冷彎厚壁型鋼螺栓連接抗剪性能試驗(yàn)

魏陽(yáng)坤，王玲玲，霍靜思

(華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

與熱軋型鋼相比，冷成型鋼具有斷面形狀靈活、比強(qiáng)度高、冷成型過(guò)程不損傷涂層，以及對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn).以往受冷成型技術(shù)水平限制，冷成型鋼構(gòu)件壁厚較薄，常用于檁條、墻梁等次要承重構(gòu)件中.隨著冷成型鋼生產(chǎn)狀況的改善和生產(chǎn)能力的提高，我國(guó)已能生產(chǎn)壁厚約為20 mm、截面展寬達(dá)2 m的各類截面冷成型鋼.為了擴(kuò)大冷成型鋼在建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷彎厚壁型鋼的冷彎效應(yīng)與殘余應(yīng)力分布[1-6]、基本構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)理論[7-11]和抗震性能[12-13]等展開(kāi)了相關(guān)研究.我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50018-2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)規(guī)范GB 50018-2002)[14]的新一輪修訂工作也已經(jīng)啟動(dòng).

螺栓連接是冷成型鋼構(gòu)件最常用的一種連接形式.剪力作用下，連接可發(fā)生螺栓剪斷、孔壁承壓、剪出和凈截面拉斷4種形式的破壞.除螺栓剪斷外，其他3種形式的破壞屬于延性破壞，且連接承載性能取決于連接板材的力學(xué)性能.雖然各冷成型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[14-16]放寬了冷成型鋼構(gòu)件壁厚的使用范圍，但冷彎厚壁型鋼螺栓連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算仍采用與熱軋型鋼完全相同的方法.這種做法的不合理緣于連接承載力取決于被連接板材的極限抗拉強(qiáng)度且承載力計(jì)算公式中隱含了對(duì)連接板材變形能力的要求，而冷成型過(guò)程中鋼材強(qiáng)度提高，變形能力下降.

因此，本文通過(guò)30個(gè)厚度為10 mm的冷彎厚壁型鋼螺栓雙剪連接件的靜力拉伸試驗(yàn)，考察不同邊距、端距組合下螺栓連接件的破壞模式和抗剪承載力，并將試驗(yàn)結(jié)果與不同規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；此外，針對(duì)冷彎厚壁型鋼螺栓連接剪出破壞模式的特點(diǎn)，基于實(shí)際剪切破壞面，修正美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范AISC 360-16(以下簡(jiǎn)稱美國(guó)規(guī)范AISC 360-16)建議的抗剪承載力計(jì)算公式.

表1 試件參數(shù)及編號(hào)Tab.1 Parameters and number of specimens

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

進(jìn)行30個(gè)雙剪形式的冷彎厚壁型鋼單個(gè)螺栓連接件的靜力拉伸試驗(yàn)，連接板厚度為10 mm.為避免螺栓被剪斷，采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓，螺栓直徑為24 mm，孔徑為26 mm.設(shè)計(jì)考慮了6種端距和4種邊距共10種端距、邊距的組合工況，試件參數(shù)及編號(hào)，如表1所示.表1中：d0為螺栓孔直徑；e1為端距；e2為邊距；t為連接板厚度.

圖1 剪切試驗(yàn)裝置Fig.1 Shear experiment device

厚度10 mm的連接板取自截面尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為200 mm×200 mm×10 mmm的方形鋼管平板區(qū)中部，鋼管截面轉(zhuǎn)角內(nèi)徑為8 mm，沿縱向取樣.方鋼管母材為Q235低碳鋼，其屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變、伸長(zhǎng)率分別為269.4 MPa，415.3 MPa，0.216，29.0%.取自方鋼管平板區(qū)中部的連接板的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變和伸長(zhǎng)率分別為295.0 MPa，455.0 MPa，0.170和23.5%.

1.2 試驗(yàn)方法

抗剪性能試驗(yàn)在1 000 kN的電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.試驗(yàn)時(shí)，以1.5 mm·min-1的速率加載至試件破壞，荷載采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的力傳感器測(cè)量，連接件兩側(cè)各布置1個(gè)位移傳感器用以測(cè)量螺栓孔的伸長(zhǎng).剪切試驗(yàn)裝置，如圖1所示.擰緊螺栓使板疊緊密接觸，但螺栓中并未產(chǎn)生預(yù)拉力，連接件依靠螺桿受剪和孔壁承壓傳遞剪力.

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

邊距固定(e2=3.0d0)，隨著端距的變化，試件破壞形態(tài)，如圖2所示.所有試件破壞均發(fā)生在螺栓孔前.當(dāng)端距e1≤1.5d0時(shí)，螺栓孔伸長(zhǎng)主要由鋼板擠出變形引起，試件發(fā)生剪出破壞.隨著端距增加，螺栓孔伸長(zhǎng)變形中“鋼板擠出”的占比逐漸減小，“螺栓埋入”的占比逐漸增大，試件破壞呈現(xiàn)剪出和孔壁承壓混合的破壞特征.由圖2可知：當(dāng)試件發(fā)生剪出和剪出與孔壁承壓混合破壞時(shí)，在螺栓孔前45°和135°方向可見(jiàn)兩條近乎對(duì)稱的剪切裂縫，且裂縫長(zhǎng)度隨端距的增加而增大.這個(gè)現(xiàn)象在延性性能較好的熱軋型鋼的剪出破壞和孔壁承壓破壞中并未見(jiàn)到.

(a) 試件SD-1.0-3.0 (b) 試件SD-1.2-3.0 (c) 試件SD-1.5-3.0

(d) 試件SD-2.0-3.0 (e) 試件SD-2.5-3.0 (f) 試件SD-3.5-3.0圖2 邊距固定、端距變化的試件破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of specimens with varying end distance and fixed edge distance

端距固定(e1=1.5d0)，隨著邊距的增加，試件破壞形態(tài)如圖3所示.由圖3可知：試件SD-1.5-1.0，SD-1.5-1.2發(fā)生凈截面破壞，而試件SD-1.5-1.5，SD-1.5-2.0發(fā)生剪出破壞.雖然試件SD-1.5-1.0，SD-1.5-1.2的破壞模式相同，但試件SD-1.5-1.2的螺栓孔伸長(zhǎng)變形明顯大于試件SD-1.5-1.0.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是試件SD-1.5-1.2的凈截面強(qiáng)度與孔壁承壓強(qiáng)度接近，受剪過(guò)程中螺栓孔側(cè)和孔前均產(chǎn)生了顯著變形，這種現(xiàn)象在試件SD-1.5-1.5中也有所體現(xiàn).

(a) 試件SD-1.5-1.0 (b) 試件SD-1.5-1.2 (c) 試件SD-1.5-1.5 (d) 試件SD-1.5-2.0圖3 端距固定、邊距變化的試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimens with varying edge distance and fixed end distance

試驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)測(cè)量并記錄施加的荷載和螺栓孔變形，試件的荷載(P)-位移(Δ)關(guān)系曲線，如圖4所示.由圖4可知：在達(dá)到極值點(diǎn)之前，荷載-位移關(guān)系曲線由初始彈性段和非線性硬化段組成.試件的抗剪承載力(Fu)及螺栓孔變形(δu)的試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示.

(a) e2=3.0d0 (b) e1=1.5d0圖4 試件的荷載-位移關(guān)系曲線Fig.4 Load-displacement relationship curves of specimens

表2 試件的抗剪承載力及螺栓孔變形的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of shear bearing capacity and bolt hole deformation of specimens

由圖4和表2可知：當(dāng)邊距固定為3.0d0時(shí)，試件的抗剪承載力和螺栓孔變形均隨端距增加而增大；端距固定為1.5d0，當(dāng)邊距從1.0d0增加1.5d0時(shí)，試件抗剪承載力提高了35%，之后隨著邊距的增加，試件抗剪承載力變化幅度很小.

圖5 試件的抗剪承載力-端距關(guān)系曲線Fig.5 Shear bearing capacity-end distance relationship curves of specimens

邊距固定，試件的抗剪承載力-端距關(guān)系曲線如圖5所示.由圖5可知：試件的抗剪承載力隨端距增加呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)端距2.5d0≤e1≤3.5d0時(shí)，試件抗剪承載力隨端距變化的比例系數(shù)小于端距1.0d0≤e1≤2.0d0時(shí)的情況.產(chǎn)生這種現(xiàn)象原因是，試件SD-2.5-3.0，SD-3.5-3.0中出現(xiàn)的剪切裂縫減小了孔前鋼板受剪面積，導(dǎo)致試件抗剪承載力下降，而端距較小時(shí)，試件抗剪承載力相對(duì)低，在達(dá)到峰值荷載時(shí)，孔前鋼板尚未出現(xiàn)剪切裂縫.鋼板具有良好延性是孔壁承壓過(guò)程中螺栓孔伸長(zhǎng)變形得以充分發(fā)展的前提條件，冷加工過(guò)程導(dǎo)致鋼材延性下降，螺栓孔變形過(guò)程中孔前鋼板可能出現(xiàn)剪切裂縫.剪切裂縫的出現(xiàn)不僅會(huì)降低試件的抗剪承載力，還會(huì)改變?cè)嚰钠茐哪Ｊ郊安煌茐哪Ｊ街g的界限判斷條件.

2 冷彎厚壁型鋼螺栓連接抗剪承載力計(jì)算

2.1 不同國(guó)家規(guī)范提出的計(jì)算方法

北美冷成型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范AISI S100-16[15]適用于厚度不超過(guò)25.4 mm的冷加工鋼構(gòu)件.但該規(guī)范的J3條(螺栓連接部分)中規(guī)定，當(dāng)連接板的厚度超過(guò)4.76 mm時(shí)，螺栓連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造要求遵照美國(guó)規(guī)范AISC 360-16[16]執(zhí)行.歐洲冷成型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EN 1993-1-3(以下簡(jiǎn)稱歐洲規(guī)范EN 1993-1-8)[17]也做出類似規(guī)定，當(dāng)連接板厚度超過(guò)3 mm時(shí)，螺栓連接件的設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造要求遵照歐洲規(guī)范EN 1993-1-8[18]執(zhí)行.不同國(guó)家規(guī)范中提出的抗剪螺栓連接件在不同破壞模式下(除螺栓剪斷)的承載力計(jì)算公式和不同破壞模式發(fā)生的邊距、端距條件，如表3所示.表3中：fu為極限抗拉強(qiáng)度；Rs為剪出破壞承載力；Rb為孔壁承壓破壞抗剪承載力；Rn為凈截面破壞抗剪承載力；Rm為混合破壞抗剪承載力；d為螺栓直徑.

表3 不同國(guó)家規(guī)范中的連接件承載力計(jì)算公式Tab.3 Calculation formulas of bearing capacity of connectors in different national codes

美國(guó)規(guī)范AISC 360-16[16]給出剪出、孔壁承壓和凈截面拉斷3種破壞模式下螺栓連接件的抗剪承載力計(jì)算公式.當(dāng)端距e1<2.0d+0.5d0時(shí)，連接件發(fā)生剪出破壞，此時(shí)，連接件的抗剪承載力隨端距增加呈線性增長(zhǎng).當(dāng)端距e1≥2.0d+0.5d0時(shí)，連接件發(fā)生孔壁承壓破壞，此時(shí)，連接件的抗剪承載力隨端距增加保持恒定.根據(jù)歐洲規(guī)范EN 1993-1-8[18]給出的剪出和孔壁承壓承載力計(jì)算公式可知，這兩種破壞模式發(fā)生的界限端距為e1=3.0d0.中國(guó)規(guī)范GB 50018-2002[14]通過(guò)規(guī)定端距的最小值(2.0d0)來(lái)避免剪出破壞的發(fā)生，孔壁承壓承載力的計(jì)算方法與另外兩種規(guī)范也有所不同.發(fā)生凈截面破壞時(shí)，螺栓連接件抗剪承載力隨邊距增加呈線性增長(zhǎng)，歐洲規(guī)范EN 1993-1-8給出的凈截面破壞承載力計(jì)算結(jié)果恒大于美國(guó)規(guī)范AISC 360-16的計(jì)算結(jié)果.

2.2 基于實(shí)際剪切破壞面的剪出承載力計(jì)算公式

試件的剪出破壞面示意圖，如圖6所示.圖6中：lg為毛截面長(zhǎng)度；le為受剪面長(zhǎng)度.美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范AISC 360-16[16]提出的剪出破壞承載力計(jì)算公式(表3)假設(shè)破壞面為凈截面(圖6(a))，即2個(gè)破壞面重合且均處在螺栓孔中線上，抗剪強(qiáng)度取0.75fu.歐洲規(guī)范EN 1993-1-8[19]提出的剪出破壞承載力計(jì)算公式假設(shè)破壞面為毛截面(圖6(b))，抗剪強(qiáng)度取0.5fu，剪出破壞承載力計(jì)算公式為

Rs=1.0lgtfu=1.0e1tfu.

(1)

從試件破壞形態(tài)(圖2)可以看出，剪出破壞面既非凈截面，也非毛截面，而是在孔前45°和135°方向上2條近乎對(duì)稱的受剪面(圖6(c))，受剪面起始于螺栓孔上與孔中心垂直距離0.25d處.根據(jù)第四強(qiáng)度理論可知，材料的抗剪強(qiáng)度近似為抗拉壓強(qiáng)度的0.58倍，由此提出根據(jù)實(shí)際受剪面修正后的剪出破壞承載力計(jì)算公式為

Rs=1.16letfu=1.16(e1-0.25d0)tfu.

(2)

(a) 凈截面 (b) 毛截面 (c) 實(shí)際剪切破壞面圖6 試件的剪出破壞面示意圖Fig.6 Schematic diagrams of shear failure surface of specimens

2.3 不同規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

將試件抗剪承載力的試驗(yàn)結(jié)果與美國(guó)規(guī)范AISC 360-16[16](表3)、針對(duì)剪出破壞修正后的美國(guó)規(guī)范AISC 360-16(式(2))和歐洲規(guī)范EN 1993-1-8[18](表3)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示.圖7中：Fexp，F(xiàn)cal分別為試件抗剪承載力的試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果.

圖7 試件抗剪承載力的試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Comparison between experimental results and calculation results of shear bearing capacity of specimens

由圖7可知:修正后的美國(guó)規(guī)范AISC 360-16的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合最好，未修正的美國(guó)規(guī)范AISC 360-16[16]次之，而歐洲規(guī)范EN 1993-1-8[18]的計(jì)算結(jié)果偏于保守.采用式(2)計(jì)算試件發(fā)生剪出破壞的承載能力，物理概念清晰，計(jì)算精度高.中國(guó)規(guī)范GB 50018-2002的6.2.4條規(guī)定，螺栓連接件的端距不得小于螺栓孔徑的2倍，邊距不得小于螺栓孔徑的1.5倍，滿足該構(gòu)造要求的試件只有試件SD-2.0-3.0，SD-2.5-3.0和SD-3.5-3.0.因此，根據(jù)中國(guó)規(guī)范GB 50018-2002，這3個(gè)試件可判斷為發(fā)生孔壁承壓破壞，該破壞模式下試件抗剪承載能力的計(jì)算結(jié)果為112.8 kN，3個(gè)試件承載能力的實(shí)測(cè)結(jié)果分別為247.7，286.2，338.9 kN，可見(jiàn)規(guī)范我國(guó)GB 50018-2002的計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守.

3 結(jié)論

1) 在考察的邊距、端距條件下，未見(jiàn)試件發(fā)生孔壁承壓破壞.固定邊距為3.0d0，隨端距增加，試件發(fā)生剪出破壞(e1≤1.5d0)和剪出與孔壁承壓的混合破壞(1.5d0

2) 當(dāng)試件發(fā)生剪出和剪出與孔壁承壓混合破壞時(shí)，在螺栓孔前45°和135°方向可見(jiàn)2條近乎對(duì)稱的剪切裂縫.當(dāng)端距較小(1.0d0≤e1≤2.0d0)時(shí)，試件所受荷載小，孔前鋼板擠壓變形小，此時(shí)可認(rèn)為剪切裂縫發(fā)生在試件達(dá)到極限承載力之后.隨端距增加(e1=2.5d0和e1=3.5d0)，試件所受荷載和孔前鋼板擠壓變形隨之增大，在試件達(dá)到極限承載力之前出現(xiàn)的剪切裂縫減小了孔前鋼板的受剪面積，進(jìn)而導(dǎo)致試件抗剪承載力下降.

3) 當(dāng)試件發(fā)生剪出破壞和剪出與孔壁承壓混合破壞時(shí)，剪切破壞面介于凈截面和毛截面之間，基于該實(shí)際受剪面，對(duì)規(guī)范美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范AISC 360-16建議公式進(jìn)行了修正，修正后的公式概念清晰，計(jì)算精度也有所提高.

4) 修正后美國(guó)規(guī)范AISC 360-16的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合最好，未修正美國(guó)規(guī)范AISC 360-16次之，而歐洲規(guī)范EN 1993-1-8的計(jì)算結(jié)果偏保守.中國(guó)規(guī)范GB 50018-2002通過(guò)限制端距最小值避免剪出破壞發(fā)生，滿足該規(guī)范邊距、端距構(gòu)造要求的3個(gè)試件的孔壁承壓承載力的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)結(jié)果，中國(guó)規(guī)范GB 50018-2002的計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守.