多層預(yù)拼裝鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特殊連接螺栓抗剪性能試驗(yàn)研究

張 齊 張其林 丁 娟

（同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092）

多層預(yù)拼裝鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特殊連接螺栓抗剪性能試驗(yàn)研究

張 齊*張其林 丁 娟

（同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092）

某新型多層預(yù)拼裝鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用了鋼板自攻螺紋螺栓連接形式，超出現(xiàn)行規(guī)范中連接類型，需進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行論證，針對(duì)工程常用6種規(guī)格高強(qiáng)螺栓自攻螺紋連接進(jìn)行了單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)，研究了此種連接的抗剪破壞模式，并依據(jù)摩擦型高強(qiáng)螺栓及承壓型高強(qiáng)螺栓不同的設(shè)計(jì)假定確定兩種情況下的極限承載力，與規(guī)范要求承載力設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對(duì)，為該種新型螺栓連接提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

高強(qiáng)螺栓，破壞模式，抗剪承載力，性能試驗(yàn)

1 引 言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑［1］就是用預(yù)制的鋼構(gòu)件在工地裝配而成的建筑。這種建筑的優(yōu)點(diǎn)是建造速度快，受氣候條件制約小，節(jié)約勞動(dòng)力并可提高建筑質(zhì)量。隨著建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系所用的連接形式主要有焊接、普通螺栓、薄壁型鋼用自攻螺釘?shù)龋?］。

某新型多層預(yù)拼裝鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用鋼板自攻螺紋高強(qiáng)螺栓連接形式，現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中未包含該類連接類型，必須進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，以獲得其相關(guān)性能。

高強(qiáng)螺栓在使用過(guò)程中需要保證一定的預(yù)緊力，自攻螺紋高強(qiáng)螺栓連接由高強(qiáng)螺桿與Q345B鋼板的自攻螺紋組成，此種連接的一般形式及與普通螺栓連接的對(duì)比如圖1所示。螺栓作為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接件，有必要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)此種連接的剪切荷載承載能力進(jìn)行論證。螺栓的抗剪試驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)試件施加靜拉力直至試件破壞，以研究該種螺栓連接剪力作用下的破壞形式，并測(cè)定試件的極限承載力，為該種螺栓連接提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)為單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)。試件由M20 8.8s級(jí)連接螺栓、試驗(yàn)螺栓、試驗(yàn)用墊板和帶有自攻螺紋的鋼板組成。試驗(yàn)螺栓選用實(shí)際工程常用的6種規(guī)格高強(qiáng)螺栓（M16，M20，M22，M24，M27，M30），自攻螺紋鋼板及墊板材質(zhì)為Q345B。板件尺寸設(shè)計(jì)參照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的螺栓板端矩、板厚。試件示意圖及設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)試件尺寸見(jiàn)表1。

圖2 試件及試驗(yàn)裝置示意圖（單位：mm）Fig.2 Test loading equipment and test specimen（Unit：mm）

表1 試件尺寸表Table 1 Dimensions of test specimens

2.2 試驗(yàn)裝置和加載制度

試件由M20 8.8s級(jí)連接螺栓、試驗(yàn)螺栓、試驗(yàn)用墊板和帶有自攻螺紋的鋼板組成，試驗(yàn)時(shí)將試件按照?qǐng)D2所示現(xiàn)場(chǎng)拼裝，拼裝完畢后將試件安放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)內(nèi)。正式試驗(yàn)時(shí)每種規(guī)格螺栓做6組實(shí)驗(yàn)，其中，1－3組試件試驗(yàn)螺栓施加預(yù)緊力，4－6組試件試驗(yàn)螺栓不施加預(yù)緊力，預(yù)緊力施加通過(guò)扭矩扳手實(shí)現(xiàn)，扭矩扳手施工扭矩參照表2數(shù)值，表2中螺栓扭矩為德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［3］測(cè)定螺栓達(dá)到屈服極限70%時(shí)測(cè)得的扭矩，建議鎖緊力矩為螺栓扭矩的70%～80%。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

表2 螺栓扭矩表Table 2 Bolting required tightening torque

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test equipment

在正式加載開(kāi)始之前，首先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載值為設(shè)計(jì)荷載的5%。當(dāng)螺栓孔完全閉合，同時(shí)加載設(shè)備和測(cè)試儀器均正常時(shí)，卸載至0。然后施加單調(diào)荷載，屈服點(diǎn)之前控制加載速率為10 MPa／s，屈服之后加載速率控制在1.5 mm／min，直至試件發(fā)生破壞或者承載力顯著下降［4］。

2.3 量測(cè)內(nèi)容及方法

單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)中需要觀測(cè)自攻螺紋連接承受剪力作用下的破壞模式，記錄試件破壞時(shí)的荷載，量測(cè)連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域剪切變形隨荷載變化情況。

連接節(jié)點(diǎn)的位移測(cè)點(diǎn)布置情況如圖4所示，通過(guò)圖4所示兩個(gè)位移計(jì)的差值可以得到試件剪切面兩側(cè)的相對(duì)位移。試件的極限承載力可以通過(guò)試驗(yàn)機(jī)直接得到，破壞模式通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程觀察得到。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Measurement point layout

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 破壞模式

Winter［5］將螺栓抗剪連接的破壞模式歸納為以下四種：端部撕裂、孔壁承壓破壞、凈截面拉斷和螺栓剪斷。本試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)中采用的鋼板尺寸避免了試驗(yàn)過(guò)程中鋼板的破壞，所以試驗(yàn)中只觀察到螺桿發(fā)生破壞。所有試件的破壞模式均為螺桿剪斷。破壞模式如圖5所示。

圖5 破壞模式Fig.5 Failuremode

3.2 極限承載力

高強(qiáng)螺栓連接是通過(guò)施加預(yù)緊力把連接板的板件夾緊，產(chǎn)生摩擦力，以提高連接的整體性和剛度。工廠出廠的高強(qiáng)螺栓本身是沒(méi)有承壓型與摩擦型之分的，只是根據(jù)使用中采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不同而劃分，雖然是同一種螺栓，但是在計(jì)算方法、要求、適用范圍等方面都有很大的不同。按照設(shè)計(jì)和受力要求的不同，可分為摩擦型連接和承壓型連接兩種［6］。

在抗剪設(shè)計(jì)時(shí)，高強(qiáng)螺栓摩擦型連接是保證連接在整個(gè)使用期內(nèi)的外剪力不超過(guò)最大摩擦力，即以外剪力達(dá)到構(gòu)件接觸面間由螺栓預(yù)緊力所提供的可能最大摩擦力作為極限狀態(tài)。螺栓桿和孔壁間一直保持原有的孔隙，板件間不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移變形，被連接板件按彈性整體受力。而承壓型連接中是允許外剪力超過(guò)最大摩擦力的，這時(shí)被連接的板件間發(fā)生相對(duì)滑移變形，直到螺栓桿與孔壁接觸，然后依靠螺栓桿身剪切和孔壁承壓以及板件接觸面間的摩擦力共同傳力，最后以桿身剪切或孔壁承壓破壞作為受剪連接的極限狀態(tài)。摩擦型高強(qiáng)螺栓和承壓型高強(qiáng)螺栓極限狀態(tài)示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 摩擦型高強(qiáng)螺栓和承壓型高強(qiáng)螺栓極限狀態(tài)示意圖Fig.6 Working principle of friction type high-strength bolts and bearing high-strength bolts

在本試驗(yàn)中得到的試件最終破壞極限荷載與承壓型高強(qiáng)螺栓設(shè)計(jì)假定的極限狀態(tài)一致，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）［7］給出的承壓型高強(qiáng)螺栓抗剪設(shè)計(jì)公式：

式中， nv——受剪面數(shù)目；

值；

∑t——在不同受力方向中一個(gè)受力方

式中，de為有螺紋螺桿處有效直徑。

表3、表4為試驗(yàn)得到的試件極限承載力以及依據(jù)上述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范給出的極限承載力設(shè)計(jì)公式得到的規(guī)范設(shè)計(jì)值匯總表。此兩表中的極限承載力指試件加載過(guò)程中所達(dá)到過(guò)的承載力最大值。

向承壓構(gòu)件總厚度的較小值。

需要注意的是，若剪切發(fā)生在螺紋處，則

表3 施加預(yù)緊力試件極限承載力（承壓型）匯總表Table 3 Test results of prestressed specimens（bearing type bolts）

表4 未施加預(yù)緊力試件極限承載力（承壓型）匯總表Tab le 4 Test results of unprestressed specimens（bearing type bolts）

3.2 荷載位移曲線

本試驗(yàn)共進(jìn)行六種規(guī)格螺栓的抗剪試驗(yàn)，每種規(guī)格螺栓進(jìn)行六組試驗(yàn)，其中，1－3組試件試驗(yàn)螺栓施加預(yù)緊力，4－6組試件試驗(yàn)螺栓不施加預(yù)緊力，預(yù)緊力施加通過(guò)扭矩扳手以一定的施工扭矩施加。

試驗(yàn)得到的荷載位移曲線如圖7所示，其中位移為由圖4所示位移計(jì)布置計(jì)算得到的試件剪切變形。

圖7 荷載-位移曲線Fig.7 Loading-displacement curve

通過(guò)觀察荷載位移曲線可以得到以下結(jié)論：

（1）施加預(yù)緊力的組別荷載位移曲線呈現(xiàn)如圖6所示的典型高強(qiáng)螺栓正常工作狀態(tài)荷載位移曲線。首先隨著荷載增大兩板件相對(duì)位移呈線性增長(zhǎng)，且變化較為緩慢，此階段剪力由摩擦面摩擦力承受，當(dāng)外剪力作用大于摩擦面靜摩擦力作用時(shí)，板件發(fā)生相對(duì)滑移，此時(shí)荷載位移曲線出現(xiàn)水平突變段，此后進(jìn)入承壓工作狀態(tài)，剪力靠螺栓桿身剪切和孔壁承壓以及板件接觸面間的摩擦力共同承受。

（2）未施加預(yù)緊力的組別荷載位移曲線出現(xiàn)兩種狀態(tài)，一種是荷載位移曲線平滑上升達(dá)到最高點(diǎn)然后平滑下降，如圖7（c）中曲線4所示，另一種同施加預(yù)緊力組別的曲線形狀一致，但是位移出現(xiàn)突變時(shí)的荷載水平較低，如圖7（e）中的曲線4、曲線5所示。這是因?yàn)殡m然未通過(guò)扭矩扳手施加預(yù)緊力，但是在普通扳手固定過(guò)程中螺栓同樣會(huì)對(duì)板件產(chǎn)生較低的預(yù)緊力，因而在實(shí)際受力過(guò)程中也分為摩擦階段和承壓階段兩階段，但是相比于施加預(yù)緊力的組別摩擦階段不明顯。

對(duì)于摩擦階段與承壓階段的劃分點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范給出的計(jì)算公式如下：

式中， nf——傳力摩擦面數(shù)目；

μ——摩擦面的抗滑移系數(shù)；

P——高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力。

對(duì)于本試驗(yàn)，傳力摩擦面數(shù)目為1，摩擦面抗滑移系數(shù)依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取值為0.30，高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力取值依照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，具體取值如表5所示，試驗(yàn)時(shí)施加的施工扭矩依照表2取值選取。計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)值匯總見(jiàn)表5所示。由此表可以得出如下結(jié)論：試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)具有較大的離散性，并且對(duì)于M22，M24，M30試件試驗(yàn)得到的平均值小于理論值，這是因?yàn)榕ぞ胤ㄊ┕け旧砭哂休^大的離散型，對(duì)于不同批次螺栓具有不同的且離散性較大的扭緊力矩K值，而預(yù)緊力P＝T／Kd，因而通過(guò)扭矩法施工最終得到的預(yù)緊力數(shù)值離散性較大，而理論值計(jì)算過(guò)程中使用的預(yù)緊力為規(guī)范規(guī)定預(yù)緊力，并且實(shí)際摩擦面滑移系數(shù)同理論值計(jì)算使用的0.3會(huì)有所差別。

表5 試件極限承載力（摩擦型）匯總表Table 5 Test results（friction type bolts）

3.4 分析與討論

試驗(yàn)中所有試件的破壞方式均為螺桿剪斷，這說(shuō)明依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的端距、板厚進(jìn)行新型螺栓連接的板件設(shè)計(jì)可以有效地防止端部撕裂、孔壁承壓破壞以及板件凈截面拉壞等板件破壞方式，充分利用高強(qiáng)螺栓的強(qiáng)度，達(dá)到較好的連接效果。

試驗(yàn)中不同規(guī)格的螺栓分別進(jìn)行了施加預(yù)緊力與不施加預(yù)緊力的試驗(yàn)，施加預(yù)緊力的試驗(yàn)組別的荷載位移曲線為典型的高強(qiáng)螺栓工作狀態(tài)荷載位移曲線（圖6）。荷載位移曲線存在明顯的滑移段，滑移之后螺栓桿與孔壁接觸，通過(guò)孔壁承壓的方式傳遞剪力。無(wú)論是施加預(yù)緊力的組別還是未施加預(yù)緊力的組別，最終破壞形式均為螺桿剪斷，且對(duì)于同樣規(guī)格的螺栓，是否施加預(yù)緊力對(duì)螺桿剪斷時(shí)的極限承載力影響較小。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，摩擦型高強(qiáng)螺栓是將滑移段出現(xiàn)作為極限狀態(tài)，承壓型高強(qiáng)螺栓是將承壓破壞出現(xiàn)作為極限狀態(tài)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定數(shù)值與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于承壓型及摩擦型設(shè)計(jì)承載力的比較發(fā)現(xiàn)，此種新型螺栓作為承壓型高強(qiáng)螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì)是可以滿足設(shè)計(jì)要求，若將其作為摩擦型高強(qiáng)螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

（1）在鋼板端矩、厚度滿足一定要求的情況下，此種利用鋼板自攻螺紋及高強(qiáng)螺桿組成的新型連接形式在承受剪力時(shí)最終破壞模式為螺桿剪斷，可以充分發(fā)揮高強(qiáng)螺栓的承載能力。

（2）若作為承壓型高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種連接在本文研究范圍內(nèi)可以滿足規(guī)范的要求，若依照摩擦型高強(qiáng)螺栓的設(shè)計(jì)假定，將此種連接作為摩擦型高強(qiáng)螺栓連接進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種連接在本文研究范圍內(nèi)得到的數(shù)據(jù)具有一定的離散型，且部分規(guī)格試件極限承載力小于規(guī)范設(shè)計(jì)值。

［1］ 匡志平，方旭，李檢保.住宅產(chǎn)業(yè)化在中國(guó)的發(fā)展［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2013，03：164-169.Kuang Zhiping，F(xiàn)ang Xu，Li Jianbao.Developing of the housing industrialization in China［J］，Structural Engineers，2013，03：164-169.（in Chinese）

［2］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JG／T 182—2005低層輕型鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅技術(shù)要求［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JG／T 182—2005 Technical Requirements for low-rise assembled residential buildings with lightweight steel framing［S］.Beijing：China Planning Press，2005.（in Chinese）

［3］ Deutsches Institut für Normung e.V.DIN 931-70［S］.

［4］ 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社2012.Standardization Administration of the People’s Republic of China.GB／T 228.1—2010 Metallicmaterials-tensile testing-part1：method of test at room temperature［S］.Beijing：China Zhijian Publishing House，2012.（in Chinese）

［5］ Winter G.Tests on bolted connections in light gage steel［J］.Jonrnalof Structural Dvision-ASCE，ASCE，1956，82（2）：1-25.

［6］ 沈祖炎，陳揚(yáng)驥，陳以一.鋼結(jié)構(gòu)基本原理［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：258-272.Shen Zuyan，Chen Yangji，Chen Yiyi.The fundamental theory of steel structures［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，2005：258-272.（in Chinese）

［7］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50017-2003 Code for design of steel structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006.（in Chinese）

［8］ 石永久，潘斌，施剛，等.高強(qiáng)度鋼材螺栓連接抗剪性能試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2012，01：56-61.Shi Yongjiu，Pan Bin，ShiGang，etal.Experimental study on high strength steel-plated bolt connections under shear force［J］.Industrial Construction，2012，01：56-61.（in Chinese）

［9］ 李炳生，湯海林，張其林.結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與加載檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2011，S1：69-75.Li Binsheng，Tang Hailin，Zhang Qilin.Development and application ofmeasuring and testing technology in structure loading test［J］.Structural Engineers，2011，S1：69-75.（in Chinese）

Experimental Study on a New Bolt Connnection Used in M utti-story Fabricated Steel Structure

ZHANG Qi*ZHANG Qilin， DING Juan（Department of Structural Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

A new kind of bolt connection consisted of self-tapping steel plate and high strength bolt will be used in amultistory fabricated steel structure system.But there are no regulations on such kind of bolted connection.Therefore，extensive experimental research on bolted connection was taken.The objective of the research was to determine the ductility and resistance of such connection.The failuremode of bolted connections could be observed in the test.The ultimate bearing capacities of friction type high-strength bolt and bearing type high-strength boltare different due to different design provisions and both bearing capacitieswere dotained in this experiment.The ultimate bearing capacitieswere compared with that predicted by the current connection provisions specified in china steel design standards.

high strength bolt，failuremode，shear resistance，experimental study

2013－10－31

*聯(lián)系作者，Email：zhangqi2.66＠163.com