H型钢加强螺纹锚固单边螺栓连接钢管节点的抗火性能研究

文献概况与核心观点

该文献由中建八局第二建设有限公司与山东大学等机构合作完成，发表于2025年《建筑结构》期刊。文章针对螺纹锚固单边螺栓连接钢管节点在火灾高温下的受拉性能进行了试验研究，并分析了H型钢内部加强件的效果。核心结论包括：节点存在两种破坏模式（钢管屈服破坏与T型板翼缘屈服伴随螺栓破坏）；H型钢加强可有效约束钢管面外变形，提升高温承载性能；节点破坏模式不随温度变化，表明其抗火性能稳定。该研究为钢管结构中单边螺栓连接节点的抗火设计提供了重要依据。

技术要点解读

单边螺栓连接节点的工程背景

在钢管结构中，传统螺栓连接需要从管壁两侧操作，对于封闭截面（如方钢管、圆钢管），内部操作空间受限。单边螺栓（如Hollo-Bolt、Lindapter等）可从管外一侧安装，通过螺纹锚固或膨胀机制实现紧固，解决了封闭截面连接的难题。但这类节点在高温下的性能尚缺乏系统研究。文献中采用的螺纹锚固单边螺栓，其工作原理是通过螺栓旋转使套筒膨胀，压紧管壁内表面，从而提供抗拔力。

H型钢加强机理

在钢管内部设置H型钢，相当于在节点区域增加了内部加劲肋。其作用机制包括：

1. 约束面外变形：单边螺栓受拉时，钢管壁会产生面外弯曲变形（即管壁鼓包），这会降低节点的刚度和承载力。H型钢的翼缘和腹板可限制管壁的向外位移，将荷载更均匀地传递给整个截面。
2. 改变传力路径：H型钢将螺栓拉力直接传递到钢管相对的两侧管壁，避免了局部应力集中，从而提升了节点的整体承载能力。
3. 热传导效应：在火灾高温下，H型钢可起到散热和热屏蔽作用，减缓螺栓区域温度升高速度，但文献未详细讨论这一效应。

抗火性能的关键参数

工程实践启示

设计建议

1. 管壁厚度与H型钢匹配：当钢管柱壁厚度较薄（如t≤8 mm）时，单边螺栓节点易发生管壁屈服破坏，此时H型钢加强效果最显著。建议H型钢翼缘厚度不小于管壁厚度的1.5倍，且H型钢应焊接或机械固定在管内预定位置。
2. 火灾下设计承载力：基于文献结果，H型钢加强节点在500 ℃时的承载力约为常温的70%，600 ℃时约为60%。设计时可参考EC3 Part 1.2的折减系数，但建议对单边螺栓节点采用更保守的折减（如乘以0.9的安全系数）。
3. 破坏模式的工程意义：加强后节点破坏模式转变为T型板翼缘屈服，这是一种延性破坏，具有明显的变形预警。这对于抗震和抗火设计是有利的，避免了脆性断裂风险。但需确保T型板与螺栓的强度匹配，防止螺栓先于翼缘断裂。

施工与检测注意事项

• H型钢在管内安装时，需确保其与管壁紧密贴合，必要时可采用灌浆或焊接填充空隙。
• 单边螺栓的安装扭矩应严格按照厂家要求控制，过小会导致预紧力不足，过大可能损坏螺纹或导致管壁局部变形。
• 火灾后检测中，应重点检查螺栓的螺纹状态和T型板的塑性变形量，以判断节点是否可继续使用。

总结

该文献通过系统的试验研究，证明了H型钢加强是提升单边螺栓连接钢管节点抗火性能的有效措施，其核心在于约束管壁面外变形和改变破坏模式。研究还揭示了节点破坏模式的温度稳定性，为工程应用提供了可靠依据。作为结构工程师，我们应认识到单边螺栓节点在高温下的脆弱性，并积极采用内部加劲措施来弥补。未来研究可进一步考虑H型钢与螺栓之间的热相互作用，以及火灾后节点的残余承载力评估。该成果对推广单边螺栓连接在钢结构中的应用具有重要参考价值。