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《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 AbstractFriction-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。

三维钻用于 H 型钢、箱型柱端部钻孔；高强螺栓孔严禁现场气割扩孔，扩孔会破坏孔壁金相，降低节点疲劳性能。

抗滑移系数是高强螺栓连接关键指标，喷砂、抛丸处理的摩擦面不得涂刷油漆、沾染油污，否则会直接降低节点承载力。

   扭剪型高强螺栓终拧以拧断梅花头为标志，但梅花头拧断不等于合格，需要同步核查扭矩系数与连接板抗滑移系数。

高强螺栓分 8.8 级、10.9 级；10.9 级分扭剪型、大六角；刚接梁柱节点优先 10.9 级，普通螺栓严禁用于主结构受剪节点。

高强螺栓安装顺序：从节点中心向四周扩散拧紧；分初拧、终拧两步完成，禁止一步直接拧到终拧扭矩。

厂房运维维保，除了检查锈蚀，还要定期复查高强螺栓扭矩，动荷载厂房螺栓会出现应力松弛。

高强螺栓属于钢结构核心主材而非普通辅材；8.8/10.9 级不可混用，主结构受剪节点严禁使用普通 C 级螺栓替代。

一、概述钢结构摩擦型连接主流采用两类 10.9 级高强度螺栓：大六角头高强度螺栓、扭剪型高强度螺栓。行业经常争论二者产品标准严苛程度、施工管控难度，本文结合现行国标《GB/T 1231-2024》《GB/T 3632》及《钢结构高强度螺栓连接技术标准》系统对比，厘清技术指标、施工、验收差异。二、基础组成与执行标准1. 连接副构成差异大六角头高强螺栓（GB/T 1231）一套包含：1 根螺栓 + 1 个螺母 +2 片垫圈；性能等级覆盖 8.8S、10.9S。扭剪型高强螺栓（GB/T 3632）一套包含：1 根扭剪螺栓 + 1 个螺母 +1 片垫圈；仅生产 10.9S 单一等级。2. 螺栓长度计算区别终拧后统一要求外露丝扣 2～3 扣；长度计算公式中，垫圈数量直接影响附加长度取值，两类螺栓不可混用长度计算参数。三、产品出厂核心技术指标对比（关键严苛度判定）1. 大六角螺栓：控制指标为扭矩系数GB/T 1231-2024 规定：扭矩系数平均值 0.110～0.150，扭矩系数变异系数≤0.077。扭矩系数直接决定现场预拉力精准度，出厂管控区间窄、波动限值低，产品制造公差约束严格。2. 扭剪型螺栓：控制指标为紧固轴力（预拉力）无扭矩系数指标，直接限定各规格螺栓紧固轴力上下限与标准偏差，换算变异系数区间 0.082～0.10，整体波动允许范围大于大六角螺栓。数据对比结论：单纯从出厂产品指标来看，大六角头高强螺栓制造技术要求更严苛。各规格扭剪型紧固轴力控制标准公称直径最小紧固轴力 (kN)最大紧固轴力 (kN)允许标准偏差 (kN)M16100121≤10.0M20155187≤15.4M22190231≤19.0M24225270≤22.5M27290351≤29.0M30355430≤35.4四、现场施工工艺对比1. 拧紧工序两类螺栓统一执行：初拧→（大型节点增设复拧）→终拧；初拧扭矩取终拧扭矩 50% 左右。2. 施工工具与终拧原理大六角螺栓：使用定扭矩扳手，依靠扭矩系数计算终拧扭矩；人为操作、扳手精度、环境温度都会影响预拉力，对施工人员技术水平、工具校准要求高。扭剪型螺栓：专用扭剪电动扳手；依靠尾部梅花头剪切断裂判定预拉力达标，人为干扰小，操作门槛更低。特殊工况：空间狭窄无法使用专用扭剪扳手时，扭剪螺栓可改用扭矩法终拧，扭矩系数取 0.13。五、质量验收判定标准扭剪型螺栓常规验收：目测螺栓尾部梅花头完全拧断即为合格，直观高效；未拧断梅花头的螺栓，需按扭矩法复检，单独记录归档。大六角头螺栓无直观合格标识，终拧 1h～24h 内必须采用 “松 - 紧复位法” 抽样复测扭矩，节点抽查比例高，检测流程繁琐，验收工作量更大。六、设计与工程选用建议大型桥梁、一级安全等级钢结构、高精度严控项目优先选用大六角螺栓：产品出厂指标约束更严格，配套扭矩复检体系，可完整追溯预拉力数据，适合高重要性结构。普通厂房、多层装配式钢构、大批量标准节点优先选用扭剪型螺栓：施工操作简单、验收直观，大幅降低人工技术门槛，提升安装效率；仅限制 10.9S 等级，无 8.8S 规格可选。补充注意事项两类螺栓垫圈数量不同，采购、下料、施工不可混用；设计内力计算公式完全通用，仅施工、验收、产品检测标准区分；进场材料均需做见证复验：大六角复验扭矩系数，扭剪型复验紧固轴力。七、总结产品制造层面：大六角头高强螺栓扭矩系数变异系数限值更小，出厂技术管控标准更高；现场施工层面：扭剪型操作简单、人为误差小，对施工人员技术要求更低；验收管控层面：扭剪型以梅花头断裂直观判定，检测成本更低；大六角必须扭矩抽样复检，管控流程更复杂。项目选型不能单纯判定 “哪种更好”，需结合结构重要等级、施工班组技术水平、现场作业空间综合确定。

一、核心设计问题概述钢结构主次梁常规采用次梁腹板摩擦型高强螺栓铰接，工程设计高频疑问：节点计算时，除次梁传递剪力外，是否需要计入偏心弯矩？H 型钢主梁自身扭转刚度偏弱，次梁支座反力作用点与螺栓群形心存在偏心距，天然产生附加扭矩与弯矩，直接影响高强螺栓、主梁腹板、加劲肋承载力验算，需结合规范、楼盖构造分情况判定。二、无混凝土组合楼板：必须计算偏心弯矩1. 规范依据1）《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015 第 8.3.9 条梁腹板铰接高强螺栓除承受梁端剪力 V，必须同步验算偏心弯矩，计算公式：M=V⋅ee 为次梁支座合力作用点至螺栓群中心的偏心距。2）《轻型钢结构技术规程》DG/TJ 08-2089-2012轻型厂房主次梁铰接节点，偏心连接产生附加弯矩，简易算法可将次梁剪力乘以 1.3 放大验算；无楼板约束工况不得忽略偏心效应。3）《钢结构连接节点设计手册（第 5 版）》纯钢主次梁摩擦型高强螺栓连接，统一采用剪力 + 偏心弯矩共同作用验算逻辑，不简化仅按纯剪力计算。2. 受力逻辑无现浇楼板约束时，次梁端部转动无约束，支座反力偏心带来的弯矩全部由腹板螺栓承担，易出现螺栓抗剪不足、主梁腹板局部扭转失稳，大跨度次梁、多排螺栓节点风险更高。三、带现浇混凝土组合楼板：可不计偏心弯矩1. 规范豁免条件（JGJ 99-2015）当楼板满足以下全部要求，主次梁节点可忽略偏心弯矩，仅按纯剪力计算螺栓：采用现浇钢筋混凝土楼板将主梁、次梁整体浇筑形成组合楼盖；压型钢板组合楼板：混凝土面层厚度≥80mm；混凝土楼板形成刚性约束，限制次梁端部转动，抵消偏心产生的附加弯矩。2. 补充豁免工况主梁在主次梁节点位置增设下翼缘水平侧向约束、加厚横向加劲肋等抗扭构造，大幅提升主梁扭转刚度，经结构复核后也可忽略偏心弯矩。3. 工程实操建议小跨度次梁 + 完整现浇楼板：直接仅验算剪力；大跨度次梁、大开间厂房、楼板开洞较多区域：建议保守计入偏心弯矩或放大剪力系数；仅铺压型钢板、无后浇混凝土面层：不满足豁免条件，仍需计算偏心弯矩。四、四类主流主次梁铰接构造偏心特性对比主次梁铰接通用构造均为次梁上下翼缘不与主梁连接，仅腹板通过连接板 / 角钢栓接，不同形式偏心距、施工难度差异明显：双角钢铰接式偏心距小，螺栓双剪承载力高；缺点：次梁端部需工厂切割加工，适合标准化预制构件。腹板深入式偏心极小，受力最优；次梁端部需裁割，加工成本偏高。宽加劲肋式偏心距偏大，附加弯矩更高；优势：次梁端部无需二次加工，同时可为主梁提供侧向支撑，厂房大荷载楼面常用。双连接板式偏心适中，螺栓双剪受力稳定；次梁端部几乎不用裁切，现场装配效率高。五、配套计算参考规范《钢骨混凝土结构设计规程》YB 9082-2006 7.3.5 条：适用于钢梁与混凝土预埋件铰接节点的弯矩、剪力组合验算；预埋件同步承受偏心弯矩，无楼板约束时需同步加强锚栓、锚固钢板。六、设计总结纯钢楼面、无完整现浇混凝土约束：强制计算偏心弯矩 M=V・e，不可简化；满足 80mm 及以上现浇组合楼板完整约束：可不计偏心弯矩，仅验算剪力；宽加劲肋、大跨度次梁、楼板大面积开洞项目，建议保守考虑偏心效应，避免节点承载力不足；不同铰接构造偏心距不同，选型时优先选用偏心更小的双角钢、腹板内插构造，降低螺栓用量。