鋁合金桁架人行天橋節(jié)點螺栓連接試驗研究

何敏秀，鄺海峰，徐其功，翟鏡雄，羅沐鑫，莫志鵬，韋樹軍

（1、廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣州510010；2、廣東省鋁遊家科技有限公司 廣東肇慶526200）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，鋁合金材料相比鋼材具有自重輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、美觀、后期維護(hù)成本低等特點，且可重復(fù)利用［1-3］、現(xiàn)場裝配、施工方便快捷，在城市人行天橋的應(yīng)用中具有很好的發(fā)展前景［4］，已在鋁合金天橋工程中得到實際應(yīng)用［3］。但因其熱變形大、熱穩(wěn)定性差，焊接會降低鋁合金母材的強(qiáng)度［5］，不能通過熱處理來提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，因此采用螺栓連接的方式在鋁合金連接中的應(yīng)用范圍多用于鋼結(jié)構(gòu)［6］。在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50429-2007》［7］中只給出了鋁合金板材與鋁合金板材連接（見圖1）的螺栓承載力設(shè)計值的計算公式，而在實際工程中，一般都是采用型材如鋁合金方管、鋁槽通過螺栓來裝配連接（見圖2）、李欣宜［8］以某跨街鋁合金人行天橋工程為實例研究其結(jié)構(gòu)安全性，該橋上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用的型材為鋁合金方管和鋁槽裝配，但文獻(xiàn)［7］中未給出這種構(gòu)件連接螺栓的承載力計算公式，而在相關(guān)文獻(xiàn)［9-12］中也只是給出了鋁板和鋁板通過普通螺栓連接同時抗拉和抗剪承載性的一些研究。因此，本文主要通過計算規(guī)范中螺栓的承載力設(shè)計值和試驗測試鋁合金方管（或鋁合金板）與鋁槽型材裝配連接中螺栓的承載力，分析兩者的差異。為在工程實際運(yùn)用中提供一些參考。

圖1 鋁合金板材件螺栓連接Fig.1 Bolt Connection of Aluminum Alloy Sheet

1 試驗用構(gòu)件和螺栓

1.1 按規(guī)范計算單個螺栓承載力

圖2 鋁合金方管螺栓連接示意圖Fig.2 Bolt Connection Diagram of Aluminum Alloy Rectangular Pipe

每個普通螺栓的承載力設(shè)計值應(yīng)取受剪和承壓承載力設(shè)計值中的較小值，因此，在螺栓抗剪承載力控制的情況下，單個螺栓的承載力設(shè)計值分別為44.25 kN（直徑為φ12）和82.99 kN（直徑為φ16）。

1.2 試驗構(gòu)件性能

本次試驗鋁合金材料采用6082-T6，力學(xué)性能［13］如下：抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度f=215 N/mm2，抗剪強(qiáng)度fv=125 N/mm2，極限承載力為310 MPa，屈服強(qiáng)度為260 MPa。

2 螺栓承載力試驗

2.1 試驗1：螺栓群承載力試驗

本組試驗為測試鋁合金方管與鋁槽型材通過3根長不銹鋼螺栓連接長不銹鋼螺栓的抗剪承載性能。試驗中3個長不銹鋼螺栓均尺寸為M16×215 mm，A4-70，包括螺母、彈簧、墊圈及1根120 mm×100 mm×9 mm的鋁合金方管、2 件290 mm×90 mm×45 mm×25 mm 鋁槽及若干鋁板裝配連接。螺栓群試驗方案如圖3所示。

2.1.1 試驗設(shè)備

液壓泵、壓力千斤頂、壓力感測器及其顯示器、輔助支架等。

2.1.2 測試方法及程式

⑴把試件安裝在輔助支架上，將鋁方管垂直于鋁槽對齊，然后用3根M16螺栓將桿件連接起來；

⑵將液壓泵、壓力千斤頂，感測器等安裝在輔助支架上；試驗的裝置如圖3所示；

⑶進(jìn)行加載前首先在水平方向施加20 kN 的拉力10 s 使所有連接件的空隙消除。并檢查所有儀器設(shè)備是否處于一條直線上。

⑷分別按照200 kN、250 kN、300 kN 持續(xù)1 min加荷，觀察螺栓及桿件變形，并記錄。如果荷載增至300kN并保持1min沒有出現(xiàn)功能破壞，則繼續(xù)以10kN/級繼續(xù)對試件施加荷載并每級保持1 min，直到目測觀察到螺栓發(fā)生變形為止。

圖3 螺栓群試驗裝置Fig.3 Bolt Group Test Device

⑸試驗結(jié)果

測試過程中，當(dāng)荷載為200 kN、250 kN、300 kN 時都沒有出現(xiàn)螺栓和桿件發(fā)生變形及破壞，當(dāng)荷載增至最大值310.12 kN 時，試件也沒有出現(xiàn)功能破壞。由于試驗設(shè)備限制，在肉眼可見構(gòu)件未出現(xiàn)變形破壞的情況下，終止了試驗。測試后的試件如圖4所示。

圖4 測試后的試件Fig.4 Test Piece after Test

2.2 試驗2：單根螺栓連接承載力試驗

本組試驗為通過測試文獻(xiàn)［7］中單根螺栓在板件的抗剪承載力和鋁方管的抗剪承載力。試驗設(shè)計了試驗A（見圖5）和試驗B（見圖6）2 組試驗。試驗A 不銹鋼長螺栓為M12×215 mm，A4-70，包括螺母、彈簧和墊圈及1 根120 mm×100 mm×9 mm 的鋁方管與2 件290 mm×90 mm×45 mm×25 mm 鋁槽裝配連接。試驗B 不銹鋼螺栓為M12×113 mm，A4-70，包括螺母、彈簧和墊圈，其它均與試驗1相同。

圖5 試驗A裝置Fig.5 Test A Device

圖6 試驗B裝置Fig.6 Test B Device

試驗A：A 型樣品裝配形式（鋁方管與2 件鋁槽裝配連接）；試驗B：B 型樣品裝配形式（鋁板與2 根鋁槽裝配連接）。

測試方法及程式：

⑴選用的試驗儀器及安裝步驟同試驗1；

⑵試驗A、試驗B中每種裝配類型樣品同時制作了3 個試樣，每個試樣分別按照50 kN、60 kN 持續(xù)1 min 加荷，觀察螺栓及桿件的變形，并記錄。如果荷載增至60 kN并保持1 min沒有出現(xiàn)功能破壞，則繼續(xù)以10 kN/級繼續(xù)對試件施加荷載并每級保持1 min，直到目測觀察到螺栓發(fā)生變形為止。

⑶試驗結(jié)果

在試驗期間，在所有試件樣品中加載到110 kN時，沒有觀察到試樣出現(xiàn)明顯的變形或破壞。為了達(dá)到試驗?zāi)康?，我們對試樣加載到破壞才終止試驗。試驗A、試驗B加載階段的位移感測器讀數(shù)如表1所示，位移曲線如圖7所示，測試后螺栓變形情況如圖8所示。

表1 試驗A和試驗B的位移讀數(shù)Tab.1 Displacement Reading of Test A and Tset B（mm）

圖7 荷載位移曲線Fig.7 Load Displacement Curve

2.3 結(jié)果分析

試驗1 的3 根M16 的不銹鋼長螺栓抗剪試驗，試驗荷載加到310 kN時試件仍完好，由于受加載設(shè)備的限制未加載到破壞。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，3 根M16 螺栓承載力設(shè)計值249 kN，試驗結(jié)果說明材料分項系數(shù)能達(dá)到1.25。試驗2 的B 型試樣適用文獻(xiàn)［7］的計算公式，3 根試樣抗剪破壞力與按文獻(xiàn)［7］的計算承載力設(shè)計值之比分別達(dá)到3.16、3.16、2.94，且第3根試件加載鋁合金板螺栓孔的局部承壓破壞先于螺栓剪斷。試驗2的A 型試樣模擬實際工程節(jié)點，不適用文獻(xiàn)［7］的計算公式，3根試樣抗剪破壞力與按文獻(xiàn)［7］的計算承載力設(shè)計值之比分別達(dá)到3.16、3.16、3.39，均不小于試驗2的B型；但變形比試驗2的B型略大。

圖8 測試后螺栓變形情況Fig.8 Bolt Deformation after Test

3 結(jié)論

本文主要通過計算文獻(xiàn)［7］中螺栓承載力的設(shè)計值以及通過設(shè)計2 組試驗，測試鋁合金人行天橋工程中常見節(jié)點采用螺栓連接螺栓的抗剪承載力，通過對比分析，得出以下結(jié)論：

⑴鋁合金桁架人行天橋鋁合金方管與鋁合金方管或鋁槽連接采用螺栓連接時，螺栓承載力的計算直接套用文獻(xiàn)［7］中的公式，結(jié)構(gòu)是偏于安全的。

⑵連接鋁合金方管的螺栓變形比文獻(xiàn)［7］給出的板與板連接螺栓變形略大。