裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)鎖鉚連接適用性分析

宋林琳， 閆維明， 張學(xué)明， 謝志強(qiáng)， 譚慶浩

(北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室， 北京 100124)

裝配式冷彎薄壁型鋼住宅體系以工業(yè)批量方式建造住宅使得建筑回歸產(chǎn)業(yè)化，因其模塊化設(shè)計(jì)提高建筑裝配化程度、工廠(chǎng)制作實(shí)現(xiàn)綠色施工要求、快速裝配方便災(zāi)后迅速重建等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在低層建筑中得到廣泛應(yīng)用與推廣. 其中桁架梁由于跨度限制小、便于布置管線(xiàn)以及可以有效增加房間凈高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于裝配式輕鋼樓板系統(tǒng)中，自攻螺釘作為其構(gòu)件間主要的連接方式，操作過(guò)程包含定位、鉆孔、擰緊螺釘?shù)炔襟E，工序煩瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，嚴(yán)重降低裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)中部品的生產(chǎn)效率[1]. 大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的破壞主要表現(xiàn)為螺釘?shù)膬A斜、拔出、剪斷等，其受力性能與螺釘連接存在較大關(guān)系[2-3]. 為改善冷彎薄壁型鋼構(gòu)件間連接存在的問(wèn)題，作者引入汽車(chē)領(lǐng)域常用的鎖鉚連接，以桁架梁為載體研究鎖鉚連接應(yīng)用于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的適用性.

鎖鉚連接是一種薄板連接技術(shù)，首先對(duì)被連接的板材進(jìn)行預(yù)加緊，之后上模施壓鉚釘向下刺穿上層鋼板，鉚釘繼續(xù)下行并刺入下層鋼板，在下模具的作用下，鉚釘發(fā)生變形使下層鋼板在下模具模腔內(nèi)形成一個(gè)內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)[4]. 該連接方式有以下優(yōu)點(diǎn)[5-7]：1)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高、剛度大、抗疲勞性能好；2)操作簡(jiǎn)單、連接效率高；3)節(jié)點(diǎn)表面平整、防腐性能好.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鎖鉚連接的研究主要集中于鎖鉚接頭的成型機(jī)理、受力特性以及連接的可行性問(wèn)題. 如Lennon等[6]對(duì)冷彎型鋼板材鎖鉚連接、自攻螺釘連接、無(wú)鉚釘連接、拉鉚釘連接進(jìn)行了力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明鎖鉚連接比其他3種連接的初始剛度大，自攻螺釘連接比其他3種連接的延性好；Porcaro等[8-9]采用試驗(yàn)及有限元的手段對(duì)不同板材組合的鎖鉚連接進(jìn)行參數(shù)分析，研究成果表明板材及鉚釘?shù)慕M合方式、板材厚度、板材材料特性對(duì)鎖鉚的抗剪承載力影響較大；Calabrese等[10]研究發(fā)現(xiàn)板材厚度對(duì)接頭強(qiáng)度及疲勞壽命影響較大，抗剪承載力及破壞模式主要由上層薄板決定. 本課題組[11-14]對(duì)10種常見(jiàn)厚度組合的冷彎型鋼板材鎖鉚連接及自攻螺釘連接進(jìn)行抗剪性能對(duì)比試驗(yàn)研究，考察鉚釘數(shù)量、間距、端距、鋼板厚度對(duì)鎖鉚接頭抗剪性能的影響，指出對(duì)于鎖鉚連接上下板厚度比不宜超過(guò)1.5，此時(shí)破壞為鉚釘腿部剝離下層板材并伴隨鉚釘頭部局部脫離上層板材的組合模式，屬于延性破壞；并發(fā)現(xiàn)鎖鉚連接與自攻螺釘連接相比具有較高的抗剪承載力、顯著的抗剪剛度以及較大的剪切延性，但剪切變形相對(duì)較小，鎖鉚連接應(yīng)用于冷彎薄壁型鋼非抗震結(jié)構(gòu)中具有較大的可行性.

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于采用自攻螺釘連接的冷彎型鋼桁架梁力學(xué)性能研究較為成熟. Wood等[15]對(duì)10個(gè)冷彎薄壁型鋼屋架進(jìn)行集中荷載作用下的受力性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明其破壞主要是由于節(jié)點(diǎn)板連接的上弦的局部屈曲導(dǎo)致. Bondok等[16]對(duì)桁架尾架的端部連接在垂直和水平載荷下的承載能力進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，研究表明端部連接的韌性受螺釘排列和加載方式的影響很大. Dawe等[17]以23個(gè)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)屋架為研究對(duì)象探索提高極限承載力的方法，研究表明增大屋架上弦和節(jié)點(diǎn)板的厚度以及增加上弦的側(cè)向支撐可以有效提高屋架承載力. 林麗[18]對(duì)冷彎薄壁型鋼桁架梁豎向極限承載能力進(jìn)行非線(xiàn)性有限元分析，研究發(fā)現(xiàn)跨度、弦桿尺寸、桿件厚度、腹桿截面形式、鋼材級(jí)別對(duì)桁架梁的承載能力影響顯著.

總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，關(guān)于鎖鉚連接的研究方向主要集中在接頭的成形機(jī)理和力學(xué)性能上，而對(duì)其應(yīng)用于受力構(gòu)件與結(jié)構(gòu)時(shí)的力學(xué)性能和受力機(jī)理研究甚少，其可行性有待商榷；桁架梁的研究成果絕大多數(shù)基于自攻螺釘連接，而關(guān)于鎖鉚連接對(duì)其力學(xué)性能的影響并不明確，相關(guān)研究尚處空白. 有鑒于此，本文為探索鎖鉚連接在裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)中的適用性，采用厚度為1.5 mm的冷彎薄壁型鋼設(shè)計(jì)制作不同連接方式(鎖鉚連接、自攻螺釘連接)的接頭試件和桁架梁試件，分別對(duì)其進(jìn)行抗剪、抗彎性能對(duì)比試驗(yàn)；以自攻螺釘連接的桁架梁為標(biāo)準(zhǔn)，從破壞模式、抗彎承載力、剛度、延性、變形等力學(xué)性能和施工操作性2個(gè)方面分析鎖鉚連接應(yīng)用于受力構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的可行性；對(duì)比鎖鉚連接在接頭與桁架梁中的受力特征，分析用接頭試驗(yàn)結(jié)論評(píng)估鎖鉚連接應(yīng)用于受力構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的適用性問(wèn)題；為鎖鉚連接技術(shù)在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供一定試驗(yàn)依據(jù).

1 兩種連接的接頭力學(xué)性能對(duì)比分析

文獻(xiàn)[12-13]中鎖鉚接頭與自攻螺釘接頭抗剪性能的對(duì)比結(jié)果，僅表明鎖鉚用于板材連接時(shí)相比自攻螺釘表現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性能，但當(dāng)其應(yīng)用于桁架梁等結(jié)構(gòu)中，能否使用上述接頭試驗(yàn)結(jié)論評(píng)估鎖鉚連接桁架梁的力學(xué)特征還需要進(jìn)一步試驗(yàn)分析.

1.1 試件設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有對(duì)比意義，參照文獻(xiàn)[12-13]復(fù)制板材組合為1.5 mm+1.5 mm的鎖鉚接頭(SS)及自攻螺釘接頭(ZS)抗剪性能對(duì)比試驗(yàn)，每組試件包含3個(gè)樣品，所用鋼材均取自下述桁架梁試驗(yàn)所用U型鋼的翼緣. 接頭試件示意圖見(jiàn)圖1，其中自攻螺釘選用ST4.2級(jí)自攻自鉆螺釘，直徑為4.2 mm，長(zhǎng)度為22 mm；鉚釘選用與自攻螺釘抗剪強(qiáng)度相差較小的規(guī)格，釘管直徑D為5.3 mm，長(zhǎng)度L為6 mm，釘頭直徑Dw為7.6 mm.

接頭試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載設(shè)備采用Zwick/Roll拉伸試驗(yàn)機(jī)，最大拉伸力為10 kN，試驗(yàn)使用位移控制(加載速度為3 mm/min)，試件變形由自動(dòng)引伸計(jì)測(cè)量.

1.2 破壞模式及試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 破壞模式

鎖鉚接頭(SS)的破壞模式為鉚釘腿部剝離下層板材并伴隨鉚釘頭局部脫離上層板材的組合模式，見(jiàn)圖2(a)；自攻螺釘接頭(ZS)的破壞模式為螺釘傾斜拔出，見(jiàn)圖2(b).

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

參照文獻(xiàn)[12]確定力學(xué)性能特征參數(shù)的方法，表1給出2種接頭力學(xué)性能對(duì)比情況. 其中，接頭試件的最大荷載Pmax及其變形Δmax取實(shí)測(cè)荷載- 變形曲線(xiàn)上的最大值及其相應(yīng)的變形；定義屈服荷載Py=0.8Pmax，屈服變形Δy為屈服荷載下對(duì)應(yīng)的變形，定義彈性剛度為K=Py/Δy；破壞荷載Pu和極限位移Δu取曲線(xiàn)下降到80%峰值荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載及相應(yīng)的變形，延性系數(shù)定義為μ=Δu/Δy；變形能Eu取荷載- 變形曲線(xiàn)與x軸(0<Δ<Δu)圍成的面積. 鎖鉚連接的接頭承載力、剛度、剪切延性明顯優(yōu)于自攻螺釘連接，尤其是鎖鉚接頭的抗剪剛度是自攻螺釘?shù)?2.36倍，具有顯著優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表1. 然而，鎖鉚接頭的變形能力要低于自攻螺釘接頭，尤其是剪切變形存在明顯的劣勢(shì)，其剪切變形量?jī)H為自攻螺釘?shù)?8%.

表1 2種接頭的力學(xué)性能對(duì)比

2 桁架梁抗彎性能試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

為研究鎖鉚連接在裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)中的適用性及受力特征，設(shè)計(jì)制作了2根型鋼構(gòu)件間分別使用鎖鉚連接(LS1)和自攻螺釘連接(LZ1)的冷彎薄壁型鋼桁架梁試件，試件具體參數(shù)見(jiàn)表2. 桁架梁試件是由上、下弦桿和腹桿通過(guò)鎖鉚釘(自攻螺釘)連接而成，其中弦桿采用規(guī)格為143 mm×40 mm×1.5 mm的U型鋼，腹桿采用規(guī)格為140 mm×40 mm×12 mm×1.5 mm的C型鋼，試件中所用鎖鉚釘和自攻螺釘尺寸規(guī)格與接頭試驗(yàn)相同，見(jiàn)圖3. 試驗(yàn)中為防止試件在加載點(diǎn)處發(fā)生局部破壞，設(shè)置為背靠背的雙腹桿，分別用鎖鉚釘以及自攻螺釘將其連接為整體.

2.2 鎖鉚加工設(shè)備

試件LS1各型鋼構(gòu)件間的連接采用鎖鉚設(shè)備，該設(shè)備主要由液壓工作站、旋轉(zhuǎn)吊掛裝置、彈簧平衡器、鎖鉚鉗體4部分組成，見(jiàn)圖4. 彈簧平衡器上端掛在旋轉(zhuǎn)吊掛裝置的懸臂梁上，可沿梁長(zhǎng)范圍自由滑動(dòng)，下端掛有帶懸掛機(jī)構(gòu)的C型鉗體，通過(guò)調(diào)節(jié)平衡器松緊度，鉗體可實(shí)現(xiàn)自平衡狀態(tài)并沿豎向移動(dòng)，見(jiàn)圖4(a). 其中，旋轉(zhuǎn)吊掛裝置可在水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)懸掛機(jī)構(gòu)間加力螺絲，見(jiàn)圖4(b)，可以實(shí)現(xiàn)C型鉗體在豎向平面內(nèi)以及平面外360°旋轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)中多向鉚接的要求.

桁架梁的鉚接加工過(guò)程見(jiàn)圖4(c)，其工作過(guò)程與傳統(tǒng)的自攻螺釘相比具有很大差異. 自攻螺釘連接時(shí)僅需要在被連接板材的一個(gè)單面進(jìn)行操作，對(duì)于操作空間要求較低. 而鎖鉚連接時(shí)需要將鉗體伸入待鉚接的位置，使上模下行與下模一起夾緊鋼板繼而完成鉚接，即其連接需要在被連接板材的上下兩面同時(shí)進(jìn)行. 桁架梁試件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮鉚槍2個(gè)干涉問(wèn)題，其一是桁架梁腹桿之間的空間必須足夠鉚槍進(jìn)出，其二是斜腹桿的傾斜角度不能小于40°以保證下模能夠伸入待連接位置以完成較高質(zhì)量的鉚接.

表2 組合式桁架梁抗彎試驗(yàn)試件參數(shù)

2.3 材料性能試驗(yàn)

鋼材材性試驗(yàn)根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T228.1—2010)[19]的規(guī)定，從冷彎薄壁型鋼母材上平行于軋制方向切取3個(gè)板狀試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，鋼板材料特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3 鋼板材料特性

2.4 加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置方案

為了較準(zhǔn)確地測(cè)量試件變形以及試件在加載過(guò)程中的豎向撓度變化，在加載點(diǎn)及跨中位置布置3個(gè)位移計(jì)(D7～D9，精度0.01 mm)來(lái)觀(guān)測(cè)梁的豎向變形，在桁架梁端部設(shè)置6個(gè)位移計(jì)(D1～D6)來(lái)量測(cè)端部的滑移及沉降，見(jiàn)圖6(a). 根據(jù)桁架梁在豎向荷載作用下的變形特點(diǎn)，應(yīng)變片布置在靠近支座的2個(gè)節(jié)間上下弦桿翼緣和腹板處(S1～S15)，以及跨中位置的上下弦桿腹板處(S16～S17)，考慮試件的對(duì)稱(chēng)性只在其半跨位置粘貼應(yīng)變片，見(jiàn)圖6(b)(c).

2.5 試驗(yàn)加載制度

試驗(yàn)加載程序分為預(yù)加載和正式加載2個(gè)階段. 預(yù)加載的總加載量不超過(guò)有限元預(yù)估極限荷載的20%，分3～4級(jí)進(jìn)行，每級(jí)加載后停歇1 min，然后分級(jí)卸載，預(yù)載至少進(jìn)行2遍，以確保試驗(yàn)裝置和儀器儀表正常工作. 正式加載階段首先以2 kN為增量加載至桁架梁開(kāi)始屈服進(jìn)入塑性，之后以1 kN為增量緩慢加載至試件破壞. 每級(jí)加載完成后持荷2 min，進(jìn)行位移計(jì)和應(yīng)變片的數(shù)據(jù)采集，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由靜態(tài)電阻應(yīng)變儀完成采集.

3 桁架梁抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 破壞模式對(duì)比分析

LS1試件在加載初期，桁架梁各構(gòu)件處于線(xiàn)彈性狀態(tài)；當(dāng)加載到7 kN左右時(shí)，兩端部的斜腹桿與豎腹桿之間的上弦桿翼緣開(kāi)始向外鼓曲，見(jiàn)圖7(a)；隨著荷載的增加，鼓曲進(jìn)一步加劇，上弦桿中部出現(xiàn)輕微下?lián)犀F(xiàn)象，這是由于剪彎段內(nèi)腹桿間為避免鉚槍的空間干涉問(wèn)題而存在一定間距，使得其作用力不共點(diǎn)導(dǎo)致的：如圖8所示，端斜腹桿為壓桿，第2根斜腹桿為拉桿，由于作用力不共點(diǎn)使得上弦桿受到附加力偶的作用，導(dǎo)致局部上弦桿段出現(xiàn)錯(cuò)位傾斜；隨著荷載的進(jìn)一步增加，上弦桿錯(cuò)位傾斜愈發(fā)明顯，鼓曲愈加嚴(yán)重，最后由于上弦桿局部變形過(guò)大，導(dǎo)致上弦桿翼緣板材被拉裂發(fā)生局部剪切屈曲破壞，見(jiàn)圖7(b). 整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中鎖鉚連接保持完好，試件LS1的最終破壞模式為桿件局部剪切屈曲破壞.

LZ1試件在加載初期未見(jiàn)明顯變形；當(dāng)加載到5 kN左右時(shí)，連接兩端部斜腹桿與上弦桿的自攻螺釘開(kāi)始傾斜受拉、剪共同作用；隨著荷載增加，剪彎段內(nèi)大部分自攻螺釘發(fā)生傾斜，試件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)；荷載繼續(xù)增加，自攻螺釘附近的上弦桿翼緣向外鼓曲，該處自攻螺釘傾斜加劇有向外拔出的跡象，見(jiàn)圖9(a)；荷載進(jìn)一步增加，與試件LS1類(lèi)似，上弦桿中部出現(xiàn)明顯的下?lián)犀F(xiàn)象，見(jiàn)圖9(c)；加載繼續(xù)進(jìn)行，剪彎段內(nèi)連接上弦桿的自攻螺釘由于傾斜角度過(guò)大，連接基本失效，隨后由于上弦桿局部錯(cuò)位傾斜變形過(guò)大，導(dǎo)致上弦桿翼緣板材被拉裂，見(jiàn)圖9(b). 試件LZ1的最終破壞模式為自攻螺釘連接失效，并伴隨桿件局部剪切屈曲破壞的組合模式.

由此可知，試件LS1和LZ1的受力機(jī)理并不相同：前者在整個(gè)加載過(guò)程中鎖鉚釘一直處于彈性狀態(tài)，桿件間能保證穩(wěn)定的傳力，試件的屈曲以及破壞完全是由弦桿的變形導(dǎo)致；而后者在加載過(guò)程中自攻螺釘傾斜先于桿件屈曲，使得試件較早進(jìn)入塑性，因此試件LZ1的塑性以及破壞過(guò)程包含自攻螺釘?shù)膬A斜失效和弦桿受力變形2個(gè)方面.

3.2 荷載- 位移曲線(xiàn)對(duì)比分析

圖10給出基于鎖鉚連接(LS1)與自攻螺釘連接(LZ1)的冷彎薄壁型鋼桁架梁試件在單調(diào)對(duì)稱(chēng)加載下的荷載- 撓度對(duì)比曲線(xiàn)圖. 由圖10可知，雖然2個(gè)試件的荷載- 撓度曲線(xiàn)都表現(xiàn)為4個(gè)階段，但趨勢(shì)相差較大：

1)彈性階段 試件LS1彈性階段的斜率以及其在全曲線(xiàn)所占的比例明顯大于試件LZ1，這是因?yàn)殒i鉚釘具有很高的抗剪剛度和強(qiáng)度，使得試件LS1在弦桿鋼材屈曲前一直維持線(xiàn)彈性狀態(tài)，而試件LZ1由于自攻螺釘抗剪剛度較小導(dǎo)致弦桿鋼材屈曲前自攻螺釘已經(jīng)發(fā)生傾斜，試件較早的進(jìn)入彈塑性狀態(tài).

2)彈塑性階段 試件LS1的彈塑性階段相比LZ1不太明顯，原因是試件LS1在進(jìn)入彈塑性階段后其變形僅為弦桿鋼材的屈曲，而試件LZ1則包含自攻螺釘傾斜拔出和弦桿鋼材屈曲2個(gè)方面.

3)塑性階段 試件LS1的塑性平臺(tái)段要明顯長(zhǎng)于LZ1，這是因?yàn)檫M(jìn)入塑性階段后，鎖鉚節(jié)點(diǎn)依然能保證穩(wěn)定地傳力，使得LS1弦桿的塑性變形得以完全發(fā)展，而LZ1由于自攻螺釘傾斜角度增大使得連接趨于失效，無(wú)法保證平穩(wěn)持力，導(dǎo)致試件較快進(jìn)入破壞階段.

4)破壞階段 荷載隨變形增加均呈急劇下降的趨勢(shì).

3.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101—2015)[20]規(guī)定，試件力學(xué)特征參數(shù)確定方法見(jiàn)圖11. 試件的最大荷載Pmax及其變形Δmax取荷載位移(P-Δ)曲線(xiàn)上的峰值荷載及相應(yīng)的位移；破壞荷載Pu和極限位移Δu取試件在峰值荷載出現(xiàn)后的0.8Pmax及相應(yīng)的位移. 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知冷彎薄壁型鋼桁架梁的P-Δ曲線(xiàn)無(wú)明顯屈服點(diǎn)，故采用能量等值法確定屈服荷載Py和屈服位移Δy，具體原理為：將其等效為與實(shí)際結(jié)構(gòu)具有相同耗能能力的彈塑性系統(tǒng)，用包絡(luò)面積相等(S1=S2)的理想彈塑性二折線(xiàn)代替試驗(yàn)曲線(xiàn)(不考慮下降段)，將二折線(xiàn)拐點(diǎn)的位移作為屈服位移Δy，在試驗(yàn)曲線(xiàn)上Δy對(duì)應(yīng)的值即為屈服荷載Py. 定義彈性剛度：K=Py/Δy，延性系數(shù)：μ=Δu/Δy，變形能Eu為P-Δ曲線(xiàn)與x軸(0<Δ<Δu)圍成的面積.

根據(jù)上述定義特征值的方法，表4給出鎖鉚連接(LS1)與自攻螺釘連接(LZ1)冷彎薄壁型鋼桁架梁試件的力學(xué)性能對(duì)比情況. 由表可知，鎖鉚連接的桁架梁(LS1)抗彎承載力僅比自攻螺釘連接的桁架梁(LZ1)高7%，意味著二者具有相當(dāng)?shù)目箯澇休d能力；試件LS1的抗彎剛度、延性性能明顯優(yōu)于LZ1，前者的剛度和延性系數(shù)分別是后者的3.07倍和1.73倍. 試件LS1的極限跨中撓度、變形能與LZ1相比存在一定劣勢(shì)，分別為后者的64%和71%，但是二者相差并不懸殊.

表4 桁架梁試件特征值

3.4 有限元對(duì)比驗(yàn)證

采用ABAQUS[21]軟件對(duì)桁架梁試驗(yàn)進(jìn)行有限元分析，桁架梁的弦桿和腹桿采用殼單元進(jìn)行模擬，鎖鉚連接采用笛卡兒連接，鋼材的本構(gòu)關(guān)系按照材性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行選取. 限于篇幅，本文僅對(duì)LS1的有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，圖12(a)為L(zhǎng)S1試件的應(yīng)力及變形圖，與圖12(b)對(duì)比可知：有限元分析能較好地模擬試件整個(gè)加載過(guò)程，與試驗(yàn)破壞特征相近，即先發(fā)生彎剪段上弦桿板材的局部屈曲，然后上弦桿中部出現(xiàn)錯(cuò)位傾斜，最后由于弦桿段錯(cuò)位傾斜變形過(guò)大，導(dǎo)致弦桿板材撕裂.

試件跨中P-δ曲線(xiàn)的有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖13，由圖可知，試驗(yàn)與有限元分析的荷載- 位移曲線(xiàn)趨勢(shì)基本相似，兩者在彈性階段、彈塑性階段、塑性階段的曲線(xiàn)吻合較好，且有限元分析曲線(xiàn)有明顯下降段. 極限承載力和彈性抗彎剛度的試驗(yàn)值和有限元分析結(jié)果吻合較好，相差不超過(guò)10%，可見(jiàn)有限元分析模型能較為準(zhǔn)確地反映試件的受力狀態(tài).

4 鎖鉚連接應(yīng)用于裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)的適用性分析

4.1 力學(xué)性能分析

根據(jù)第3節(jié)可知，鎖鉚連接的桁架梁(LS1)抗彎承載力、抗彎剛度、延性均優(yōu)于自攻螺釘連接的桁架梁(LZ1)，尤其是抗彎剛度是后者的3.07倍，具有顯著優(yōu)勢(shì)；另外，雖然LS1變形能力較LZ1有一定的劣勢(shì)，但相差并不懸殊，并且前者在破壞前發(fā)生了較大的塑性變形，屬于較理想的延性破壞.

對(duì)比表2和表5可知，鎖鉚連接在接頭和桁架梁中的力學(xué)表現(xiàn)差異較大，破壞模式也不相同，主要是因?yàn)椋涸嚰﨤S1中鎖鉚釘在整個(gè)加載過(guò)程中保持線(xiàn)彈性狀態(tài)，試件的變形以及破壞是由弦桿的屈曲導(dǎo)致的，鎖鉚連接未能充分發(fā)揮. 對(duì)結(jié)構(gòu)而言，承受外力的主體是組成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，而非構(gòu)件間的連接，因此不能僅依靠接頭試驗(yàn)的結(jié)論評(píng)估鎖鉚連接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中的可行性問(wèn)題.

綜合上述分析，鎖鉚連接對(duì)結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)較大，因此，鎖鉚連接可代替自攻螺釘應(yīng)用于有較高剛度要求的結(jié)構(gòu)中，如冷彎薄壁型鋼組合樓板.

4.2 加工便捷性

試件LS1鉚接時(shí)如圖4(c)所示，只需要將鉗體伸入待鉚接的位置，按壓手柄上的開(kāi)始鍵，使凸模下行與凹模一起夾緊鋼板繼而完成鉚接，無(wú)須鉆孔、一次成型、加工快速、表面平齊；而試件LZ1則需要在排列好的框架上預(yù)先鉆孔(小于螺釘直徑)，然后旋緊螺絲實(shí)現(xiàn)連接，與鎖鉚連接相比工序煩瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、工作繁重. 但由于鎖鉚連接需要特定設(shè)備，鉚接時(shí)需考慮鉚槍的空間干涉問(wèn)題，其應(yīng)用范圍相比自攻螺釘具有很大的局限性，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)建筑連接的完全鎖鉚化. 然而，對(duì)于模塊化裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)體系而言，其墻體和樓板是按照一定模數(shù)劃分成的標(biāo)準(zhǔn)模塊，這些模塊中的構(gòu)件可以在工廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)鎖鉚連接. 因此，鎖鉚連接僅適用于工廠(chǎng)加工的裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)體系中的樓板及墻板模塊.

5 結(jié)論

1)鎖鉚釘在桁架梁整個(gè)加載過(guò)程中始終處于彈性階段，試件是由于弦桿屈曲變形過(guò)大導(dǎo)致破壞，與鎖鉚釘在接頭抗剪試驗(yàn)中受力特征不同，因此單個(gè)接頭試驗(yàn)的結(jié)論不足以說(shuō)明鎖鉚連接在整體結(jié)構(gòu)中的適用性.

2)鎖鉚連接的桁架梁破壞模式為上弦桿翼緣板材被拉裂，屬于局部剪切屈曲破壞；自攻螺釘連接的桁架梁破壞模式為自攻螺釘連接失效，并伴隨桿件局部剪切屈曲破壞的組合模式.

3)鎖鉚連接的桁架梁抗彎承載力、剛度、延性均優(yōu)于自攻螺釘連接，尤其抗彎剛度具有顯著優(yōu)勢(shì)，變形能力較后者稍弱，但相差并不懸殊；鎖鉚連接代替自攻螺釘應(yīng)用于有較高剛度要求的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中的可行性較大.

4)受限于鎖鉚連接工藝的特殊性，鎖鉚連接僅適用于工廠(chǎng)加工的裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)體系中的樓板及墻板模塊.