冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接剪力傳遞性能研究

劉 浩， 丁鳳鳴， 朱 華， 周 安

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著2010年我國(guó)第一個(gè)為鋼結(jié)構(gòu)房屋提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)的鋼結(jié)構(gòu)房屋規(guī)范《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》(JGJ 209—2010)的正式實(shí)施，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑成為大勢(shì)所趨。以輕鋼結(jié)構(gòu)為例，其不但貫徹落實(shí)了國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的思想，也在當(dāng)前建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)中逐漸成為建筑業(yè)發(fā)展的主流[1-6]。

但是，近幾年發(fā)生多起輕鋼結(jié)構(gòu)倒塌的重大建筑安全事故。其破壞原因主要有設(shè)計(jì)不合理未考慮充足的安全儲(chǔ)備、施工質(zhì)量差、極端災(zāi)害天氣如大雪大風(fēng)，以及意外事故如火災(zāi)等[7-12]。

本文研究的冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接件剪力傳遞性能是輕鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際加固工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)研究。而對(duì)于實(shí)際待加固構(gòu)件，應(yīng)該采用何種厚度的板材、何種規(guī)格的螺栓直徑來(lái)進(jìn)行加固，以及計(jì)算時(shí)單顆螺栓所能傳遞的剪力值大小、螺栓間距等問(wèn)題，并沒(méi)有相關(guān)研究及規(guī)范給出，這也是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 薄壁鋼板高強(qiáng)螺栓連接件剪力傳遞試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接件的剪力傳遞性能，對(duì)28個(gè)薄壁鋼板高強(qiáng)螺栓連接件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，主要考慮螺栓預(yù)緊力、螺栓直徑、螺栓排列方式等因素。

試驗(yàn)依據(jù)不同短鋼板厚度、不同螺栓數(shù)量、不同螺栓排列方式、不同螺栓直徑和不同螺栓預(yù)緊力對(duì)高強(qiáng)螺栓連接試件進(jìn)行分組編號(hào)，如試件Ⅰ2--L1--T2--M6--1，Ⅰ2表示第一組短板厚度為2 mm，螺栓數(shù)量為2個(gè)，L1表示縱向排1顆螺栓，T2表示橫向排2顆螺栓，M6表示所用高強(qiáng)螺栓直徑為6 mm，1表示施加的施工扭矩為10 N·m；試件Ⅰ2--L1--T2--M6--1設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 試件Ⅰ2--L1--T2--M6--1設(shè)計(jì)示意圖

1.2 試件制作與組裝

試驗(yàn)所用薄壁鋼板均在工廠進(jìn)行切割鉆孔，精度為0.1 mm。后期在合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室完成連接件的組裝，使用的工具是MARGARET力矩扳手，量程為5～60 N·m。組裝完成的部分試驗(yàn)試件如圖2所示。

圖2 組裝完成的部分試件

1.3 鋼材力學(xué)性能

材性試驗(yàn)共計(jì)2個(gè)試件，通過(guò)電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和應(yīng)變采集儀自動(dòng)控制加載、記錄數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)加載過(guò)程中可以觀察到每個(gè)試件均有較為明顯的變形，最終試件在標(biāo)距的中部附近發(fā)生頸縮現(xiàn)象并撕裂破壞。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，測(cè)得薄壁板材的力學(xué)性能，見(jiàn)表2。

表2 鋼材力學(xué)性能

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

在每個(gè)試件上布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)粘貼應(yīng)變片，以試件Ⅰ2--L1--T2--M6--2為例，應(yīng)變片布置示意圖如圖3所示，測(cè)點(diǎn)布置主要考慮以下因素：

圖3 應(yīng)變片布置示意圖(單位：mm)

(1)長(zhǎng)鋼板中部被短鋼板覆蓋，用1號(hào)點(diǎn)和5號(hào)點(diǎn)的應(yīng)變大小代替長(zhǎng)鋼板中部應(yīng)變。

(2)在拉伸荷載作用下，觀測(cè)1號(hào)點(diǎn)和5號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)與6號(hào)點(diǎn)的應(yīng)變是否相同。如前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯差異，后期試驗(yàn)構(gòu)件可只布置1、2、3、4四個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(3)在拉伸荷載作用下，試件發(fā)生屈服時(shí)，根據(jù)1號(hào)點(diǎn)和2、4號(hào)點(diǎn)的應(yīng)變，能夠得到高強(qiáng)螺栓承受的剪力，以及長(zhǎng)鋼板與短鋼板在高強(qiáng)螺栓連接剪力傳遞下的荷載分配情況。

1.5 試驗(yàn)加載

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，全過(guò)程由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制加載和記錄數(shù)據(jù)，加載設(shè)備如圖4所示。試驗(yàn)采用的是位移控制加載，參考規(guī)范中的相關(guān)要求，試驗(yàn)加載速度為2 mm/min。從開(kāi)始到結(jié)束的數(shù)據(jù)采集和記錄由計(jì)算機(jī)全程自動(dòng)控制，并自動(dòng)繪制出荷載-位移曲線。

圖4 加載設(shè)備

1.6 試驗(yàn)現(xiàn)象

在整個(gè)試驗(yàn)的加載過(guò)程中，加載初期試件并無(wú)明顯變化，也沒(méi)有明顯的試驗(yàn)現(xiàn)象。加載中期，由于長(zhǎng)鋼板的拉伸變形，而短鋼板的變形小于長(zhǎng)鋼板的變形，故長(zhǎng)鋼板和短鋼板之間有相對(duì)滑移。隨著位移荷載的施加，到試驗(yàn)加載后期，長(zhǎng)鋼板最外側(cè)螺栓處鋼板發(fā)生嚴(yán)重變形，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，最后，在試件最外側(cè)螺栓孔處撕裂導(dǎo)致試件破壞。以I4--L1--T4--M6--1為例，試件破壞后的情形如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)構(gòu)件破壞結(jié)果

2 剪力傳遞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 剪力傳遞的概念

長(zhǎng)鋼板受到拉力作用產(chǎn)生變形而擠壓螺栓栓桿，栓桿受到約束從而對(duì)短鋼板施加作用力，荷載通過(guò)高強(qiáng)螺栓的抗剪進(jìn)行傳遞，從而達(dá)到加固效果，我們把這個(gè)受力過(guò)程稱為剪力傳遞。

2.2 荷載-應(yīng)變曲線

本次試驗(yàn)構(gòu)件剪力傳遞區(qū)段長(zhǎng)鋼板和短鋼板的變形、傳遞區(qū)段以外長(zhǎng)鋼板的應(yīng)變均通過(guò)粘貼的應(yīng)變片測(cè)得，最后利用origin畫(huà)圖軟件畫(huà)出試件1號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)，以及2、4號(hào)點(diǎn)平均值的荷載-應(yīng)變曲線，部分荷載應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 部分試件荷載-應(yīng)變曲線

2.3 影響因素分析

2.3.1 螺栓直徑對(duì)短鋼板剪力傳遞值的影響

不同螺栓直徑的連接件的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同螺栓直徑的連接件試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，螺栓個(gè)數(shù)、排列方式以及預(yù)緊力(13 889 N)相同時(shí)，試件單顆M6螺栓試件的短鋼板上的剪力傳遞值為3 799 N，單顆M8螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為4 464 N，2顆M6螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為6 663 N，2顆M8螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為9 578 N。這說(shuō)明螺栓直徑越大，短鋼板上的剪力傳遞值越高，螺栓的直徑對(duì)高強(qiáng)螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值有較大影響。

2.3.2 螺栓數(shù)量對(duì)短鋼板剪力傳遞值的影響

不同螺栓數(shù)量的連接件的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同螺栓數(shù)量的連接件試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，螺栓直徑、排列方式以及預(yù)緊力(13 889 N)相同時(shí)，單顆M6高強(qiáng)螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為3 799 N，2顆M6螺栓試件的剪力傳遞值為7 328 N，3顆M6螺栓試件的剪力傳遞值為9 675 N。這說(shuō)明隨著螺栓數(shù)量的增加，試件短鋼板上的剪力傳遞值也在逐漸增大，但是增加的幅度并不是隨著螺栓數(shù)量的增加呈正比例關(guān)系增大，而是隨著螺栓數(shù)目的增加逐漸減小，即螺栓群連接件短鋼板上的剪力傳遞值具有“群體折減效應(yīng)”。

2.3.3 螺栓預(yù)緊力對(duì)短鋼板剪力傳遞值的影響

不同螺栓預(yù)緊力的連接件試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同螺栓預(yù)緊力的連接件試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，螺栓個(gè)數(shù)、螺栓排列方式、螺栓直徑相同而螺栓預(yù)緊力不同時(shí)，施加10 N·m扭矩的單顆M6螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為3 799 N，施加6 N·m扭矩的單顆M6螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為2 920 N，施加6 N·m扭矩的單顆M8高強(qiáng)螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為3 566 N，施加24 N·m扭矩的單顆M8螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為4 402 N。這說(shuō)明螺栓的預(yù)緊力對(duì)高強(qiáng)螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值有較大影響。

2.3.4 螺栓排列方式對(duì)短鋼板剪力傳遞值的影響

不同螺栓排列方式的連接件試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同螺栓排列方式的連接件試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，螺栓個(gè)數(shù)、螺栓間距以及預(yù)緊力(13 889 N)相同時(shí)，2顆M6螺栓沿鋼板長(zhǎng)度方向排列的試件短鋼板上的剪力傳遞值為7 328 N，沿鋼板寬度方向排列的試件短鋼板上的剪力傳遞值為6 663 N；3顆M6螺栓沿鋼板長(zhǎng)度方向排列的試件短鋼板上的剪力傳遞值為9 675 N，沿鋼板寬度方向排列的試件短鋼板上的剪力傳遞值為9 384 N。這表明螺栓的排列方式對(duì)提高連接件短鋼板上的剪力傳遞值的作用不大。

2.3.5 短鋼板厚度對(duì)短鋼板剪力傳遞值的影響

由表7可知，螺栓數(shù)量、螺栓排列方式、螺栓直徑以及螺栓預(yù)緊力(13 889 N)相同時(shí)，單顆M6螺栓，厚度為1 mm的短鋼板試件的剪力傳遞值為3 660 N，厚度為2 mm的剪力傳遞值為3 799 N；2顆M6螺栓，厚度為1 mm的剪力傳遞值為6 929 N，厚度為2 mm的剪力傳遞值為7 328 N。這說(shuō)明短鋼板厚度對(duì)高強(qiáng)螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值影響不大。

表7 不同短鋼板厚度的連接件試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1) 螺栓個(gè)數(shù)、螺栓排列方式以及螺栓預(yù)緊力等參數(shù)相同時(shí)，螺栓直徑對(duì)冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值的影響較大。

(2) 螺栓個(gè)數(shù)、螺栓排列方式以及螺栓直徑等參數(shù)相同時(shí)，螺栓預(yù)緊力對(duì)冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值有較大影響。一般而言，螺栓預(yù)緊力越大，傳遞值越高，但不能超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的范圍。

(3) 螺栓直徑、螺栓排列方式以及螺栓預(yù)緊力等參數(shù)相同時(shí)，螺栓數(shù)量對(duì)冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值有很大影響。一般而言，螺栓數(shù)量越多，試件短鋼板上的剪力傳遞值也越高，但是增加的幅度并不是隨著螺栓數(shù)量的增加成正比例關(guān)系增大，而是隨著螺栓數(shù)目的增加而逐漸減小，即螺栓群剪力傳遞連接件具有“群體折減效應(yīng)”。

(4) 螺栓個(gè)數(shù)、螺栓間距以及螺栓預(yù)緊力等參數(shù)相同時(shí)，螺栓排列方式對(duì)提高冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值的影響不大。

(5) 螺栓數(shù)量、排列方式，螺栓直徑以及螺栓預(yù)緊力等參數(shù)相同時(shí)，短鋼板厚度對(duì)冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值的影響不大。