冷彎薄壁型鋼板自攻螺釘連接抗剪性能研究

丁鳳鳴， 劉 浩， 周 安， 朱 華

(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)計院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國現(xiàn)代化進程和可持續(xù)發(fā)展的開發(fā)建筑模式要求，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系作為一種工業(yè)化程度高、力學(xué)性能優(yōu)越、綜合經(jīng)濟效益突出、耐久性良好、符合當前“綠色建筑”環(huán)保要求的結(jié)構(gòu)形式愈發(fā)受到國內(nèi)建筑業(yè)的關(guān)注，符合我國建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向[1-5]。

自攻螺釘以外形美觀、施工便利、安裝簡易、耐用性強等優(yōu)點在冷彎薄壁型鋼體系中得到了廣泛的應(yīng)用。相比較于普通螺釘，其抗拔力和與被緊固材料的整體性都較好，所以常被用來連接冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件[6-7]。

自攻螺釘適用于薄板之間的連接，然而只有在《冷彎薄壁型鋼技術(shù)規(guī)范》(GB 50018—2002) 中提到了其在壓型鋼板之間以及壓型鋼板和冷彎型鋼構(gòu)件之間的連接強度，并沒有規(guī)范提到其在冷彎薄壁型鋼構(gòu)件之間連接時的極限狀態(tài)情況。因此，本文將以外六角法蘭面自鉆自攻螺釘為代表，研究其在連接冷彎薄壁型鋼時的抗剪極限狀態(tài)。

1 材性實驗

根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[8]設(shè)計試件并完成試驗。試驗結(jié)束后的試件破壞形態(tài)如圖1所示，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，材性參數(shù)見表1。

圖1 試件破壞

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 材性參數(shù)平均值

2 自攻螺釘連接抗剪性能試驗

2.1 試件設(shè)計

為研究冷彎薄壁鋼板自攻螺釘連接抗剪性能，對24組冷彎薄壁鋼板單個自攻螺釘連接試件進行了試驗，每組重復(fù)試件2個，共有48個試件，考慮了自攻螺釘材質(zhì)、直徑、不同鋼板厚度比值、端距等因素對自攻螺釘抗剪連接破壞形態(tài)的影響。連接件采用的自攻螺釘材質(zhì)規(guī)格分別為碳鋼M4.8×32、不銹鋼M4.8×32及碳鋼M5.5×32。相同厚度或不同厚度的2個冷彎薄壁鋼板通過單個自攻螺釘連接，連接件尺寸示意圖如圖3所示，連接完成試件如圖4所示。試驗前對試件進行分組編號，編號規(guī)定如圖5所示。

圖3 試件尺寸示意圖

圖4 冷彎薄壁型鋼單個自攻螺釘連接試件

圖5 試件編號規(guī)定

試件設(shè)計考慮了自攻螺釘材質(zhì)(不銹鋼材質(zhì)和碳鋼材質(zhì))、直徑 (4.8 mm和5.5 mm)、端距 (15 mm和25 mm) 以及不同組合鋼板厚度 (1--1 mm，2--2 mm，3--3 mm，1--2 mm，2--3 mm及1--3 mm) 四種因素。

2.2 試驗現(xiàn)象

加載過程中，試驗現(xiàn)象為：隨著拉力增大，螺釘發(fā)生傾斜，若鋼板厚度相同，則螺釘尖端向試驗機固定夾持端傾斜，若鋼板厚度不同，螺釘尖端向較厚鋼板一側(cè)傾斜。在傾斜過程中，螺帽與鋼板的接觸由面及點。同時，相同厚度鋼板連接試件，1 mm、2 mm鋼板端部會發(fā)生翹曲，3 mm鋼板沒有發(fā)生翹曲現(xiàn)象，而對于不同厚度鋼板連接試件，較薄鋼板端部翹曲明顯，較厚鋼板幾乎不發(fā)生翹曲。試件破壞模式可以分為三類：①釘孔逐漸拉長，螺釘發(fā)生嚴重傾斜，出現(xiàn)明顯滑移，螺釘有拔出趨勢，鋼板間出現(xiàn)明顯空隙，如圖6(a)所示；②螺釘未發(fā)生明顯滑移，螺釘發(fā)生了一定傾斜角度，最后螺釘被剪斷，如圖6(b)所示；③螺釘未發(fā)生滑移，略微傾斜，最后螺釘被剪斷，如圖6(c)所示。

圖6 破壞模式

由試驗結(jié)果可知，試件的破壞模式呈現(xiàn)一定的規(guī)律，板件承壓破壞是自攻螺釘傾斜期間主要連接破壞形式，但若自攻螺釘幾乎不發(fā)生傾斜，則會發(fā)生緊固件的抗剪破壞。試件破壞模式類型主要和鋼板的厚度有關(guān)，而與螺釘?shù)牟馁|(zhì)、直徑關(guān)系不大。存在1 mm鋼板的試件破壞模式都是釘孔拉長，螺釘發(fā)生滑移、嚴重傾斜，有拔出趨勢，發(fā)生板件承壓破壞，變形時間較長，例如ZG--T--4.8--1--1--1，ZG--T--4.8--1--2--1等，其他試件，即以2mm和3mm板件組合的試件螺釘幾乎不發(fā)生傾斜，以螺釘突然剪斷作為其極限狀態(tài)。

2.3 荷載-位移曲線

不同的自攻螺釘抗剪連接試件的荷載-位移曲線如圖7所示。

圖7 自攻螺釘抗剪連接試件荷載-位移曲線

由圖7可以看出，曲線大致可以分為兩類：第一類，隨著荷載的增加，位移也隨之增加，兩者呈現(xiàn)為線性關(guān)系，隨后到達頂點，然后曲線立即下降；第二類，加載初期位移隨著荷載的增大而增大，隨后曲線進入平緩波動階段，在經(jīng)歷一段變形之后，曲線才開始呈現(xiàn)下降的趨勢。結(jié)合試件的破壞模式來看：破壞模式為螺釘未發(fā)生滑移、一般或略微傾斜，螺釘被剪斷的試件的荷載-位移曲線為第一類曲線，這是因為試件破壞主要由于螺釘突然剪斷，屬于脆性破壞，例如ZG--T--4.8--3--3--1；破壞模式為釘孔拉長，螺釘發(fā)生滑移、嚴重傾斜，有拔出趨勢的試件的荷載-位移曲線為第二類曲線，這是因為試件破壞主要由于鋼板釘孔處變形過大，螺釘傾斜嚴重，即構(gòu)件在相當長一段時間內(nèi)處于荷載穩(wěn)定而變形不斷加劇的階段，最后由于變形嚴重?zé)o法承擔(dān)荷載，例如ZG--T--4.8--1--1--1。

3 極限狀態(tài)預(yù)測模型

基于上述試驗結(jié)果，本部分依托理論將介紹一種關(guān)于預(yù)測冷彎薄壁型鋼對鋼單個自攻螺釘抗剪連接的極限狀態(tài)模型。結(jié)果表明：自攻螺釘傾斜對連接會產(chǎn)生動力學(xué)影響；可以根據(jù)板件厚度、螺紋間距來預(yù)測自攻螺釘?shù)膬A斜狀態(tài)；板件承壓破壞是自攻螺釘傾斜期間主要連接破壞形式，但若自攻螺釘不發(fā)生傾斜，則會發(fā)生緊固件的抗剪破壞。

模型突出了“螺帽-疊合板件-螺紋”接觸連接在該理論研究中的重要地位，強調(diào)了不同板件厚度和螺紋間距對預(yù)測自攻螺釘抗剪連接件極限狀態(tài)(構(gòu)件屈服后達到荷載-位移曲線的第一個峰值載荷時連接處發(fā)生的變形)的重要作用。在該模型中，認為自攻螺釘都是由有固定間距P的螺紋組成的(不考慮墊圈)，本次以M4.8×32的自攻螺釘為例，鋼板厚度考慮市場最為常見的冷彎薄壁鋼板厚度，即1～3 mm。其中，1號板(螺帽接觸側(cè)的板件)和2號板(遠離螺帽側(cè)的板件)由于和螺釘?shù)慕佑|情況不同會有不同的力學(xué)性能，假定1號板位于螺帽和第一條螺紋之間，而2號板位于螺紋之間。

本次模型中，考慮四種不同的構(gòu)件配置，如圖8所示，包括：

(1)t1/P<0.75且t2/P<1.25[1號板是薄板且2號板是薄板，如圖8(a)所示]。

(2)t1/P>0.75且t2/P<1.25[1號板是厚板且2號板是薄板，如圖8(b)所示]。

(3)t1/P<0.75且t2/P>1.25[1號板是薄板且2號板是厚板，如圖8(c)所示]。

(4)t1/P>0.75且t2/P>1.25[1號板是厚板且2號板是厚板，如圖8(d)所示]。

圖8 冷彎薄壁鋼對鋼自攻螺釘抗剪連接極限狀態(tài)預(yù)測模型不同構(gòu)件配置

以第一種情況(1號板、2號板均是薄板)為例分析構(gòu)件受力情況。1號板和2號板被固定在螺帽和螺紋之間，1號板被認為是約束在螺帽和第一個螺紋之間，而2號板被認為是約束在第一個和第二個螺紋之間。在所提出的連接件抗剪模型中，2塊板件中心線上的抗剪力偶Ms會導(dǎo)致螺釘發(fā)生傾斜，并且由“螺帽-疊合板件-螺紋”接觸產(chǎn)成的抵抗力偶Mr來平衡。因為自攻螺釘發(fā)生傾角時，自攻螺釘與1號板之間的接觸部分會對1號板產(chǎn)生壓力Fc，同時與2號板接觸的螺桿部分會受到由于螺紋與2號板的接觸所產(chǎn)生的拉力Ft。Ft的產(chǎn)生是因為螺紋接觸抑制了螺釘被拉出?？傊?，因為“螺帽-疊合板件-螺紋”之間的接觸所產(chǎn)生的拉力和壓力抵抗了外力在連接件上所施加的抗剪力偶。受力示意圖如圖9～圖11所示。

圖9 總體受力示意圖

圖10 自攻螺釘受力示意圖

圖11 冷彎薄壁板件受力示意圖

Mr在板件上的反作用力偶會對1號板造成局部承壓變形，這個變形也會加劇螺釘發(fā)生傾斜，2號板可能也會發(fā)生局部承壓變形。然而，由于螺帽與1號板件的接觸面積大約是2號板與螺紋接觸面積的6倍(對于大多數(shù)螺釘而言)，那么對于相同厚度的板件，1號板的抵抗力矩大于2號板的抵抗力矩。由于主要承壓變形發(fā)生在1號板件上，假定螺釘保持其自身剛度不變，2號板會相對于1號板發(fā)生位移。要想知道1號板和2號板要多薄才會發(fā)生上述板件局部承壓變形和板件相對位移情況，就需要將螺紋間距作為設(shè)計變量。其他三種情況分析類似。隨著板件厚度的增加，螺釘在峰值荷載下的傾斜角度會減小，當板件足夠厚時，會發(fā)生螺釘?shù)目辜羝茐摹?/p>

因為螺帽和1號板的接觸面積大于2號板與螺紋的接觸面積，所以“螺帽-1號板-螺紋”接觸會比“螺紋-2號板-螺紋”接觸提供一個更大的抵抗力矩。因此，對于所提出的模型，建議1號板厚度要超過螺距的75%以提供足夠的厚度抵抗螺釘傾斜，而完全與螺紋接觸的2號板厚度應(yīng)該要超過螺距的125%以限制螺釘傾斜?，F(xiàn)在將上述突出的四種情況進行相關(guān)的極限狀態(tài)預(yù)測。

(1) 若1號板是薄板且2號板也是薄板 (t1/P<0.75且t2/P<1.25)，螺釘將發(fā)生傾斜。認為對于該類型冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接情況下，連接件的極限狀態(tài)應(yīng)為螺釘傾斜及鋼板螺孔處發(fā)生承壓破壞。1號板將會發(fā)生局部承壓變形，2號板相對于1號板發(fā)生滑移，這導(dǎo)致自攻螺釘發(fā)生傾斜 (θ>10°)。由于緊固件的傾斜，1號板和2號板的孔處截面會產(chǎn)生承壓力，另外2號板與螺紋的接觸處也會產(chǎn)生拉力用以阻止緊固件被拉出。

(2) 若1號板是厚板，2號板是薄板 (t1/P>0.75且t2/P<1.25)，螺釘不會發(fā)生傾斜旋轉(zhuǎn)。認為對于該類型冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接情況下，連接件的極限狀態(tài)應(yīng)為2號板承壓和撕裂破壞?！奥菝?1號板-螺紋”接觸處的抵抗力矩會阻止螺釘發(fā)生傾斜。預(yù)計極限狀態(tài)時螺釘仍接近豎直狀態(tài)，略微傾斜 (θ>10°)，較薄板(2號板)會發(fā)生承壓和撕裂破壞。

(3) 若1號板是薄板，2號板是厚板 (t1/P<0.75且t2/P>1.25)，螺釘不會發(fā)生傾斜旋轉(zhuǎn)。認為對于該類型冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接情況下，連接件的極限狀態(tài)應(yīng)為1號板承壓和撕裂破壞?！奥菁y-2號板-螺紋”接觸處的抵抗力矩會阻止螺釘發(fā)生傾斜。預(yù)計極限狀態(tài)時螺釘仍接近豎直狀態(tài)，略微傾斜 (θ>10°)，較薄板(1號板)會發(fā)生承壓和撕裂破壞。此外，由于1號板被固定于螺帽和2號板件之間，1號板與螺帽處的承壓應(yīng)力較大，除非螺釘被剪斷，1號板孔處會發(fā)生承壓變形。

(4) 若1號板是厚板且2號板也是厚板 (t1/P>0.75且t2/P>1.25)，螺釘不會發(fā)生傾斜旋轉(zhuǎn)。認為對于該類型冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接情況下，連接件的極限狀態(tài)應(yīng)為螺釘?shù)目辜羝茐摹?/p>

4 結(jié)束語

在《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB/J 50018—2002) 中，沒有提及自攻螺釘抗剪連接時明確的分類極限狀態(tài)，相關(guān)研究內(nèi)容在文獻當中也相對貧乏。本文依據(jù)試驗研究結(jié)果和理論受力狀態(tài)分析，提出了冷彎薄壁型鋼自攻螺釘抗剪連接的極限狀態(tài)預(yù)測初步模型，該模型以鋼板厚度、螺紋間距和螺釘傾斜狀態(tài)的不同為突破口進行了分類預(yù)測。