冷彎薄壁型鋼螺釘連接抗剪性能試驗(yàn)研究

李元齊，馬榮奎，宋延勇，潘斯勇

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

螺釘連接施工便利，外形美觀，連接剛度好，承載能力高，是目前2mm以下冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)最主要的一種連接方式.隨著冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展，螺釘連接性能日益受到重視.1990年，美國康奈爾大學(xué)的Pekoz教授［1］通過對3500多個冷彎薄壁型鋼螺釘連接承載力試驗(yàn)結(jié)果的研究，提出了鋼板與鋼板螺釘連接承載力設(shè)計計算公式，該公式被美國規(guī)范 AISI 1996［2］所采納.2002年，LaBoube等［3］發(fā)現(xiàn)，在螺釘和鋼板型號不變的條件下，多顆螺釘連接時每顆螺釘連接的平均承載力與單顆螺釘連接相比有所降低，他將這種現(xiàn)象定義為“群效應(yīng)”，并給出了考慮“群效應(yīng)”的螺釘連接抗剪承載力計算方法，如式（1）和（2）所示.

式中：R為群效應(yīng)折減系數(shù)；n為螺釘數(shù)目；Nv1為單顆螺釘連接的抗剪承載力；Nv為考慮“群效應(yīng)”的螺釘連接抗剪承載力.其中，群效應(yīng)折減系數(shù)R是根據(jù)螺釘間距為3倍釘距試件的試驗(yàn)結(jié)果得到的，且該公式只適用于斜拔和承壓破壞.

國內(nèi)近幾年做過一些相應(yīng)的研究［4-8］，但不夠系統(tǒng).基于歐洲建議［9］，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50018—2002）［10］給出了螺釘連接承載力的設(shè)計計算方法，該標(biāo)準(zhǔn)適用于壁厚1.5～6.0mm的鋼板，且主要針對強(qiáng)度等級 Q235及Q345的鋼材，對于板件壁厚小于1.5mm的板材及其他高強(qiáng)板材螺釘連接的承載力設(shè)計計算方法尚無規(guī)定.本文分別對壁厚1.5mm以下的S280（屈服強(qiáng)度280MPa）和LQ550（屈服強(qiáng)度550MPa）冷軋鋼板與螺釘連接形成的試件進(jìn)行了抗剪性能試驗(yàn)，用以驗(yàn)證現(xiàn)行規(guī)范GB 50018—2002對壁厚1.5mm以下鋼板以及高強(qiáng)鋼材螺釘連接抗剪承載力設(shè)計計算方法的適用性.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置和試件

本文進(jìn)行了149個單剪形式的鋼板-鋼板螺釘連接試件的抗剪性能試驗(yàn).鋼板包含兩種等級，分別為S280和LQ550牌號，鋼板壁厚均在1.0mm以下.

對于S280鋼板螺釘連接試件，其鋼板壁厚為1.0mm，寬度分為45，60，80mm 三種；通過 P／W 8×13型號（公稱直徑4.2mm，長度13mm）的螺釘與鋼板連接，螺釘均不帶墊圈；螺釘排列方式分為橫排、縱排、混合排三種；共采用七種螺釘間距，包括3d，4d，5d，7d，10d，15d，20d（d 表示螺釘公稱直徑）；三種端距，包括2d，3d，4d；邊距均大于1.5d.對于LQ550鋼板螺釘連接試件，其鋼板壁厚分為1.00，0.75，0.60，0.48mm 四種，寬度均為50mm；試驗(yàn)采用五種型號的螺釘，其排列方式分為橫排、縱排兩種；采用三種螺釘間距，包括3d，4d，6d；三種端距，包括3d，4d，6d；邊距均大于1.5d.

試件編號采用“SC2-A2B50-4d-L-1”的形式，其中，“SC2”中，“SC”表示螺釘，“2”表示螺釘數(shù)目；“A2B50”中，“A”表示釘尖側(cè)鋼板（按照鋼板壁厚由大到小的順序，將其分別以“A”，“B”，“C”，“D”表示，見表1），“2”表示螺釘型號（試件所用不同型號的螺釘，分別以“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”表示，見表2），“B”表示釘頭側(cè)鋼板（根據(jù)規(guī)范 GB 50018—2002［10］，釘尖側(cè)鋼板厚度不小于釘頭側(cè)鋼板厚度），50表示鋼板寬度為50mm；“4d”表示螺釘間距（若試件中只有一顆螺釘，則表示螺釘端距），“L”表示螺釘縱向排列（“T”表示螺釘橫向排列，“I”表示螺釘混合排列），“1”表示重復(fù)試件編號.

采用CSS-44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示.鋼板材性數(shù)據(jù)見表1.

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test set-up

表1 鋼板材性Tab.1 Material properties of steel heets

表2 螺釘規(guī)格Tab.2 Parameters of screws

1.2 試件破壞模式

螺釘抗剪連接的破壞模式主要有以下四種：螺釘斜拔、孔壁承壓或撕裂、鋼板凈截面拉斷以及螺釘剪斷破壞.試驗(yàn)中，試件的破壞模式或是其中一種，或是幾種破壞模式的組合.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本文將149個螺釘連接試件的破壞模式主要?dú)w為三類.

1.2.1 螺釘斜拔破壞（伴隨孔壁承壓或撕裂）

加載初期，鋼板孔壁承壓，螺釘受剪；隨著荷載逐漸增大，孔壁承壓變形，鋼板發(fā)生錯動，同時螺釘開始微微傾斜；荷載繼續(xù)增加，螺釘傾斜角增大，并且在外力作用下逐漸滑脫鋼板，同時鋼板圓孔被拉長（部分試件的鋼板孔壁被撕裂），板端或板側(cè)發(fā)生翹起，最終螺釘被拔出，試件破壞（見圖2）.對于沿受力方向有多顆螺釘?shù)脑嚰偸蔷嚯x板端最近的螺釘最先被拔出，然后內(nèi)側(cè)螺釘逐漸被拔出.螺釘被斜拔出是受到拉、剪共同作用的結(jié)果，螺釘斜拔是一種較普遍的破壞模式.本文149個試件中，共有106個試件發(fā)生螺釘斜拔破壞.

圖2 螺釘斜拔破壞Fig.2 Screw tilting and hole bearing

1.2.2 鋼板凈截面拉斷破壞

加載前期，試件基本完好；隨著荷載增大，孔壁承壓變形，而后鋼板在孔壁處發(fā)生撕裂，且裂縫不斷向兩側(cè)延伸，最終裂縫貫穿整個截面.發(fā)生該破壞模式的試件沿受力方向均含有多顆螺釘，凈截面破壞的位置均發(fā)生在鋼板端部最近的一排螺釘處，且發(fā)生凈截面破壞的鋼板總為釘尖側(cè)鋼板（見圖3）.

圖3 鋼板凈截面破壞Fig.3 Net section fracture of steel sheets

1.2.3 螺釘剪斷破壞

加載初期，試件并無太大變化；外荷載增加，部分試件螺釘連接良好，板件孔壁未發(fā)生變形，當(dāng)荷載增大到某一值時，螺釘突然被剪斷，發(fā)生剪切破壞（見圖4a）；部分試件隨著外荷載增加，板件孔壁發(fā)生較小承壓變形，螺釘發(fā)生傾斜，當(dāng)荷載增大到某一值時，螺釘被剪斷（見圖4b）.前者是螺釘在純剪切作用下的破壞，破壞前未出現(xiàn)明顯征兆，呈脆性破壞特征；后者是螺釘受拉剪作用的結(jié)果，但剪力起主要作用.

圖4 螺釘剪斷破壞Fig.4 Shear failure of screws

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)記錄試件的荷載—夾具相對位移曲線.下面分別給出試驗(yàn)中三種主要破壞模式的荷載—變形曲線.

1.3.1 螺釘斜拔破壞荷載—變形曲線

圖5為螺釘斜拔破壞的荷載—變形典型曲線，圖中P為外荷載，D為試驗(yàn)機(jī)夾具相對位移.從圖中可以看出，在加載初期，試件連接剛度較大且荷載與變形基本上呈現(xiàn)線性增長趨勢；隨著荷載增加，當(dāng)孔壁發(fā)生承壓變形，螺釘傾斜時，剛度下降，由于螺釘螺紋與鋼板孔壁的咬合作用，試件還能繼續(xù)承受增加的外荷載.當(dāng)螺紋與鋼板的咬合力不足以抵抗繼續(xù)增加的外荷載時，螺釘開始逐漸滑脫鋼板，即出現(xiàn)了圖5a中加載后期的“鋸齒”狀曲線；對于連接板件較薄的試件，隨著荷載的增大，鋼板孔壁受到螺桿和螺紋的擠壓作用而開裂，曲線出現(xiàn)一明顯下降段，隨著裂口的不斷增大，螺釘最終被拔出，如圖5b所示.

1.3.2 鋼板凈截面拉斷破壞荷載—變形曲線

圖6為鋼板凈截面拉斷破壞荷載—變形典型曲線.從圖中可以看出，曲線較為平滑，呈現(xiàn)三段式.在加載初期，連接剛度較大，荷載與變形呈現(xiàn)線性增長趨勢；當(dāng)荷載增加到一定程度后，鋼板孔壁開裂，連接剛度急劇下降，此時裂縫不斷向兩側(cè)延伸，荷載增長緩慢；當(dāng)裂縫貫通板件整個橫截面時，試件破壞.從兩圖的比較中可以看出，螺釘多排多列排列的試件承載力明顯高于螺釘縱向排列的試件，而延性遠(yuǎn)低于后者.

1.3.3 螺釘剪斷破壞荷載—變形曲線

圖7為螺釘剪斷破壞荷載—變形典型曲線.從圖中可以看出，螺釘剪斷破壞表現(xiàn)為兩種形式，一種如圖7a所示，其荷載—變形曲線與螺釘斜拔破壞相似，且在加載后期曲線呈現(xiàn)“鋸齒”狀，表現(xiàn)出斜拔破壞的特征；一種如圖7b所示，曲線平滑、短促，當(dāng)達(dá)到極限荷載時，曲線急劇下降，表現(xiàn)為脆性破壞.

圖7 螺釘剪斷破壞荷載—變形曲線Fig.7 Load-deformation curves in case of screw shear failure

2 承載力影響因素分析

2.1 螺釘端距

為了研究螺釘端距對抗剪承載力的影響，進(jìn)行了三組不同端距（共九個）試件的承載力測試，三組試件SC1-A6A45-2d，SC1-A6A45-3d，SC1-A6A45-4d的平均承載力分別為2.834kN，3.044 kN，3.083kN.試件SC1-A6A45-3d，SC1-A6A45-4d的承載力比試件SC1-A6A45-2d分別高出7.4%，8.8%.可見，當(dāng)螺釘端距小于3倍釘距時，隨著螺釘端距的減小試件的承載力顯著降低；當(dāng)螺釘端距大于等于其直徑的3倍時，螺釘端距變化對試件的承載力影響不大.

2.2 螺釘間距

圖8中給出了本文試驗(yàn)中五顆螺釘縱向排列試件的承載力隨螺釘間距的變化規(guī)律.從圖中可以看出，在一定范圍（5倍釘距）內(nèi)，試件的承載力隨著螺釘間距的增大而增大；當(dāng)螺釘間距超過5倍釘距時，試件承載力無明顯變化，未呈現(xiàn)隨螺釘間距增大而增大的趨勢.

圖8 抗剪承載力與螺釘間距的關(guān)系圖Fig.8 Relationship between test shear strength and screw spacing

2.3 螺釘排列方式

文獻(xiàn)［3］認(rèn)為對于連接中含有相同數(shù)目螺釘?shù)脑嚰?，沿受力方向螺釘?shù)最多的試件的承載力最大.由表3數(shù)據(jù)可以看出，螺釘縱向排列的試件SC2-A6A45-3d-L，SC3-A6A45-3d-L的承載力平均值分別大于橫向排列試件SC2-A6A45-3d-T，SC3-A6A45-3d-T的承載力平均值；而試件SC3-A6A45-5d-L，SC3-A6A45-7d-L，SC4-A6A45-3d-L，SC5-A6A45-3d-L的承載力平均值卻分別小于螺釘橫向排列各相應(yīng)試件的承載力平均值.可見，文獻(xiàn)［3］的結(jié)論只適用于螺釘數(shù)目較少、螺釘間距較小的情況.當(dāng)螺釘數(shù)目較多，螺釘間距較大時，螺釘縱向排列的試件兩端螺釘受力大，中間螺釘受力小，由于螺釘承受的剪力不均勻，導(dǎo)致其承載力低于螺釘橫向排列時試件的承載力.

表3 螺釘排列方式對抗剪承載力的影響Tab.3 Effect of screw pattern on shear strength

2.4 螺釘數(shù)目

表4列出了多顆螺釘連接的抗剪承載力與單顆螺釘連接的比較情況，表中，P為多顆螺釘連接試件的抗剪承載力平均值，P1為單顆螺釘連接試件SC1-A6A454d抗剪承載力平均值.從表中數(shù)據(jù)可以看出，多顆螺釘連接時，試件的整體抗剪承載力與單顆螺釘連接相比，并非呈現(xiàn)比例增長趨勢，而是呈現(xiàn)非線性關(guān)系；除試件SC3-A6A80-7d-T外，其余試件中平均每顆螺釘分擔(dān)的承載力與單顆螺釘連接試件相比均有所降低.

表4 螺釘數(shù)目對抗剪承載力的影響Tab.4 Effect of screw numbers on shear strength

3 試驗(yàn)結(jié)果比較分析

3.1 螺釘斜拔破壞

從試驗(yàn)現(xiàn)象來看，斜拔破壞是最主要的破壞模式，該破壞模式的特點(diǎn)是在外力作用下螺釘發(fā)生傾斜，逐漸滑脫鋼板，并最終被拔出，同時伴隨著鋼板孔壁承壓變形，或是被撕裂.我國規(guī)范GB 50018—2002對螺釘連接抗剪承載力設(shè)計計算方法是基于歐洲建議，主要針對該破壞模式提出的；目前，該規(guī)范對壁厚1.5mm以下鋼板螺釘連接以及高強(qiáng)鋼材螺釘連接抗剪承載力設(shè)計計算方法的適用性尚無定論.規(guī)范GB 50018—2002［10］對螺釘連接抗剪承載力設(shè)計計算方法的規(guī)定如下：

當(dāng)1＜t1／t＜2.5時

表5和6列出了斜拔破壞試件的抗剪承載力試驗(yàn)值及其與計算值的比較情況.表中，P為試件抗剪承載力試驗(yàn)值，P0為按規(guī)范GB 50018—2002所得抗剪承載力計算值，PR為考慮“LaBoube”群效應(yīng)并按照規(guī)范GB 50018—2002所得抗剪承載力計算值.對于由相同壁厚鋼板組成的螺釘連接試件，其抗剪承載力計算值P0均由螺釘斜拔控制，即式（3）；對于由不同壁厚鋼板組成的螺釘連接試件，其抗剪承載力計算值P0由螺釘斜拔和孔壁承壓（或撕裂）共同控制，即由式（3）和（5）插值求得.

表5給出了單顆螺釘連接抗剪承載力計算值與試驗(yàn)值的比較情況.從表中數(shù)據(jù)可以看出，S280鋼板試件的抗剪承載力計算值P0與試驗(yàn)值P吻合較好，兩者比值范圍在0.858～1.076之間.LQ550鋼板試件，按連接鋼板厚度可分兩類說明：對于由壁厚0.75mm以上鋼板組成的試件，其承載力計算值P0與試驗(yàn)值P的比值在0.789～0.917之間；對于連接中存在壁厚0.6mm以下鋼板的情況，其比值P0／P的離散性較大，在0.591～1.243范圍內(nèi)，部分試件的承載力計算值要略高于試驗(yàn)值.

表5 單顆螺釘連接抗剪承載力計算值與試驗(yàn)值比較Tab.5 Comparison of shear strengths of the tested and the estimated for single screw connections

表6給出了多顆螺釘連接抗剪承載力計算值與試驗(yàn)值的比較情況.按照規(guī)范GB 50018—2002所得試件抗剪承載力計算值P0，并與試驗(yàn)值P進(jìn)行比較，其比值范圍在0.770～1.242之間，從表中數(shù)據(jù)可以看出，超過半數(shù)試件的承載力計算值高于試驗(yàn)值.引入“LaBoube”群效應(yīng)后，按照規(guī)范GB 50018—2002所得試件承載力計算值PR和試驗(yàn)值P的比值與未考慮群效應(yīng)時相比，有了較大程度的改善，其比值范圍在0.650～1.000之間；其中，對于螺釘間距為3倍釘距的試件，其比值PR／P大多在0.800～0.900范圍內(nèi)；對于螺釘間距大于3倍釘距試件，其比值PR／P 大多在0.700～0.800范圍內(nèi)，由此可看出群效應(yīng)除與螺釘數(shù)目有關(guān)外，還與螺釘間距有一定關(guān)系.

3.2 鋼板凈截面拉斷破壞

共有10個試件發(fā)生了鋼板凈截面拉斷破壞，且這些試件沿受力方向均存在多顆螺釘.表7給出了鋼板被拉斷時其凈截面平均應(yīng)力σnet與其抗拉強(qiáng)度fu的對比情況（鋼板凈截面平均應(yīng)力σnet為承載力試驗(yàn)值P與鋼板凈截面面積An的比值）.前七個試件，鋼板寬45mm，螺釘縱向排列，鋼板橫截面上有一顆螺釘；后三個試件，鋼板寬60mm，螺釘排列方式為三排三列，鋼板橫截面上有三顆螺釘.從表中數(shù)據(jù)可看出，鋼板被拉斷時其凈截面平均應(yīng)力與其抗拉強(qiáng)度的比值σnet／fu接近于1.00，范圍在0.93～1.18之間，說明破壞時鋼板凈截面已進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力集中現(xiàn)象影響不明顯.對于多排螺釘連接時發(fā)生鋼板凈截面拉斷破壞的試件，其比值σnet／fu要高于單排螺釘連接的情況，表中螺釘排列方式為三排三列的三個試件（SC9-A6A60-5d-I-1／2／3），其比值σnet／fu已經(jīng)接近于1.20.

表6 多顆螺釘連接抗剪承載力計算值與試驗(yàn)值比較Tab.6 Comparison of shear strengths between the tested and the estimated for multiple screw connections

表7 鋼板凈截面平均應(yīng)力σnet與其抗拉強(qiáng)度fu比較Tab.7 Comparison of mean stress σnetof steel sheet net section and its tensile strength fu

我國規(guī)范GB 50018—2002中的螺釘連接抗剪承載力設(shè)計計算方法僅適用于螺釘斜拔破壞，對于鋼板凈截面拉斷破壞模式的計算尚無規(guī)定.澳洲規(guī)范［11］給出了鋼板凈截面拉斷破壞的計算規(guī)定：對于沿受力方向有多顆螺釘排列的情況，鋼板凈截面拉斷名義承載力按式（6）計算；對于只有一顆螺釘或是垂直于力的作用方向只有一排螺釘?shù)那闆r，其名義承載力按式（7）計算.

式中：Nt為鋼板凈截面抗拉承載力名義值；d為螺釘直徑；s為垂直于力作用方向的螺釘間距（當(dāng)垂直于力作用方向上只有一顆螺釘時，為鋼板寬度）.

本文試驗(yàn)中發(fā)生鋼板凈截面拉斷破壞的試件均為沿受力方向有多顆螺釘排列的情況，符合澳洲規(guī)范AS／NZS 4600∶2005（見式（6））的要求，且鋼板拉斷時其凈截面平均應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的比值σnet／fu接近于1.00，與式（6）的計算結(jié)果相吻合.對于只有一顆螺釘或是垂直于力的作用方向只有一排螺釘?shù)脑嚰?，試?yàn)中未出現(xiàn)鋼板被拉斷的情況.

3.3 螺釘剪斷破壞

共有33個試件發(fā)生了螺釘被剪斷破壞.為避免冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)螺釘連接發(fā)生螺釘剪斷破壞，澳洲規(guī)范［11］作如下規(guī)定：螺釘剪斷承載力不得小于被連接板件破壞起控制作用的承載力的1.25倍（見式（8）），螺釘剪斷承載力應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測定.

表8按照澳洲規(guī)范AS／NZS 4600∶2005的規(guī)定對螺釘剪斷破壞進(jìn)行了比較分析.P0表示螺釘連接斜拔破壞承載力計算值，該值按照我國規(guī)范GB 50018—2002計算所得；對于表中由兩顆以上螺釘連接的試件，P0為考慮了“LaBoube”群效應(yīng)的承載力計算值.從表中計算結(jié)果的比較中可以看出，除極少數(shù)試件的螺釘剪斷承載力滿足澳洲規(guī)范的要求外，大多數(shù)試件的螺釘剪斷承載力不滿足要求，這說明本文試驗(yàn)中發(fā)生螺釘剪斷破壞的試件所用螺釘與鋼板的匹配未達(dá)到澳洲規(guī)范的要求.為避免螺釘被剪斷的情況發(fā)生，必須采用更高性能的螺釘.

表8 按照澳洲規(guī)范AS／NZS 4600∶2005分析螺釘剪斷破壞Tab.8 Analysis of shear fracture of screws according to Australian／New Zealand standard AS／NZS 4600∶2005

針對冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中螺釘發(fā)生剪斷破壞的情況，北美規(guī)范NAS 2007也作了相關(guān)條文規(guī)定.與澳洲規(guī)范不同，北美規(guī)范［12］并未限制螺釘剪斷破壞的發(fā)生，而是規(guī)定螺釘連接抗剪承載力取決于螺釘和被連接板各自的承載能力，即螺釘連接抗剪承載力取螺釘剪斷破壞承載力和被連接板破壞起控制作用的承載力的較小值，同時規(guī)范中還規(guī)定了測定螺釘剪斷承載力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法.

4 結(jié)論

（1）在螺釘型號和數(shù)目及鋼板規(guī)格已定的情況下，隨著螺釘間距在一定距離范圍（5倍釘距）內(nèi)增大，抗剪承載力會有明顯提高；當(dāng)螺釘間距超過該范圍時，承載力無明顯變化.

（2）我國規(guī)范GB 50018—2002在計算多顆螺釘連接的抗剪承載力時偏于不安全；當(dāng)引入“LaBoube”群效應(yīng)折減系數(shù)R后，計算發(fā)現(xiàn)，螺釘間距為3倍釘距試件的抗剪承載力計算值與試驗(yàn)值較為接近，且略偏保守；對于螺釘間距大于3倍釘距的試件，其抗剪承載力計算值與試驗(yàn)值相比更為保守.由此可以看出，螺釘群效應(yīng)除與螺釘數(shù)目有關(guān)外，還與螺釘間距有關(guān).

（3）發(fā)生鋼板凈截面拉斷破壞時，凈截面已進(jìn)入塑性階段，且平均應(yīng)力已基本達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度，應(yīng)力集中現(xiàn)象影響不明顯.

（4）建議采用式（8）作為避免發(fā)生螺釘剪斷破壞的措施，同時還應(yīng)制定螺釘剪斷承載力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法以測定不同型號螺釘?shù)募魯喑休d力.

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