0 引言

　　近年来，Q460高强钢已在国内外多座建筑中得到成功应用，取得了良好的社会和经济效益^[1,2,3]。GB 50017—2017《钢结构设计标准》的实施，必将加大Q460高强钢的应用领域和范围^[4]。高强螺栓连接是钢结构最普遍的连接方式之一，作为钢结构基本组成部分，其对整体结构承载安全至关重要。石永久等^[5,6]、郭宏超等^[7,8,9,10]通过试验和数值模拟方法对Q460高强钢高强螺栓抗剪连接展开系统研究，为Q460高强钢的推广和应用提供了支撑。

　　随着建筑领域中高强钢逐步推广，高强钢钢结构抗高温性能的研究明显滞后于工程应用，高温作用后高强钢高强螺栓抗剪连接的承载性能直接关系到高强钢钢结构节点受力是否可靠，而节点的可靠程度直接关系到钢结构建筑在火灾后的承载性能^[11]。高温作用对普通钢材高强螺栓抗剪连接承载性能和破坏模式的影响极为复杂^[12,13,14]，高温作用不仅影响Q460高强钢^[15]和高强螺栓^[16]的力学性能，同时也会造成预紧力损失^[13,14]。火灾后普通钢材高强螺栓抗剪连接的抗拉、抗剪刚度和极限承载力随过火温度的升高均显著下降^[12,14]。因此，准确确定高温后高强钢高强螺栓抗剪连接的力学性能至关重要。

　　与试验研究方法相比，有限元分析具有研究成本低、效率高等优点。有限元在不同等级钢材高强螺栓抗剪连接承载性能研究方面得到广泛应用^[6,7,10,17]。基于Q460高强钢和高强螺栓不同高温作用后的力学参数，建立精细化三维有限元分析模型，结合常温下Q460高强钢高强螺栓抗剪试验^[9]，验证有限元模型的准确性和适用性，模拟了Q460高强钢高强螺栓抗剪连接在高温自然冷却后的受力性能，研究过火温度对抗剪连接承载性能和破坏模式的影响，研究结果可为Q460高强钢钢结构火灾后安全鉴定、加固修复提供参考。

　　1 有限元分析模型

　　计算模型几何尺寸如图1所示，端距、边距和螺栓间距符合GB 50017—2017《钢结构设计标准》相关规定，即端距≥2.0d₀(d₀为孔径)，边距≥1.5d₀，螺栓间距≥3.0d₀。盖板、芯板为Q460高强钢，螺栓为10.9级M20高强螺栓。

　　图1 试件尺寸  

　　采用有限元软件ABAQUS建立高强螺栓连接非线性模型。单元均采用三维八结点实体线性减缩积分单元(C3D8R)。高强螺栓连接中的接触主要有:盖板与芯板接触，螺栓与盖板上表面接触，螺栓与芯板、盖板孔壁接触。其中，切向采用库仑摩擦，用罚函数来计算，抗滑移系数为0.45，不考虑过火温度对抗滑移系数的影响;法向为硬接触。在螺栓中面利用Bolt Load命令施加螺栓预紧力^[17]。因模型具有对称性，仅取一半模型进行计算，有限元模型和网格划分如图2所示。

　　采用Von Mises屈服准则，高强螺栓材料本构采用双折线模型，Q460高强钢材料本构采用三折线模型，常温下相关参数如表1所示，常温试件螺栓预紧力为170k N。高温自然冷却后材料本构关系参数与螺栓预紧力折减系数如表2所示^[14,15,16]。

　　图2 有限元模型  

　　表1 本构关系参数取值 

　　表1 本构关系参数取值

　　表2 本构关系及预紧力折减系数 

　　表2 本构关系及预紧力折减系数

　　在大应变情况下，钢材发生颈缩后断口截面不断减小会严重影响真实的应力-应变关系，应变关系可通过式(1)～(2)进行修正。

　　2 有限元分析结果

　　2.1 荷载-位移曲线

　　常温试件与文献[9]中SPE-12采用了相同构造，常温试件荷载-位移曲线模拟结果与SPE-12具有相同的变化规律，证明了数值模型的正确性。由图3可知，高温自然冷却后，Q460高强钢高强螺栓抗剪连接在拉伸过程中一般仍具有4个阶段:摩擦承载阶段、滑移阶段、承压阶段和弹塑性阶段。随着过火温度升高，滑移荷载逐渐降低，直至过火温度为900℃时滑移荷载为0，无摩擦承载阶段，主要原因是随着过火温度的升高，螺栓预紧力逐渐降低引起摩擦力逐渐降低。由图4可知，当过火温度为300℃时，极限承载力较常温有所增加，增幅为4.12%，主要原因是该过火温度作用使Q460高强钢强度有所提升^[15];之后随着过火温度升高，极限承载力逐渐降低，当过火温度达900℃时，极限承载力仅为常温试件的54%。

　　图3 荷载-位移曲线 

　　图4 滑移荷载和极限荷载折减系数随过火温度变化曲线  

　　2.2 变形及破坏模式分析

　　过火温度作用后，试件拉伸后变形与破坏情况如图5所示，其他过火温度试件拉伸后有类似变形和破坏。常温试件与文献[9]中SPE-12有相同变形和破坏，数值模拟结果与试验结果较吻合。由图5可知，所有试件均在B2螺栓孔处发生芯板净截面拉断;螺栓孔B1周边区域尚处于弹性状态，端部螺栓孔B2及周边区域已发生明显塑性屈服，受力和变形量明显不同，端部螺栓受力远大于中部。

　　2.3 应力分布

　　芯板首次出现Mises应力最大值时，芯板Mises应力分布情况如图6所示。由图6可知，过火温度<500℃，由于预紧力降幅不大，摩擦力仍起作用，B1螺栓周围应力较小，由于芯板变形主要集中于B2螺栓孔处，其周围应力较大;随着过火温度的升高，预紧力下降明显，摩擦承载力降低显著，芯板滑移后，力主要由螺栓承载，两孔壁处应力均较大。由图7可知，当过火温度>300℃后，芯板最大Mises应力随着过火温度的升高而降低，当过火温度为900℃时，其仅为常温时的63.9%。

　　图5 变形及破坏模式 

　　图7 最大Mises应力与过火温度关系  

　　2.4 螺栓受力分析

　　由模拟分析可知，当过火温度<500℃时，由于预紧力的存在，加之试件端部和中部螺栓孔伸长量及荷载差异，螺栓B1,B2应力分布及大小存在较大差异;随着过火温度的升高，螺栓预紧力降低引起摩擦承载力降低，螺栓B1,B2共同承受芯板荷载，应力分布及大小类似。由图7可看出，过火温度<400℃时，螺栓最大Mises应力有一定增大;当过火温度>400℃后，螺栓最大Mises应力随着过火温度的升高而降低，当过火温度为900℃时，其值仅为常温时的58.6%。

　　图6 芯板Mises应力分布状态  

　　3 结语

　　1)高温自然冷却后，Q460高强钢高强螺栓抗剪连接的滑移荷载和极限荷载基本随着过火温度的升高而逐渐降低，当过火温度达900℃时，极限承载力仅为常温试件的54%;所有试件均在B2螺栓孔处发生芯板净截面拉断。

　　2)过火温度<500℃，芯板B1螺栓孔周围应力较小，B2螺栓孔周围应力较大;随着过火温度的增加，力主要由螺栓承受，两孔壁周围应力较大;芯板最大Mises应力随着过火温度的升高而降低。

　　3)过火温度<400℃时，螺栓B1,B2应力分布及大小存在较大差异，螺栓最大Mises应力较常温试件有一定增大;随着过火温度的升高，螺栓B1,B2共同承受芯板荷载，螺栓B1,B2应力分布和大小类似，螺栓最大Mises应力随着过火温度的升高而降低。