《火灾后摩擦型高强螺栓连接抗滑移系数变化规律试验研究》

来源：《建筑钢结构进展》（Progress in Steel Building Structures）

中文标题：《火灾后摩擦型高强螺栓连接抗滑移系数变化规律试验研究》

英文标题：Experimental Study on the Variation Law of Anti-slip Coefficient of Friction-Type High-Strength Bolts after Fire

作者：张菊、赵东拂、刘育民、符演、熊海江

发表期刊：《建筑钢结构进展》

发表信息：2025年，第27卷第12期，第70—78页

DOI：10.13969/j.jzgjgjz.20240703002

作者单位：北京建筑大学土木与交通工程学院；北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室；中电投工程研究检测评定中心有限公司

基金项目：北京建筑大学研究生创新项目（PG2024029）

摘要

摩擦型高强螺栓连接是钢结构中最基本的连接形式之一，其承载力高度依赖于板件接触面的抗滑移系数。火灾高温作用后，接触面的摩擦特性是否发生退化、退化程度如何，直接关系到灾后钢结构的剩余承载力评定与修复决策。为研究火灾后摩擦型高强螺栓连接抗滑移系数的变化规律，设计由10.9级M20摩擦型高强螺栓与Q355B钢板组成的受剪试件，考察钢板表面处理方式（金属去毛刺打磨、喷砂）和加热温度（自然冷却后）对残余抗滑移系数及其折减系数的影响。试验结果表明：钢板表面处理方式显著影响火灾后连接的抗滑移系数，且这一影响随加热温度的升高而增大；相同温度条件下，喷砂表面处理的试件抗滑移系数高于金属去毛刺打磨试件；当加热温度不超过300 ℃时，高温自然冷却过程对抗滑移系数的影响较小，超过300 ℃后则表现出显著的提高作用，且对金属去毛刺打磨表面的提高幅度大于喷砂表面。基于试验数据，采用双折线模型对两类表面处理试件的抗滑移系数折减系数进行拟合，提出了相应的计算公式与拟合曲线，为火灾后摩擦型高强螺栓连接的剩余承载力评估提供了试验依据。

English Abstract

Friction-type high-strength bolted connections are among the most fundamental connection types in steel structures, and their load-carrying capacity depends heavily on the slip coefficient at the plate interface. After fire exposure, whether and to what extent the frictional characteristics of the contact surface degrade is directly relevant to post-fire residual capacity assessment and repair decisions. To investigate the variation law of the anti-slip coefficient of friction-type high-strength bolted connections after fire, shear specimens composed of 10.9-grade M20 friction-type high-strength bolts and Q355B steel plates were designed. The effects of steel plate surface treatment (metal deburring grinding and sandblasting) and heating temperature, followed by natural cooling, on the residual anti-slip coefficient and its reduction factor were examined. The results show that the surface treatment method significantly affects the post-fire anti-slip coefficient, and this effect becomes more pronounced as the heating temperature increases. Under the same temperature condition, specimens with sandblasted surfaces exhibit higher anti-slip coefficients than those with metal deburring grinding. When the heating temperature does not exceed 300 °C, the natural cooling process has a limited effect on the anti-slip coefficient; above 300 °C, however, a significant enhancing effect is observed, and the enhancement is greater for metal-deburring-ground surfaces than for sandblasted surfaces. Based on the test data, a bilinear model was used to fit the reduction factors of the anti-slip coefficient for both surface treatment types, and corresponding calculation formulas and fitting curves were proposed, providing an experimental basis for residual capacity assessment of friction-type high-strength bolted connections after fire.

研究背景

一、火灾后连接性能评估的现实需求

钢结构虽然具有优异的力学性能，但其导热系数大、高温下强度与刚度衰减迅速。建筑火灾发生后，结构往往并非立即整体失效，相当一部分工程存在“灾后评估—修复—继续使用”的现实路径。在这一过程中，连接节点的残余力学性能是决定修复可行性与安全裕度的关键环节。高强螺栓摩擦型连接凭借施工便捷、受力可靠、可拆卸更换等优势，在钢框架梁柱节点、支撑连接及各类装配式钢结构中应用极为广泛。然而，现有抗火研究与灾后评估方法多聚焦于钢构件本身的高温退化，对摩擦型连接在火灾冷却后的抗滑移性能关注不足，工程实践中往往直接沿用常温设计值或进行保守折减，缺乏试验支撑。

二、抗滑移系数的温度敏感性

抗滑移系数并非材料的固有常数，而是与接触面的微观形貌、表面处理工艺、氧化状态及法向预紧力密切相关的界面参数。火灾高温及随后的冷却过程会改变钢板表面的氧化层结构与粗糙度，理论上可能对抗滑移系数产生双向影响：一方面，高温氧化可能生成疏松锈层而降低摩擦；另一方面，冷却过程中的氧化与相变也可能使表面硬化或粗化，从而在某些条件下提高抗滑移能力。已有研究对高温后抗滑移系数的变化方向与幅度缺乏一致结论，尤其缺乏考虑表面处理方式差异的系统试验数据，难以支撑精细化的灾后评估。

三、本文的研究定位

基于上述不足，张菊等以工程中最常用的Q355B钢板与10.9级M20摩擦型高强螺栓为对象，设计受剪试件，系统考察金属去毛刺打磨与喷砂两种典型表面处理方式在不同加热温度自然冷却后的抗滑移系数变化，并拟合折减系数计算公式。该研究的价值在于将“火灾后连接剩余承载力”这一模糊概念落实到可量化的界面参数上，为灾后钢结构连接的检测评定与修复设计提供了直接的试验依据。

研究内容

（一）试件设计与试验方案

试件由10.9级M20摩擦型高强螺栓和Q355B钢板组成，以受剪方式加载。试验变量包括钢板表面处理方式（金属去毛刺打磨、喷砂）和加热温度。试件经历设定温度加热后自然冷却，再开展剪切试验，测定残余抗滑移系数。表面处理方式的选择具有明确的工程对应性：金属去毛刺打磨代表较为精细的机械加工面，喷砂则对应工程中更为常见的表面粗化处理。

（二）温度对残余抗滑移系数的影响规律

试验揭示了一个具有工程指导意义的阈值效应：当加热温度不超过300 ℃时，高温自然冷却过程对抗滑移系数的影响不大；超过300 ℃后，冷却过程对抗滑移系数产生显著的提高作用。这一规律表明，在火灾温度不超过300 ℃的场景下，灾后连接抗滑移性能可偏安全地参照常温取值；而当受火温度跨越300 ℃后，简单的“高温必导致性能退化”的判断并不成立，抗滑移系数反而可能因界面状态的改变而有所提高。这一发现对灾后评估中“一刀切”式的折减策略构成了修正。

（三）表面处理方式的影响

在相同温度条件下，喷砂表面处理试件的抗滑移系数高于金属去毛刺打磨试件，且表面处理方式的影响随加热温度的升高而增大。这意味着，在火灾后连接性能评估中，接触面的原始处理工艺不可被忽略。喷砂面在高温后仍保持相对较高的抗滑移能力，与其初始粗糙度较大、氧化后界面咬合作用仍较充分有关；而金属去毛刺打磨面在高温后的抗滑移系数虽然绝对水平较低，但其受高温冷却过程的相对提升幅度反而更大。

（四）折减系数计算公式的建立

基于试验数据，研究采用双折线模型对抗滑移系数的折减系数进行拟合，分别给出了金属去毛刺打磨和喷砂两种表面处理条件下折减系数的计算公式与拟合曲线。双折线模型以300 ℃为转折点，分段描述温度对抗滑移系数的差异化影响，形式简洁、便于工程查用，弥补了现行规范中缺乏火灾后摩擦型连接抗滑移系数折减规则的空白。

结论

（1）火灾后摩擦型高强螺栓连接的抗滑移系数并非单调退化。加热温度不超过300 ℃时自然冷却对抗滑移系数影响有限；超过300 ℃后，冷却过程对抗滑移系数表现出显著的提高作用。

（2）钢板表面处理方式是影响火灾后抗滑移系数的重要因素。相同温度下喷砂表面的抗滑移系数高于金属去毛刺打磨表面；高温对金属去毛刺打磨表面的提高幅度更大。

（3）基于双折线模型提出的抗滑移系数折减系数计算公式，可分别适用于金属去毛刺打磨和喷砂两种表面处理条件，为火灾后摩擦型高强螺栓连接的剩余承载力计算提供了可操作的定量工具。

（4）工程建议：在火灾后钢结构连接评估中，不宜直接套用常温抗滑移系数并按统一系数折减，应根据实际受火温度区间与接触面原始处理工艺，选用相应的折减关系；对于受火温度超过300 ℃的连接，若检测确认接触面状态未发生有害氧化剥落，可适当利用抗滑移系数不降反升的有利效应，但应以现场检测和专项论证为前提。