上下波動(dòng)并趨于穩(wěn)定；(2) 當(dāng)溫度趨于某個(gè)指定溫度時(shí)，應(yīng)變的增長(zhǎng)速率就變小，即應(yīng)變的增長(zhǎng)幅度變??；(3) 同一溫度下，平行試驗(yàn)組的應(yīng)變值波動(dòng)不大，比較穩(wěn)定；(4) 試驗(yàn)試件表面的顏色也有所變化，溫度小于等于200時(shí)，試件表面特征基本沒(méi)有發(fā)生變化，表面顏色與常溫接近，250時(shí)，試件表面的顏色表現(xiàn)為深黃色并帶有淡藍(lán)色，300時(shí)，試件表面的顏色表現(xiàn)為深藍(lán)色。3 試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 螺栓應(yīng)變溫度時(shí)間曲線(xiàn)各個(gè)溫度下的螺栓應(yīng)變溫度-時(shí)間曲線(xiàn)如圖4(a)(e)。通過(guò)各螺栓的溫度-應(yīng)變曲線(xiàn)可以看出，每個(gè)螺栓上的應(yīng)變值都是隨著溫度的升高而增大的，增長(zhǎng)速度也較快，但是螺栓的應(yīng)變并不是呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在最高溫度附近；螺栓的應(yīng)變不會(huì)因?yàn)闇囟鹊谋３侄蛔?，而是?huì)下降，且其下降速度會(huì)越來(lái)越慢，最后圍繞一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值上下波動(dòng)。由此說(shuō)明高溫保持時(shí)，螺栓應(yīng)變值穩(wěn)定，恢復(fù)彈性。(a) 100C應(yīng)變溫度時(shí)間曲線(xiàn) （b）150C應(yīng)變溫度時(shí)間曲線(xiàn)（c）200C應(yīng)變溫度時(shí)間曲線(xiàn) （d）250C應(yīng)變溫度時(shí)間曲線(xiàn)（e）300C應(yīng)變溫度時(shí)間曲線(xiàn)圖4 各溫度高強(qiáng)螺栓應(yīng)變溫度時(shí)間曲線(xiàn)3.3 高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力變化（1）高溫下高強(qiáng)螺栓的彈性模量根據(jù)對(duì)本次試件高溫下的彈性模量進(jìn)行的有關(guān)試驗(yàn)，得到了高溫下高強(qiáng)螺栓20MnTiB鋼各溫度下的彈性模量值的計(jì)算公式：由此公式繪制的各溫度的初始彈性模量曲線(xiàn)如圖5圖5 各溫度下的初始彈性模量 （2）溫度預(yù)拉力時(shí)間曲線(xiàn) 各個(gè)溫度下螺栓預(yù)拉力溫度-時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖6(a)(e)（有水平直線(xiàn)段的為溫度曲線(xiàn)，水平段為保持溫度部分）。（a）100C溫度預(yù)拉力時(shí)間曲線(xiàn) （b）150C溫度預(yù)拉力時(shí)間曲線(xiàn)（c）200C溫度預(yù)拉力時(shí)間曲線(xiàn) （d）250C溫度預(yù)拉力時(shí)間曲線(xiàn)（e）300C溫度預(yù)拉力時(shí)間曲線(xiàn)圖9 各溫度預(yù)拉力時(shí)間曲線(xiàn)從圖中可以看出，施加預(yù)拉力后的高強(qiáng)螺栓在升溫過(guò)程中，預(yù)拉力先增大后減小，分析其原因?yàn)椋荷郎氐倪^(guò)程中，鋼板的熱膨脹大于高強(qiáng)螺栓的熱膨脹，鋼板對(duì)螺帽、螺母的擠壓作用直接導(dǎo)致了螺栓預(yù)拉力的增加；溫度穩(wěn)定后，高強(qiáng)螺栓彈性模量的降低，導(dǎo)致了應(yīng)力的下降，且鋼板與高強(qiáng)螺栓的的膨脹都趨于穩(wěn)定，相互擠壓作用也趨于穩(wěn)定，因此預(yù)拉力也逐漸下降，并趨于穩(wěn)定。從曲線(xiàn)圖上分別可以看出，從常溫升溫至100、150、200、250和300過(guò)程中的預(yù)拉力最大值分別為159.08kN、162.87 kN、165.15 kN、168.23 kN、169.17 kN，高溫保持半小時(shí)后，預(yù)拉力分別下降到157.1 kN、160.08 kN、160.60 kN、164.78 kN、165.29 kN，比常溫時(shí)分別提高1.35%、3.27%、3.61%、6.3%、6.63%。因此，在300以?xún)?nèi)，高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力是變大的，溫度再升高時(shí)預(yù)拉力的變化情況有待進(jìn)一步研究。3.3高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力變化系數(shù)高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力變化系數(shù)是指溫度上升到100、150、200、250和300時(shí)的預(yù)拉力與常溫時(shí)的預(yù)拉力的比值。武漢理工大學(xué)林文玉3等通過(guò)有限元模擬得出的結(jié)果與本次試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比如下表3。 表3 有限元分析的高溫下預(yù)拉力變化系數(shù)預(yù)拉力變化系數(shù)20200300400500600試驗(yàn)結(jié)果11.0651.091ANSYS值11.030.9780.8910.7640.612ABAQUS值11.0381.030.9920.7520.341由表3的對(duì)比可以看出，其ABAQUS模擬的預(yù)拉力變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，但也有所不同：（1）300以?xún)?nèi)，預(yù)拉力相比常溫下都是增大的。（2）從100到300的過(guò)程中，試驗(yàn)得出的預(yù)拉力值是逐漸增大的，到300時(shí)其增長(zhǎng)速率相對(duì)減小，但是ABAQUS模擬的結(jié)果卻是300的預(yù)拉力比200的小。其原因可能是模擬的過(guò)程中未考慮高強(qiáng)螺栓在高溫下因熱膨脹而引起的應(yīng)變變化。4 結(jié)論本章通過(guò)對(duì)自行設(shè)計(jì)的單高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同溫度下的預(yù)拉力變化試驗(yàn)，主要得出如下結(jié)論：（1）把試件從常溫加熱到設(shè)定溫度，然后保持該設(shè)定溫度半個(gè)小時(shí)，100、150、200、250和300各溫度的預(yù)拉力分別為157.1 kN、160.08 kN、160.60 kN、164.78 kN、165.29 kN；比常溫時(shí)預(yù)拉力提高了1.35%、3.27%、3.61%、6.3%、6.63%。（2）各溫度下高強(qiáng)螺栓的變形和預(yù)拉力均隨著溫度的升高而增大，但并非線(xiàn)性增長(zhǎng)，100、150、200、250和300時(shí)的預(yù)拉力變化系數(shù)分別為1.026、1.05、1.065、1.085和1.091，與前人模擬出的結(jié)果基本相符合，而200和300時(shí)的預(yù)拉力模擬的結(jié)果偏小，其原因?yàn)槟M時(shí)未考慮高溫下高強(qiáng)螺栓因熱膨脹而引起的應(yīng)變變化。（3）在溫度上升以及到達(dá)目標(biāo)溫度后保溫的過(guò)程中，螺栓的預(yù)拉力先增大后減小，最后圍繞一定值的上下波動(dòng)并基本保持不變（100、150、200、250和300的預(yù)拉力分別從最大值159.08kN、162.87 kN、165.15 kN、168.23 kN、169.17 kN，下降到穩(wěn)定值為157.1 kN、160.08 kN、160.60 kN、164.78 kN、165.29 kN），此時(shí)說(shuō)明螺栓的預(yù)拉力已基本穩(wěn)定。（4）在監(jiān)測(cè)高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力的損失時(shí)，補(bǔ)償試件很重要，不然會(huì)給高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力變化結(jié)果造成較大的影響。5 參考文獻(xiàn)1陳祿如. 高溫下高強(qiáng)度螺栓連