高強(qiáng)鋼螺栓連接電弧熱噴鋁接觸面抗滑移系數(shù)試驗(yàn)研究*

陳學(xué)森， 施 剛， 陳玉峰

(1 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)土木工程系， 北京 100084；2 北京市鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，清華大學(xué)土木工程系， 北京 100084)

0 引言

高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)工程的重要發(fā)展方向之一[1]。由于鋼材屈服強(qiáng)度提高，高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)對(duì)連接承載力要求也相應(yīng)提高。高強(qiáng)度螺栓抗剪連接是鋼結(jié)構(gòu)中一種重要連接形式，根據(jù)承載能力極限狀態(tài)的不同可分為摩擦型抗剪連接和承壓型抗剪連接[2]；其中，高強(qiáng)度螺栓摩擦型抗剪連接利用連接板間的摩擦傳力，以板件出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)作為承載能力極限狀態(tài)，具有構(gòu)件變形小、連接密實(shí)、疲勞荷載作用下不易滑動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是我國相關(guān)規(guī)范要求在承重構(gòu)件及主要連接接頭處使用的連接形式[2-4]。由于高強(qiáng)度螺栓摩擦型抗剪連接的承載能力與接觸面的抗滑移系數(shù)密切相關(guān)，為提高其抗剪承載力以滿足高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用需求，需改進(jìn)接觸面處理方式以提高其抗滑移系數(shù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接中的接觸面抗滑移系數(shù)已開展了一定研究。20世紀(jì)五六十年代，以Lehigh大學(xué)Fisher為代表的一批學(xué)者通過系列試驗(yàn)研究得到了高強(qiáng)度螺栓摩擦型抗剪連接在不同接觸面處理方式下的抗滑移系數(shù)[5-13]；20世紀(jì)80年代以來，王伯琴[14]、侯兆欣[15]等國內(nèi)學(xué)者也開展了大量高強(qiáng)度螺栓摩擦型和承壓型抗剪連接的試驗(yàn)研究，得到了不同接觸面處理方式的抗滑移系數(shù)。隨著高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，近年來國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)應(yīng)用高強(qiáng)度鋼材的螺栓連接抗滑移系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。李友志等[16]針對(duì)Q345，Q460，Q550，Q690四種鋼材和拋丸、噴砂兩種接觸面處理方式的螺栓連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明高強(qiáng)度鋼材的抗滑移系數(shù)低于Q345鋼材；潘斌[17]、胡鵬天[18]開展了Q460，Q550，Q690三種高強(qiáng)度鋼材的高強(qiáng)度螺栓摩擦型抗剪連接試驗(yàn)研究，探究了噴砂、噴砂后涂無機(jī)富鋅漆、未經(jīng)處理的干凈軋制表面三種接觸面處理方式的抗滑移性能，表明高強(qiáng)度鋼材的抗滑移系數(shù)小于同條件下規(guī)范給出的普通鋼材的抗滑移系數(shù)值。Husson[19]和Heistermann[20]測定了風(fēng)力發(fā)電塔使用的高強(qiáng)度鋼材兩種接觸面處理方式的抗滑移系數(shù)，提出螺栓孔壁過早屈服、鋼板厚度減小會(huì)引起螺栓預(yù)拉力損失，降低滑移荷載，而采用高強(qiáng)度鋼材有助于提高滑移荷載。Cruz[21]比較了S275等級(jí)普通強(qiáng)度鋼材和S690等級(jí)高強(qiáng)度鋼材在同種接觸面處理方式下的抗滑移系數(shù)，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼材拋丸處理得到的抗滑移系數(shù)略小于普通強(qiáng)度鋼材，而拋丸后噴涂75μm厚鋅層得到的抗滑移系數(shù)又大于普通強(qiáng)度鋼材，但總體上抗滑移系數(shù)受鋼材強(qiáng)度等級(jí)的影響并不明顯。目前，針對(duì)抗滑移系數(shù)是否受鋼材強(qiáng)度等級(jí)的影響尚未形成公認(rèn)結(jié)論，所以有必要開展進(jìn)一步研究，以論證高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)中時(shí)的受力性能。

高強(qiáng)度鋼材屈服強(qiáng)度的提高要求提高接觸面的抗滑移系數(shù)以保證摩擦型連接的抗剪承載能力。在橋梁工程中，結(jié)合防腐需求，常用電弧熱噴鋁的方法進(jìn)行接觸面處理。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一接觸面處理方式已開展了初步研究[22-28]，見表1。

由于電弧熱噴鋁表面抗滑移系數(shù)的試驗(yàn)方法、接觸面處理具體工藝等差異，已有試驗(yàn)研究得到的接觸面抗滑移系數(shù)離散性較大。但相應(yīng)研究仍可表明，電弧熱噴鋁的接觸面處理方式可較為顯著地提高鋼材接觸面的抗滑移系數(shù)。

電弧熱噴鋁表面的抗滑移系數(shù)文獻(xiàn)匯總 表1

綜上所述，本文結(jié)合《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的編制，選取Q460C，Q460D，Q890C三種牌號(hào)的高強(qiáng)度鋼材，主要針對(duì)電弧熱噴鋁接觸面處理方法的抗滑移系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)也對(duì)軋制表面砂輪除銹和軋制表面鋼絲刷除銹兩種接觸面處理方式應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)時(shí)的性能開展研究，以期為高強(qiáng)度鋼材高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接設(shè)計(jì)方法的制定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)[3]，采用雙蓋板對(duì)稱連接接頭形式，設(shè)計(jì)了7組共19個(gè)高強(qiáng)度螺栓摩擦型抗剪連接兩栓試驗(yàn)試件，試件參數(shù)及編號(hào)見圖1和表2。其中，電弧熱噴鋁試件共15個(gè)，其制備如圖2所示；同批次未經(jīng)處理干凈軋制表面的Q460鋼材試件生赤銹后，采用鋼絲刷清除浮銹和砂輪打磨除銹兩種方式處理鋼板表面，并分別制作了兩個(gè)連接接頭試件；在采用鋼絲刷或砂輪除銹時(shí)，沿與試件軸向呈45°的兩正交方向交錯(cuò)打磨，直至接觸面范圍內(nèi)均露出帶金屬光澤的軋制表面。

圖1 高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接試件尺寸

圖2 電弧熱噴鋁試件的制備

表2

為保證電弧熱噴鋁試件接觸面處理的規(guī)范性，試件的制備參照《鐵路鋼橋保護(hù)涂裝及涂料供貨技術(shù)條件》(TB/T 1527—2011)[29]進(jìn)行：先進(jìn)行Sa3等級(jí)噴砂，噴砂后表面粗糙度達(dá)到RZ50-100μm要求；然后在4h內(nèi)進(jìn)行熱噴涂作業(yè)，金屬涂層厚度控制為200±50μm(噴涂至少兩遍以上，盡量相互垂直)；鋁絲材質(zhì)符合《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》(GB/T 3190—2008)[30]中5A02的規(guī)定；具體技術(shù)要求符合《熱噴涂金屬和其他無機(jī)覆蓋層 鋅、鋁及其合金》(GB/T 9793—2012)[31]的相關(guān)規(guī)定。

1.2 加載裝置及測量

試驗(yàn)裝配時(shí)，采用扭矩扳手對(duì)10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)拉力；按照《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)[3]要求，10.9級(jí)M16螺栓預(yù)拉力設(shè)計(jì)值為100kN，10.9級(jí)M20螺栓預(yù)拉力設(shè)計(jì)值為155kN。在試件每顆螺栓上安裝壓力傳感器以檢測并控制螺栓預(yù)拉力，各試件預(yù)拉力施工誤差控制在±2%以內(nèi)。雙蓋板接頭處的高強(qiáng)度螺栓施擰時(shí)，由中間向兩端逐個(gè)施擰，分初擰和終擰兩次完成。

試件裝配后，安裝在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上，并保證試件與夾具中心對(duì)中，然后進(jìn)行豎向單調(diào)拉伸加載，如圖3所示?；魄鞍戳刂萍虞d，加載速率不大于0.5kN/s；滑移后按位移控制加載，加載速率不大于1.5mm/min。試驗(yàn)過程中利用軸力檢測儀監(jiān)測試件各螺栓的預(yù)拉力變化。通過萬能試驗(yàn)機(jī)力傳感器輸出并記錄施加在接頭兩端的荷載，試驗(yàn)機(jī)拉力數(shù)值每增加50kN時(shí)停止加載并保持10s以上，待軸力檢測儀示值穩(wěn)定后記錄各螺栓實(shí)時(shí)預(yù)拉力數(shù)值，用于監(jiān)測螺栓的預(yù)拉力損失。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 材料性質(zhì)

試驗(yàn)試件中使用的鋼板包括6mm厚Q890鋼材(Q890-6)、10mm厚Q460鋼材(Q460-10)和12mm厚Q460鋼材(Q460-12)，針對(duì)每種高強(qiáng)鋼板材，在與試驗(yàn)試件同一批次的鋼板上分別取樣加工3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)材性試件并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4，得到的主要材性指標(biāo)結(jié)果見表3，其中fy為Q460鋼材的屈服強(qiáng)度或Q890鋼材0.2%塑性應(yīng)變的條件屈服強(qiáng)度；εu為抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，εst為Q460鋼材的屈服平臺(tái)末端應(yīng)變。

高強(qiáng)鋼材料性能試驗(yàn)結(jié)果 表3

圖4 試件鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試件破壞形式

試件滑移時(shí)，側(cè)面的標(biāo)示線發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，可用于滑移荷載的判定。如圖5所示，試驗(yàn)后各接觸面在螺栓孔周邊的板材表面都呈現(xiàn)亮白色的磨擦痕跡，但各螺栓孔周圍的磨損程度不均勻，這是因?yàn)樵嚰谶_(dá)到滑移荷載時(shí)，板面的平整度、清潔度及涂層粗糙度存在差異，并且各螺栓孔處受力狀態(tài)不同。

圖5 試件加載后的概貌(M20-460-12-A)

2.2 荷載-位移曲線

試驗(yàn)獲得的各組試件的荷載-位移曲線見圖6。荷載-位移曲線可明顯區(qū)分摩擦型連接接頭的摩擦階段和滑移階段，其中位移Δ是試驗(yàn)機(jī)夾具間實(shí)測位移，由芯板與蓋板的伸長、夾具與芯板間的滑移兩部分組成；荷載為試驗(yàn)機(jī)傳感器的實(shí)測荷載。由于試件安裝時(shí)需要手動(dòng)調(diào)整試件位置并確保夾具夾緊芯板端頭，所以在安裝完成后試件內(nèi)已產(chǎn)生一定內(nèi)力，即圖6各曲線在零位移時(shí)已有較小荷載；但由于試驗(yàn)機(jī)傳感器給出的荷載為真實(shí)荷載，所以曲線中的荷載初值不會(huì)影響滑移荷載的精度。彈性階段試件的剛度基本一致；滑移時(shí)，位移變化顯著，并有明顯的拐點(diǎn)。試驗(yàn)中依據(jù)曲線在彈性段峰值處的拐點(diǎn)來確定滑移荷載。圖6(h)對(duì)比了三種牌號(hào)鋼材的9個(gè)電弧熱噴鋁試件，其中Q890-6試件滑移荷載最大，Q460-12試件滑移荷載最小，表明鋼材強(qiáng)度的提高并未降低連接接頭的受剪承載力，板厚較小時(shí)接頭的承載力相對(duì)較高。

圖6 典型的荷載-位移曲線

2.3 滑移荷載及抗滑移系數(shù)

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可按下式計(jì)算各試件抗滑移系數(shù)：

(1)

式中：μ為抗滑移系數(shù)；Nv為實(shí)測滑移荷載；nf為接觸面?zhèn)€數(shù)(此處取為2)；Pt為螺栓初始預(yù)拉力。

試驗(yàn)結(jié)果匯總見表4，其中高強(qiáng)度鋼材電弧熱噴鋁接觸面處理方法的抗滑移系數(shù)結(jié)果范圍為0.60～0.80，平均值為0.71。與表1中匯總的已有試驗(yàn)結(jié)果相比，本次試驗(yàn)得到的抗滑移系數(shù)范圍與大部分已有試驗(yàn)得到的電弧熱噴鋁接觸面抗滑移系數(shù)范圍相似，且普遍明顯高于現(xiàn)行規(guī)范中常規(guī)表面處理方法的抗滑移系數(shù)值。雖然試驗(yàn)方法及涂層厚度、具體工藝等參數(shù)存在差異，但通過試驗(yàn)得到的抗滑移系數(shù)結(jié)果普遍較高，且除文獻(xiàn)[24]中的少量結(jié)果外，表1匯總的其余電弧熱噴鋁接觸面抗滑移系數(shù)均高于本文試驗(yàn)中得到的最小值0.60。所以，盡管本次試驗(yàn)的試件數(shù)量相對(duì)較少，但得到的抗滑移系數(shù)范圍具有一定的代表性，因此建議在設(shè)計(jì)中可依據(jù)本次試驗(yàn)得到的最小值進(jìn)行抗滑移系數(shù)取值，即在高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)中，電弧熱噴鋁接觸面抗滑移系數(shù)取為0.60。

試驗(yàn)結(jié)果 表4

此外，本文試驗(yàn)得到的軋制面鋼絲刷除銹的接觸面抗滑移系數(shù)平均值為0.55，最小值為0.47；軋制面砂輪除銹的接觸面抗滑移系數(shù)平均值為0.27，最小值為0.23。基于試驗(yàn)結(jié)果，高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)度螺栓連接的摩擦面不宜采用砂輪除銹方式；建議對(duì)軋制面鋼絲刷除銹的接觸面抗滑移系數(shù)取值為0.45。

2.4 預(yù)拉力損失

已有研究表明，高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力施加完成后，未進(jìn)行其他加載的情況下，預(yù)拉力松弛導(dǎo)致的預(yù)拉力損失一般不超過2.5%[32]。本次試驗(yàn)中預(yù)拉力施加后立即進(jìn)行加載，所以預(yù)拉力松弛的影響會(huì)更小[33-34]。但是，由于板件的泊松比效應(yīng)，試件受力后，板件的實(shí)際厚度減小，導(dǎo)致高強(qiáng)度螺栓的長度減小，從而引起預(yù)拉力損失。針對(duì)電弧熱噴鋁抗滑移試驗(yàn)中的兩組試件M20-460-10-A和M20-460-12-A，分別以試驗(yàn)機(jī)拉力50～350kN區(qū)間范圍內(nèi)實(shí)測的7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到了加載過程中10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的實(shí)測預(yù)拉力和試驗(yàn)機(jī)拉力之間的線性關(guān)系，見圖7。結(jié)果表明，在試件發(fā)生滑移前，預(yù)拉力隨荷載的增大呈線性下降，最大預(yù)拉力損失可達(dá)10%以上；試件發(fā)生滑移后，螺栓預(yù)拉力則迅速下降。

圖7 螺栓預(yù)拉力的損失

需要說明的是，按照式(1)計(jì)算抗滑移系數(shù)時(shí)，螺栓預(yù)拉力是實(shí)測的初始螺栓預(yù)拉力，而不是滑移荷載對(duì)應(yīng)的螺栓預(yù)拉力，所以試驗(yàn)得到的抗滑移系數(shù)并不能完全代表相應(yīng)表面的摩擦系數(shù)。由于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中也僅能控制螺栓的初始預(yù)拉力而無法控制螺栓的實(shí)際預(yù)拉力，所以基于初始預(yù)拉力得到的抗滑移系數(shù)可能會(huì)隨著螺栓規(guī)格、初始預(yù)拉力大小和板件受力狀態(tài)發(fā)生一定的變化，因此對(duì)不同狀態(tài)下高強(qiáng)度螺栓抗滑移系數(shù)的準(zhǔn)確取值還需要開展進(jìn)一步的研究。盡管如此，由于高強(qiáng)度螺栓施工過程中已進(jìn)行一定程度(約10%)的超張拉[3]，而預(yù)拉力松弛導(dǎo)致的預(yù)拉力損失又相對(duì)較小[32]，所以以本研究結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可得到偏于安全的結(jié)果。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了7組高強(qiáng)度鋼材高強(qiáng)度螺栓摩擦型抗剪連接試件的試驗(yàn)研究，得到了電弧熱噴鋁接觸面處理方法的抗滑移系數(shù)，并與軋制面砂輪除銹、軋制面鋼絲刷除銹的抗滑移系數(shù)進(jìn)行比較，主要結(jié)論如下：

(1)高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接接頭的拉伸荷載-位移曲線可以清楚反映承載的兩個(gè)階段，即摩擦階段和滑移階段；摩擦階段接頭發(fā)生整體彈性變形，試驗(yàn)后可以觀察到摩擦面的磨損。

(2)根據(jù)螺栓的初始預(yù)拉力計(jì)算了接觸面抗滑移系數(shù)，采用電弧熱噴鋁、軋制面鋼絲刷除銹和軋制面砂輪除銹的高強(qiáng)度鋼材試件的抗滑移系數(shù)平均值分別為0.71，0.55和0.27；未發(fā)現(xiàn)采用電弧熱噴鋁接觸面處理方式抗滑移系數(shù)與鋼材強(qiáng)度等級(jí)間的直接關(guān)系。

(3)高強(qiáng)度螺栓連接的接觸面不宜采用砂輪除銹方式；在設(shè)計(jì)中可依據(jù)本次試驗(yàn)得到的最小值進(jìn)行抗滑移系數(shù)取值，建議在高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)中，電弧熱噴鋁接觸面的抗滑移系數(shù)取為0.60，軋制面鋼絲刷除銹接觸面的抗滑移系數(shù)取為0.45。

(4)監(jiān)測了10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的損失，表明荷載作用下高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接接頭的螺栓預(yù)拉力損失可達(dá)10%以上；對(duì)不同狀態(tài)下高強(qiáng)度螺栓抗滑移系數(shù)的準(zhǔn)確取值還需要開展進(jìn)一步的研究，但以本研究結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可得到偏于安全的計(jì)算結(jié)果。