高温环境下螺栓连接的性能变化研究

随着现代工业技术的不断发展，钢结构在各类建筑和机械设备中的应用越来越广泛。然而，钢结构的一个显著缺点是不耐火，特别是在高温环境下，其力学性能和承载能力会显著下降。螺栓连接作为钢结构中重要的连接方式，其性能在高温下的变化直接影响整个结构的安全性和稳定性。本文旨在通过一系列试验研究，分析高温环境下螺栓连接的力学性能变化，包括抗拉和抗剪刚度、极限承载能力及其破坏机理，为钢结构抗火设计提供参考依据。

引言

钢结构因其自重轻、强度高、施工速度快等优点，在桥梁、高层建筑、工业厂房等领域得到了广泛应用。然而，钢结构在高温下易发生材料强度下降、蠕变、塑性变形等不利现象，这些变化会严重影响结构的承载能力和安全性。螺栓连接作为钢结构中常见的连接方式，其性能在高温下的稳定性直接关系到整体结构的抗火能力。因此，对高温环境下螺栓连接的性能变化进行系统研究具有重要意义。

文献综述

近年来，国内外学者在钢结构抗火研究领域取得了大量成果，主要集中在材料、构件和部分结构在高温下的力学性能。然而，针对高强度螺栓连接在高温下的性能变化研究相对较少，且破坏机理和模型复杂，相关研究文献不多见。我国现行的钢结构设计规范也尚未充分考虑这一因素。因此，本文在前人研究的基础上，通过一系列试验，深入探讨高温环境下螺栓连接的力学性能变化。

试验方法

1. 试验材料与设备

本试验选用8.8级和10.9级高强度螺栓，分别代表不同强度等级的材料。试验设备包括智能箱式高温炉、伺服加载仪、应变测量仪等，用于模拟高温环境和加载测试。

2. 试验设计

试验设计分为两部分：受剪螺栓连接和受拉螺栓连接。每种连接形式均在不同温度下进行测试，包括常温、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃。每种温度下至少进行三次重复试验，以确保结果的可靠性。

3. 试验步骤

试件准备：根据试验要求，制备标准的高强度螺栓连接试件，确保所有试件尺寸和材料一致。
加热处理：将试件置于智能箱式高温炉中，加热至预定温度并保持半小时，以确保试件温度均匀稳定。
加载测试：使用伺服加载仪对加热后的试件进行加载测试，记录加载过程中的位移、载荷和应变等数据。
数据分析：对试验数据进行处理和分析，计算不同温度下螺栓连接的抗拉和抗剪刚度、极限承载能力等指标，并与常温下的试验结果进行比较。

试验结果与分析

1. 抗拉性能变化

随着温度的升高，高强度螺栓连接的抗拉刚度显著下降。试验结果表明，在300℃高温下，螺栓连接的抗拉刚度仅为常温下的约50%。此外，极限承载能力也随温度升高而降低，严重威胁结构的安全性。高温导致螺栓材料发生塑性变形和蠕变现象，使得紧固力逐渐减小，甚至出现松动和失效的情况。

2. 抗剪性能变化

与抗拉性能类似，高强度螺栓连接的抗剪刚度在高温下也表现出显著的下降趋势。特别是在高温和高荷载作用下，螺栓连接的破坏形式由常温下的挤压破坏转变为滑移破坏。试验数据显示，随着温度的升高，滑移荷载逐渐减小，且滑移位移也相应减小。这表明高温环境下螺栓连接的抗滑移性能显著下降。

3. 破坏机理分析

高温环境下螺栓连接的破坏机理主要包括以下几个方面：

材料强度下降：高温导致螺栓材料的强度降低，塑性变形和蠕变现象加剧。
预拉力变化：高温影响螺栓的预拉力，使得紧固力逐渐减小，甚至失效。
摩擦系数变化：高温环境下钢板之间的摩擦系数降低，导致摩擦型高强度螺栓连接的抗滑移性能下降。
腐蚀影响：部分螺栓材料在高温下可能更容易受到氧化和腐蚀的影响，进一步降低其抗拉能力和耐久性。

4. 多场拟合分析

为了更全面地了解高温环境下螺栓连接的性能变化，本文还进行了多场拟合分析。通过综合考虑摩擦系数、预拉力、温度等因素对螺栓连接性能的影响，得出300℃以内抗滑移系数为线性下降的结论。这一结果为钢结构抗火设计提供了重要的参考依据。

结论与建议

结论

本文通过一系列试验研究，深入分析了高温环境下高强度螺栓连接的力学性能变化。试验结果表明，环境温度的升高极大地降低了高强度螺栓连接的抗拉和抗剪刚度以及极限承载能力，严重威胁结构的安全。高温导致螺栓材料强度下降、预拉力变化、摩擦系数降低以及可能的腐蚀现象等不利因素共同作用，使得螺栓连接的性能显著下降。

建议

选择合适的螺栓材料：在高温环境下，应选择耐高温的螺栓材料，如合金钢、不锈钢等，以提高其高温强度和耐腐蚀性能。
控制紧固力：由于高温下螺栓材料的蠕变现象，需要定期检查和调整螺栓的紧固力，确保其安全连接。
采取防腐措施：对于可能受到氧化和腐蚀的螺栓，应采取涂层、镀锌和防腐润滑剂等措施，增加其耐蚀性能。
完善设计规范：建议在钢结构设计规范中增加对高温环境下螺栓连接性能变化的考虑，为抗火设计提供明确的指导依据。

高温环境下螺栓连接的性能变化研究对于提高钢结构抗火能力具有重要意义。通过选择合适的材料、控制紧固力、采取防腐措施以及完善设计规范等措施，可以有效提高螺栓连接在高温环境下的稳定性和可靠性。