高温下连接节点高强螺栓预拉力试验研究【摘要】温度是影响高强螺栓预拉力变化的重要因素之一，在高温下，高强螺栓的应力松弛导致高强螺栓的预拉力以及高强螺栓连接节点的滑移荷载下降。
通过对自行设计的高强螺栓节点进行高温下的受力性能试验，拟合了高强螺栓温度—应变曲线，温度—预拉力曲线，总结出高强螺栓预拉力随温度的变化规律。
【关键词】高温；高强螺栓；预拉力变化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】高强螺栓作为钢构件连接的主要方式，其受力性能非常重要。
在高温下，高强螺栓发生的应力松弛直接导致高强螺栓的承载能力下降。
本文对自行设计的一种高强螺栓连接节点进行高温下的试验研究，分别将温度从常温上升到100℃、150℃、200℃、250℃、300℃，并保持半个小时，对连接节点高强螺栓的预拉力变化进行实时监测，得出各温度下的高强螺栓的应变—温度曲线，得到高强螺栓预拉力的变化值；再根据初期施加的预拉力，得出温度—预拉力曲线，拟合预拉力在各温度下的变化规律曲线。
1 单高强螺栓连接节点试件设计本试验连接节点试件共5组，钢板均为Q235钢，螺栓均为大六角头10.9级M20高强螺栓（20MnTiB钢）。
本文采用自行设计的新型检测方法，在螺帽与盖板之间加一块钢板，在钢板上开槽，与高温应变片焊接的高温导线通过钢板上的槽引出，再由烘箱的洞口引出与试验仪器连接进行试验。
单螺栓连接节点试件详见图1~2。
图1 单高强螺栓连接节点试件详图图2 单高强螺栓连接节点试件图2 高温下单高强螺栓连接节点预拉力变化试验2.1 高温加温及测量设备本次试验工作主要应用的试验设备为上海精宏实验设备有限公司生产的电热恒温鼓风干燥箱（下面简称烘箱）,采用静态电阻应变仪量测试件应变。
本试验采用的试验测量设备及其它辅助设备有：高温电阻应变计（型号：BAB120—3AA250(11)—X ），F —610高温胶（耐250°C 高温），高温端子（DHA3—G1 ），高温焊锡（熔点达300°C 左右），高温导线。
2.2 试验方案每个高强螺栓都贴有两个应变片，每组试件由两个单高强螺栓连接节点组成，一个连接节点施加预拉力，另一个则不施加预拉力（在高温条件下，高温胶可能会软化，从而使应变计产生应变，对高强螺栓上的预拉力的变化结果造成影响，为了消除这个影响，先施加一个很小的力，并用电阻应变仪监测，ε≈100，很小的力不会对试验结果产生较明显的影响，同时使连接节点紧固，不会错动），将其通过半桥的方式接入静态电阻应变仪上，施加预拉力的高强螺栓连接节点作为工作试件，未施加预拉力的单高强螺栓连接节点作为温度补偿试件，然后进行试验，即同温度的上升和保持，测量温度—应变变化，再求出温度—预拉力曲线，并总结出随着温度的改变，预拉力的变化情况。
2.3 单高强螺栓施加扭矩经过高温固化以后，利用高温端子、高温焊锡把高温导线和高温应变计焊接在一起，把钢板与高强螺栓组装起来，并使应变计处于钢板上的槽内。
组装好以后，对连接节点施加预拉力。
施加的预拉力是通过扭矩值来实现的。
根据《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001），紧固件高强螺栓应分为初拧和终拧。
初拧应达到螺栓预拉力标准值的50%左右(参见表1)。
终拧后，螺栓预拉力值应符合规定：对装有压力传感器或贴有电阻片的高强度螺栓，实测控制试件每个螺栓的预拉力值应在0.95～1.05P （P 为高强度螺栓设计预拉力值）之间。
表1 初拧扭矩值螺栓直径d （mm ） 16 20 22 24 初拧扭矩（N·m ）115220300390高强度螺栓连接副终拧扭矩值按下列式计算：d P K T C C ⋅⋅=式中 T C —终拧扭矩值（N·m ），本试验的终拧值为400 N·m ；P C —施工预拉力值（kN ），M20高强螺栓的预拉力设计值为155kN ； d —螺栓公称直径（mm ），高强螺栓直径为20mm ；K —扭矩系数，本试验所采用高强螺栓的扭矩系数为0.130。
高强度大六角头螺栓连接副初拧扭矩值T 0可按0.5 T C 取值。
本次试验施加扭矩是通过扭矩车床实现的。
根据计算得出应变值大小为2400微应变，当施加的扭矩值为400 N·m 时，应变值也在2400微应变左右，因此两者结果比较接近，符合实际。
扭矩曲线见图3。
扭矩（N .m )夹头转角（°）图3 扭矩施加曲线2.4 时漂检测终拧后，高强螺栓的预拉力随着时间的增长会有所损失，因此通过静态应变仪来监测已完成扭矩施加的高强螺栓连接节点的预拉力随着时间增长的变化情况。
终拧时间及预拉力损失变化见表2。
表2 预拉力损失变化终拧时间T （h ）2 4 6 8 12 应变均值化σ（εμ） 2400 2375 2369 2365 2358 2350 预拉力损失P(kN)1.6122.262.713.22由此得出结论，高强螺栓终拧初期预拉力损失较多，后期逐渐趋于稳定，12小时以后，预拉力就趋于稳定，基本保持不变。
因此，终拧时间也是影响预拉力的一个重要因素，在扭矩施加完成后应尽快进行试验。
2.5试验过程及试验现象在各温度下的试验中，可观察到的现象为：（1）在各温度下，应变值的变化趋势为：升温的过程中应变逐渐增大，当温度接近指定温度并保持该温度时（即最大应变值可能出现在到达指定温度之前或是在温度保持的过程中），应变值逐渐减小，最后围绕某个值上下波动并趋于稳定；(2) 当温度趋于某个指定温度时，应变的增长速率就变小，即应变的增长幅度变小；(3) 同一温度下，平行试验组的应变值波动不大，比较稳定；(4) 试验试件表面的颜色也有所变化，温度小于等于200℃时，试件表面特征基本没有发生变化，表面颜色与常温接近，250℃时，试件表面的颜色表现为深黄色并带有淡蓝色，300℃时，试件表面的颜色表现为深蓝色。
3 试验结果及分析3.1 螺栓应变温度—时间曲线各个温度下的螺栓应变温度-时间曲线如图4(a)——(e)。
通过各螺栓的温度-应变曲线可以看出，每个螺栓上的应变值都是随着温度的升高而增大的，增长速度也较快，但是螺栓的应变并不是呈线性增长趋势，最大值出现在最高温度附近；螺栓的应变不会因为温度的保持而不变，而是会下降，且其下降速度会越来越慢，最后围绕一个相对稳定的数值上下波动。
由此说明高温保持时，螺栓应变值稳定，恢复弹性。
应变（10E -6）时间(min)温度（℃）应变（10E -6）温度（℃）时间(min)(a) 100°C 应变温度—时间曲线温度（℃）应变（10E -6）时间（min）温度（℃）时间(min)应变（10E -6）（c ）200°C 应变温度—时间曲线 （d ）250°C 应变温度—时间曲线温度（℃）时间(min)应变（10E -6）（e ）300°C 应变温度—时间曲线 图4 各温度高强螺栓应变温度—时间曲线3.3 高强螺栓预拉力变化 （1）高温下高强螺栓的弹性模量根据对本次试件高温下的弹性模量进行的有关试验，得到了高温下高强螺栓20MnTiB 钢各温度下的弹性模量值的计算公式：)300(1251011.205C T T E T ≤-⨯=由此公式绘制的各温度的初始弹性模量曲线如图5E T (E 5M P a )温度T（℃）图5 各温度下的初始弹性模量（2）温度预拉力—时间曲线各个温度下螺栓预拉力温度-时间曲线见图6(a)~(e)（有水平直线段的为温度曲线，水平段为保持温度部分）。
时间（min）温度(℃)预拉力（kN）预拉力（kN）温度（℃）时间（min）（a ）100°C 温度预拉力—时间曲线 （b ）150°C 温度预拉力—时间曲线预拉力（kN）温度（℃）时间（min）（c ）200°C 温度预拉力—时间曲线 （d ）250°C 温度预拉力—时间曲线预拉力（kN）温度（℃）时间（min）（e ）300°C 温度预拉力—时间曲线 图9 各温度预拉力—时间曲线从图中可以看出，，施加预拉力后的高强螺栓在升温过程中，预拉力先增大后减小，分析其原因为：①升温的过程中，钢板的热膨胀大于高强螺栓的热膨胀，钢板对螺帽、螺母的挤压作用直接导致了螺栓预拉力的增加；②温度稳定后，高强螺栓弹性模量的降低，导致了应力的下降，且钢板与高强螺栓的的膨胀都趋于稳定，相互挤压作用也趋于稳定，因此预拉力也逐渐下降，并趋于稳定。
从曲线图上分别可以看出，从常温升温至100℃、150℃、200℃、250℃和300℃过程中的预拉力最大值分别为159.08kN 、162.87 kN 、165.15 kN 、168.23 kN 、169.17 kN，高温保持半小时后，预拉力分别下降到157.1 kN、160.08 kN、160.60 kN、164.78 kN、165.29 kN，比常温时分别提高1.35%、3.27%、3.61%、6.3%、6.63%。