摘 要：钢结构是一种极不耐高温的结构，高温对钢结构的影响是工程设计人员不能忽视的因素，特别是在钢结构连接节点位置，高温对其的影响更为敏感。作者在大学生创新创业训练项目“高强钢高强度螺栓抗剪连接火灾后受力性能研究”前期文献阅读的过程中有所思考，便以高温如何影响钢结构高强螺栓连接力学性能为研究点，从高温对钢材力学性能影响、高温对高强度螺栓力学性能影响、高温对钢结构高强螺栓连接力学性能影响三方面来进行了简单的讨论。
关键词：高温;钢材;高强螺栓连接;抗火性能
火灾是在指火在时间或者空间上失去控制，对周围自然环境或者建筑物造成损害的燃烧性灾害。它对建筑物的影响是人们不可忽视的;火灾的发生轻则引起财产损失，重则引起人员伤亡。在当今城市化急速的中国，建筑结构设计特别是钢结构设计应应对火灾的发生具有一定的安全储备，满足火灾发生时结构的抗火要求。在钢结构中，连接节点在发挥钢结构承载力，维持结构稳定性方面起着重要的作用。所以本文主要以钢结构高强螺栓连接作为研究点，从高温对钢材力学性能影响、高温对高强度螺栓力学性能影响、高温对钢结构高强螺栓连接力学性能影响三方面进行论述。
一、高温对钢材的力学性能影响
在土木领域及各类机械领域，钢材都属于不耐高温的一类材料，钢材的这种不耐高温的特性也决定了钢结构建筑对火灾及高温是十分敏感的。在美国911恐怖袭击事件中，纽约世界贸易中心在撞击后完全倒塌，其倒塌原因并非设计结构无法抵抗冲击倒塌，而是飞机撞击爆炸发生火灾，而世贸中心是钢结构建筑物，火灾和高温导致钢结构承载力下降，最终承载力不足而坍塌。所以研究钢结构钢材在高温下承载力受哪些因素影响是十分必要的。
对于大部分普通钢材，屈服点、抗拉强度和弹性模量等力学参数随着温度的升高而降低。温度变化存在阀值，大部分实验研究表明：200℃以下时，钢材的力学性能随温度变化很小，基本可视为不变;200℃以上时，变化比较明显，须要考虑高温对钢材的影响。弹性模量随着温度的升高，其值逐渐减小且减小速率逐渐增大。钢材的抗拉强度在200℃到250℃之间有回增趋势，在250℃左右达到区间峰值，之后强度下降。钢材伸缩率ρ先是随着温度增长逐渐减小，在200℃左右达到最低值，之后随着温度增加，值逐步增大，从常温到高温，其整体变化趋势呈波谷态，由此分析，钢材在200℃至250℃左右，受伸缩率相关性影响，钢材脆性逐渐增大。钢材表面出现蓝色的氧化膜，此现象被称为钢材的蓝脆现象。在福建某建筑專科学校对土木工程常用的Q235钢做过高温下力学特性研究，得出结论：600℃时，试件屈服强度仅为常温下测试值的20.8%，其降低值远远超出实际设计的安全储备，构件已经失效。弹性模量为常温下的17.41%。极限强度为常温下的23.4%。极限应变总体增大，极限应变为常温下的122.8%[1]。
二、高温对高强螺栓的力学性能影响
钢结构中节点的连接也是十分重要的一环，其连接的好坏直接影响了整个结构的承载能力。因此，研究钢结构节点处常用紧固件高强螺栓的高温力学性能是十分必要的。高强螺栓的常见失效模式分为两种：螺纹滑扣和螺栓杆颈缩。同普通钢材类似，高强螺栓也是属于钢材，但大部分高强螺栓是碳素钢，而大部分普通结构钢材是热轧钢，由于其钢材内部金相成分差异，如马氏体、奥氏体等，导致其高强螺栓在高温下受力性能变化同普通钢材存在差异。回火马氏体影响高强螺栓的强度和硬度，高温条件下，高强螺栓出现脱碳现象，回火马氏体含量减少，螺纹硬度减小。因此高温后的高强螺栓容易出现螺纹滑扣。高强螺栓表面的镀层在高温下也可能影响其力学性能，为了防止紧固件氧化，常常在高强螺栓表面镀层如镀锌。导致高强螺栓发生氢脆变、使螺纹有效面积减少。在高温条件下极易使高强螺栓发生螺纹脱落导致破坏。同时高强螺栓的生产工艺和构件公差等级对其力学性能影响也不可忽略[2]。李国强、殷颖智等对10.9级高强螺栓从材料层面进行了力学性能分析，得到了高强螺栓材料20MnTiB钢材在不同温度下的应力—应变曲线，将曲线进行数学拟合，得到20MnTiB钢材的主要力学性能指标随温度变化的规律。同时，他还研究了不同温度下的20MnTiB钢材的热膨胀系数，也通过数学拟合得到了关于温度与热膨胀系数两因素之间的经验公式[3]。
三、高温对钢结构高强螺栓连接力学性能影响
钢结构中结构钢材和高强螺栓在高温条件下力学性能都有独特的变化特征。实际工程中，螺栓与钢材往往都是共同作用。因此，研究高温条件下钢结构与高强螺栓整体连接的力学性能是了解钢结构实际高温条件下力学行为的关键。
在国外，英国的 Kirby B R教授利用8 .8级高强度螺栓进行了高温下的抗拉、抗剪试验，发现在300℃到700℃之间，螺栓的抗拉强度、抗剪强度下降较为明显，并继续研究分析得出了螺栓连接在高温下拉伸和剪切极限强度的折减系数。在国内，王小平通过试验研究了8 .8级高强度螺栓高温下连接特性，发现随温度升高，螺栓连接抗拉强度和抗剪强度总体上呈现下降趋势，在某些温度区间存在平台效应，在此基础上得到了温度与螺栓连接承载力的内部相关关系。[4]范圣刚等研究了10.9级M20扭剪型高强度螺栓的受剪连接抗火性能，为便于实验开展，使用稳态升温实验，设置了5个温度点，得到了高温下与常温下极限荷载与滑移荷载的折减系数，并从实验中发现，螺栓连接破坏模式是摩擦型向承压型转变，最后破坏。为研究过火后螺栓受剪连接性能，设置了常温实验，通过改变过火温度、采用自然冷却和泼水冷却两种冷却方式、采用整体过火和局部过火两种过火处理方法做对比研究，总结出了以上因素在螺栓滑移荷载方面的影响[5]。
四、结语
钢结构是土木工程领域中抗高温、抗火要求最为严格的一种结构种类，但火灾和高温对钢结构的影响作用十分复杂，目前对这种影响是如何作用于钢结构的研究仍还处于起步阶段，还需要大量的实验和理论研究。
参考文献：
[1]陈华. 高强度螺栓连接在高温环境下受力性能的试验研究[D].武汉理工大学，2003.
[2]胡鹰. 高强螺栓抗火性能的研究概述[A].第23届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册），2014：5.
[3]李国强，李明菲，殷颖智，蒋首超.高温下高强度螺栓20 MnTiB钢的材料性能试验研究[J].土木工程学报，2001（05）：100-104.
[4]王小平，胡春宇，陈华.高强度螺栓连接在高温下极限承载力的试验研究[J].钢结构，2005（03）：89-91.
[5]范圣刚，舒赣平，霍昌盛.高强度螺栓受剪连接抗火性能试验研究[J].东南大学学报（自然科学版），2012，42（06）：1180-1186.
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