冷成型鋼龍骨-石膏板自攻螺釘連接低周往復(fù)荷載試驗(yàn)

陳 偉，陳勵緯，陳盛根，張翼東，蘇意然，劉 彬

(1.公安部天津消防研究所 建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300381； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116； 3.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096； 4.浙江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，浙江 杭州 311231)

0 引 言

冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)是天然的綠色與工業(yè)化建筑，它將冷成型鋼構(gòu)件相互連接形成輕鋼骨架，而后在輕鋼骨架上通過自攻螺釘連接覆面板材形成主體結(jié)構(gòu)。中國人口眾多，土地資源緊張，又是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，發(fā)展冷成型鋼房屋建筑符合中國基本國情[1]。

在冷成型鋼房屋建筑結(jié)構(gòu)中，覆面板材與型鋼龍骨之間的自攻螺釘連接方式對該類結(jié)構(gòu)的承載力、抗彎及抗側(cè)剛度均具有重要影響。已有研究大多針對輕鋼骨架同側(cè)單層覆板的自攻螺釘連接形式[2-11]，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，有必要在輕鋼骨架的同側(cè)采用雙層覆板的自攻螺釘連接構(gòu)造。然而，國內(nèi)外對于冷成型鋼-雙層覆板自攻螺釘連接抗剪性能研究明顯不足[12-13]。此外，中國現(xiàn)行《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[14]給出了冷成型鋼薄鋼板-薄鋼板自攻螺釘連接的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，但尚未給出冷成型鋼-覆面板材自攻螺釘連接的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。美國AISI規(guī)范[15]雖然給出了部分冷成型鋼-覆面板材自攻螺釘連接的抗剪強(qiáng)度建議值，但仍未完善。

鑒于此，本文展開冷成型鋼-石膏板自攻螺釘連接抗剪試驗(yàn)研究，論證了試驗(yàn)方案合理性，進(jìn)而考察螺釘邊距和覆板層數(shù)對自攻螺釘連接抗剪強(qiáng)度的影響，并提出了相應(yīng)計(jì)算公式，以供設(shè)計(jì)參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)試件的組成材料包括12.5 mm厚防火石膏板、1.2 mm厚Q345冷成型鋼龍骨以及公稱直徑4.2 mm的沉頭自攻自鉆螺釘。國內(nèi)外已有冷成型鋼-建筑板材自攻螺釘連接抗剪性能研究主要采用以下2種試驗(yàn)方案：①多螺釘雙剪連接試驗(yàn)方案(圖1)；②單螺釘單剪連接試驗(yàn)方案(圖2)[12]。

在上述方案中，方案①更接近自攻螺釘在冷成型鋼結(jié)構(gòu)中的實(shí)際受力狀態(tài)，但試件制作較為復(fù)雜，加工精度較難保證。相比之下，方案②優(yōu)勢在于試件制作簡單，然而，方案②試件在試驗(yàn)中偏心受載，由此導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。本文將方案①進(jìn)行優(yōu)化，即試件的一端規(guī)定為試驗(yàn)端，對稱布置4顆自攻螺釘，試件的另一端為固定端，對稱布置16顆自攻螺釘，兩側(cè)型鋼龍骨再通過6處螺栓固定在加載用的鋼板上(圖3)。

該試驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)在于，自攻螺釘無加載偏心，與實(shí)際受力狀態(tài)相符。同時，試件將在試驗(yàn)端破壞，僅需保證試驗(yàn)端的加工精度，試件制作較為簡便。

1.2 加載方式與試驗(yàn)編號

試驗(yàn)采用位移控制加載，對試件施加低周往復(fù)位移，如圖4所示。單層覆板和雙層覆板試件編號分別為CR-SDx-n和CR-DDx-n，其中x代表螺釘邊距，n代表同一組第n個試件，考察影響參數(shù)包括螺釘邊距(螺釘中心距石膏板邊緣的最短距離)和石膏板層數(shù)，其中，螺釘邊距選取10～30 mm，每5 mm設(shè)置1個試驗(yàn)組，石膏板層數(shù)分為單層覆板和雙層覆板2種情況。試驗(yàn)共計(jì)10個工況，每個工況至少重復(fù)3次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1.1 單層覆板連接試件

單層覆板試件當(dāng)螺釘邊距較小(10 mm和15 mm)時，加載初期試件無明顯變化。隨著位移的增大，試件以螺釘為起點(diǎn)，在石膏板表面出現(xiàn)2條發(fā)散的水平裂縫；同時，石膏板端部出現(xiàn)裂縫，并快速發(fā)展為石膏板邊緣的局部豁口，破壞區(qū)域接近三角形狀；隨著位移進(jìn)一步增大，破壞區(qū)域的石膏板發(fā)生脫落[圖5(a)]。

當(dāng)螺釘邊距為20 mm和25 mm時，試件破壞過程有所改變。隨著位移的增大，螺釘上方石膏板表面出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，呈燈泡狀[圖5(b)]；在往復(fù)荷載作用下，由于螺釘?shù)耐鶑?fù)運(yùn)動，石膏板表面出現(xiàn)槽形缺口；同時，石膏板底部逐漸出現(xiàn)微小裂縫，且裂縫隨位移的增大逐步擴(kuò)展貫通；此時，螺釘逐漸發(fā)生松動，并拔出石膏板，拔出過程伴隨有螺釘螺紋與型鋼龍骨摩擦產(chǎn)生的清脆響聲。

當(dāng)螺釘邊距達(dá)到30 mm時，試驗(yàn)試件存在少量螺釘傾斜現(xiàn)象，且石膏板在螺釘位置附近存在因螺釘傾斜擠壓而產(chǎn)生的彎折現(xiàn)象，如圖5(c)所示。

2.1.2 雙層覆板連接試件

試驗(yàn)過程中，相同螺釘邊距的雙層覆板試件相對于單層覆板試件的破壞位移變小，且內(nèi)層的石膏板一般先于外層石膏板發(fā)生破壞[圖6(a)]。螺釘邊距為10，15，20 mm時雙層覆板試件中內(nèi)層石膏板底部最先出現(xiàn)裂縫。隨著位移的增大，內(nèi)層石膏板逐漸開裂，外層石膏板隨后出現(xiàn)裂縫，同樣存在螺釘崩出時與龍骨摩擦產(chǎn)生的清脆響聲。在同側(cè)2層石膏板均發(fā)生破壞后，螺釘連接喪失抗剪承載力，如圖6(b)所示。

此外，在雙層覆板試件中，螺釘?shù)乃蓜蝇F(xiàn)象較單層覆板情況更為明顯。在邊距為25 mm和30 mm的雙層覆板試件中，由于螺釘邊距較大，致使試驗(yàn)過程中出現(xiàn)較大位移。此時，自攻螺釘可能會完全脫離石膏板。此外，在石膏板背面，螺釘?shù)耐鶑?fù)移動還通常會產(chǎn)生較長的槽形缺口[圖6(c)]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果曲線

限于篇幅，圖7給出4個典型試件的荷載-位移曲線。定義試驗(yàn)正向加載(荷載為正值)為試件的試驗(yàn)端處自攻螺釘朝向石膏板板邊方向剪切滑動；反之，試驗(yàn)負(fù)向加載(荷載為負(fù)值)為試件的試驗(yàn)端處自攻螺釘朝向石膏板板內(nèi)方向剪切滑動。

由圖7可知：往復(fù)加載時，試件的正向加載抗剪強(qiáng)度普遍小于負(fù)向加載抗剪強(qiáng)度，該現(xiàn)象在螺釘邊距為10 mm時尤為明顯，這是由于石膏板沿板邊方向與板內(nèi)方向所具備的抗擠壓能力不同所導(dǎo)致。此外，部分試件在達(dá)到抗剪強(qiáng)度峰值后荷載-位移曲線發(fā)生突變，此時一般伴隨石膏板迅速開裂或者螺釘拔出等突發(fā)性現(xiàn)象。

表1為各試驗(yàn)工況的平均試驗(yàn)結(jié)果。由于試驗(yàn)試件在試驗(yàn)端共有4個螺釘對稱布置，因此單螺釘連接的抗剪強(qiáng)度為試件試驗(yàn)承載力的1/4。此外，表1中試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的變異系數(shù)平均值為0.09，試驗(yàn)穩(wěn)定性良好。

3 分析與討論

3.1 螺釘邊距和覆板層數(shù)的影響

圖8為各試件單螺釘抗剪強(qiáng)度與螺釘邊距關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果。由圖8和表1可知：

(1)連接試件的正向與負(fù)向抗剪強(qiáng)度均隨螺釘邊距增大呈增長趨勢；當(dāng)螺釘邊距由25 mm變?yōu)?0mm時，單層覆板試件的正向與負(fù)向抗剪強(qiáng)度、雙層覆板試件的正向抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)小幅度下降。

表1 試件抗剪強(qiáng)度平均值Tab.1 Average Shear Strength of Specimens

(2)雙層覆板試件的抗剪強(qiáng)度明顯高于單層覆板試件，但尚未達(dá)到單層覆板試件抗剪強(qiáng)度的2倍，其中單螺釘正向抗剪強(qiáng)度的平均增量約為95 N，單螺釘負(fù)向抗剪強(qiáng)度平均增量約為324 N。

3.2 簡化公式

結(jié)合上述分析，提出冷成型鋼-石膏板自攻螺釘連接的抗剪強(qiáng)度簡化公式，如式(1)所示。偏于保守考慮，假定單層覆板試件的負(fù)向抗剪強(qiáng)度與正向抗剪強(qiáng)度一致。

P=αd[326+16.2(d-10)]

(1)

式中：P為冷成型鋼龍骨-石膏板連接試件的單螺釘抗剪強(qiáng)度；d為螺釘邊距，當(dāng)螺釘邊距大于25 mm時取25 mm；αd為板層數(shù)調(diào)整系數(shù)，單層覆板螺釘連接時，αd取1.0，雙層覆板螺釘連接計(jì)算正向抗剪強(qiáng)度時，αd=1.5-0.02d，計(jì)算負(fù)向抗剪強(qiáng)度時，αd=2.2-0.02d。

圖9為簡化公式預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較。單層覆板試件采用同一線性預(yù)測曲線；雙層覆板正向、雙層覆板負(fù)向試件采用不同的非線性抗剪強(qiáng)度預(yù)測曲線。圖10為簡化公式預(yù)測結(jié)果精度分析，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比值的平均離散系數(shù)為13.3%，滿足工程精度要求。

4 結(jié) 語

(1)試驗(yàn)試件主要呈現(xiàn)石膏板擠壓破壞，部分試件的自攻螺釘存在傾斜現(xiàn)象。不同螺釘邊距的試件破壞現(xiàn)象存在一定差異性。

(2)自攻螺釘連接的抗剪強(qiáng)度隨螺釘邊距增大呈增長趨勢，但當(dāng)螺釘邊距超過25 mm時，抗剪強(qiáng)度增長趨勢不明顯。

(3)雙層石膏板覆面連接的抗剪強(qiáng)度明顯高于單層覆板情況，尤其負(fù)向抗剪強(qiáng)度增幅明顯，但尚未達(dá)到單層覆板試件抗剪強(qiáng)度的2倍。

(4)提出了冷成型鋼-石膏板自攻螺釘連接的抗剪強(qiáng)度簡化公式，可考慮覆板層數(shù)和螺釘邊距的影響，與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。