高強(qiáng)鋼板-螺栓連接副抗拉性能試驗(yàn)研究

段留省，周天華，蘇明周，李 慧

(1. 長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3. 恒大地產(chǎn)集團(tuán)西安有限公司，陜西 西安 710000)

高強(qiáng)鋼芯筒-螺栓連接副裝配式鋼管柱節(jié)點(diǎn)通過一種新型單邊張緊高強(qiáng)螺栓連接副完成連接，該連接副由高強(qiáng)鋼板和高強(qiáng)螺栓配合而成，鋼板攻絲后替代螺母.裝配時(shí)將鋼板焊接成芯筒并攻絲，插入鋼管柱節(jié)點(diǎn)位置，高強(qiáng)螺栓由外向內(nèi)穿過鋼管柱壁板，旋入柱內(nèi)的鋼板絲孔并擰緊.關(guān)于這種新型單邊連接副的研究較少，尤其是抗拉性能.傳統(tǒng)單邊螺栓可用于鋼管柱螺栓連接，但存在錨固不足的缺陷[1]，為改善單邊螺栓抗拔能力，有學(xué)者提出帶擴(kuò)大端單邊螺栓[2]，抗拉試驗(yàn)表明混凝土強(qiáng)度對錨固效果影響顯著[3-4].也有學(xué)者將鋼板貼焊于鋼管柱外側(cè)，開孔攻絲后再與高強(qiáng)螺栓連接，試驗(yàn)表明這種連接方式容易出現(xiàn)鋼板變形、螺紋脫扣、螺栓拔出的問題[5-8].原因可能是鋼板抗拉強(qiáng)度不足和板厚較小.當(dāng)降低螺栓強(qiáng)度等級并加大鋼板厚度時(shí)，鋼板螺紋脫扣現(xiàn)象消失，能夠達(dá)到等效剛接[9-10].當(dāng)高強(qiáng)螺栓擰入長度比原設(shè)計(jì)減少2個(gè)嚙合數(shù)時(shí)，螺栓球節(jié)點(diǎn)發(fā)生螺栓拔出破壞[11].關(guān)于高強(qiáng)螺栓抗拉承載力計(jì)算，劉秀麗等[12]通過有限元分析提出考慮撬力的高強(qiáng)螺栓抗拉承載力計(jì)算公式，陳紹蕃[12]建議高強(qiáng)螺栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值取螺桿極限抗拉荷載的70%，需試驗(yàn)驗(yàn)證.

本文高強(qiáng)螺栓等級為10.9級，選用Q460高強(qiáng)鋼板替代螺母，并與螺母常用材質(zhì)45號鋼、低合金高強(qiáng)鋼Q345鋼進(jìn)行對比，以期獲得現(xiàn)有高強(qiáng)螺栓的最優(yōu)配合鋼材牌號和厚度.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料性能

根據(jù)《螺母設(shè)計(jì)指南》(GB/Z32564-2016)[13]的設(shè)計(jì)原則，靜態(tài)拉力下連接副不應(yīng)發(fā)生脫扣，原因是這種破壞不易發(fā)現(xiàn).故鋼板攻絲孔內(nèi)螺紋脫扣荷載FSn應(yīng)高于螺栓最小拉力荷載Pn.影響鋼板內(nèi)螺紋脫扣荷載的主要因素是鋼板厚度和鋼材抗拉強(qiáng)度.鋼板內(nèi)螺紋脫扣荷載FSn可按(1)公式估算，初步選取鋼板厚度.但鋼板不能完全等同于螺母，原因是鋼板內(nèi)螺紋由工廠簡易加工，機(jī)械精度不及標(biāo)準(zhǔn)螺母，且鋼板尺寸也遠(yuǎn)大于螺母外輪廓尺寸，計(jì)算結(jié)果的可靠性須經(jīng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證.

Fsn=0.6RmnASnC1C3

(1)

其中：C1為鋼板(螺母)擴(kuò)張的修正系數(shù)；C3為螺紋彎曲影響螺母脫扣強(qiáng)度的影響系數(shù)；Rmn為鋼板(螺母)抗拉強(qiáng)度；ASn為內(nèi)螺紋承剪面積；選取45鋼、Q460C、Q345B三種鋼材作為研究對象，其中45鋼是螺母常用鋼材，后二者為低合金高強(qiáng)鋼；選后二者是為了克服45鋼焊接性較差的缺點(diǎn)，有利于鋼板芯筒焊接連接.鋼板材料性能見表1.

表1 鋼板材料性能

1.2 試驗(yàn)裝置與試件編號

鋼板-連接副單調(diào)拉伸試驗(yàn)裝置見圖1(a).安裝時(shí)將連接副的鋼板通過安裝螺栓固定于T形連接件，再將10.9級高強(qiáng)螺栓旋入攻絲孔，穿鋼板后露2～3個(gè)絲扣；螺桿和T形件分別在萬能試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭處夾緊，完成安裝.連接副的鋼板尺寸均為200×200，中心開孔攻絲，絲孔應(yīng)滿足10.9級高強(qiáng)螺栓的配合精度，T形件詳圖見圖1(b).

圖1 螺栓拉伸試驗(yàn)裝置Fig.1 Bolt tensile test setup

對于10.9級M16螺栓，鋼板厚度參照《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角螺母》(GB/T 1229-2006)[14]給定的螺母厚度16.4～17.1 mm，結(jié)合公式(1)計(jì)算結(jié)果取最小厚度為16 mm.對于45鋼，按“略厚(Thick)、標(biāo)準(zhǔn)(Standard)、略薄(Thin)”的原則選取三種厚度：20 mm、16 mm、14 mm.將20 mm和16 mm鋼板分為兩批，其中一批進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，另一批不做處理，考察材質(zhì)處理對連接副抗拉承載力的影響.Q460C和Q345B鋼材均參照文獻(xiàn)[14]取標(biāo)準(zhǔn)厚度.連接副試件編號見表2.

1.3 測量內(nèi)容與試驗(yàn)方法

為測定不同牌號鋼板-高強(qiáng)螺栓連接副的抗拉極限承載力，采用單調(diào)拉伸試驗(yàn)方法，加載制度采用荷載控制方式，加載速度為1 kN/s.整個(gè)試驗(yàn)在100 t萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成，螺栓拉力荷載由試驗(yàn)機(jī)自帶荷載傳感器測量，連接副的變形量由儀器內(nèi)部位移計(jì)測量.觀測項(xiàng)目為螺栓拉斷、脫扣拔出或鋼板變形等破壞現(xiàn)象.

表2 試件編號

注：14、16、18、20、22、25代表鋼板公稱厚度，-1、-2代表連接副編號；T代表調(diào)質(zhì)處理；*代表組合鋼板厚度，即20=16+4.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

在調(diào)質(zhì)45鋼板-螺栓連接副系列中，連接副M16-16-T、M16-20-T的螺栓在螺紋處發(fā)生斷裂，斷裂后螺桿可以從絲孔中取出，即絲孔完好可以重復(fù)使用.連接副M16-20、M16-16的破壞模式與調(diào)質(zhì)系列相同，說明不調(diào)質(zhì)也可滿足螺栓要求，為降低成本，45號鋼板不進(jìn)行調(diào)質(zhì).

在45鋼板-螺栓連接副系列中，連接副M16-16、M20-20、M24-25的螺栓被拉斷圖2(a)，螺栓拉斷前存在明顯變形，屬于延性破壞；螺栓拉斷后取出，發(fā)現(xiàn)鋼板螺紋完好.連接副M16-14、M20-16、M24-20發(fā)生鋼板內(nèi)螺紋脫扣破壞圖2(b)，鋼板出現(xiàn)面外凸起變形圖2(c)，螺栓未被拉斷，破壞突然發(fā)生.

在Q460C鋼板-螺栓連接副系列中，連接副M16-16、M24-25的螺栓被拉斷，螺栓拉斷前變形明顯；M20-20連接副破壞時(shí)鋼板內(nèi)螺紋發(fā)生脫扣，這與預(yù)期不符.主要原因是連接副中20 mm厚鋼板并非一塊整板，而是由16 mm厚和4 mm兩塊鋼板貼焊而成的疊合板；雖一同鉆孔攻絲，但兩部分螺紋在板間并不連續(xù)，外側(cè)的螺紋承擔(dān)大部分拉力，相當(dāng)于單張板厚度，面外剛度較小，鋼板內(nèi)螺紋承載力低，疊合板逐一脫扣滑牙.

在Q345B鋼板-螺栓連接副系列中，連接副M16-18、M16-22、M24-25的螺栓被拉斷的延性破壞，螺栓拉斷前的存在明顯變形.鋼板-螺栓連接副典型破壞現(xiàn)象見圖2.

圖2 鋼板-螺栓連接副抗拉試驗(yàn)破壞現(xiàn)象Fig.2 Failure modes of steel plate-bolt assemblies in tensile test

2.2 極限承載力

45鋼板連接副單調(diào)拉伸試驗(yàn)P-Δ曲線見圖3(a)、圖3(b)，其中P代表拉力荷載、Δ代表軸向變形.由圖3a可知，連接副M16-16-1、M16-16-T、M16-20-1、M16-20-T的極限荷載Pmax均超過10.9級M16螺母的最小拉力荷載Pn.由圖3(b)可知，連接副M16-16、M20-20、M24-25的極限荷載Pmax大于對應(yīng)的螺母最小拉力荷載Pn，螺栓被拉斷；連接副M16-14、M20-16、M24-20的極限荷載Pmax略小于螺母的最小拉力荷載Pn，鋼板內(nèi)螺紋脫扣破壞.

圖3 45鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線Fig.3 45 grade steel plate-bolt assemblies P-Δ curves

45鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線分析見表3，表中t為鋼板厚度，F(xiàn)Sn為鋼板內(nèi)螺紋理論承載力，Pn為螺母最小拉力荷載，Pb為螺栓極限荷載，Pmax為連接副極限荷載.

由表可知，對于M16、M20和M24三種規(guī)格螺栓，略厚板和標(biāo)準(zhǔn)鋼板的內(nèi)螺紋承載力FSn大于螺母最小拉力荷載Pn，且大于螺栓極限荷載Pb，螺栓最終被拉斷；薄鋼板內(nèi)螺紋承載力FSn接近螺母最小拉力荷載Pn，小于螺栓極限荷載Pb，螺栓未被拉斷，破壞時(shí)鋼板內(nèi)螺紋脫扣.對比薄鋼板內(nèi)螺紋承載力的理論值FSn與試驗(yàn)值Pmax發(fā)現(xiàn)，M16螺栓理論值比試驗(yàn)值略大而M20、M24的偏小，差值在10%以內(nèi)，表明45號鋼螺紋承載力的理論公式較準(zhǔn)確.

Q460C鋼板連接副的P-Δ曲線見圖4(a)，由圖可知，連接副M16-16、M24-25的極限荷載Pmax大于對應(yīng)的螺母最小拉力荷載Pn，螺栓被拉斷.M20-20標(biāo)準(zhǔn)板連接副的極限荷載Pmax接近螺母最小拉力荷載Pn，但小于螺栓極限荷載Pb，發(fā)生鋼板內(nèi)螺紋發(fā)生脫扣破壞.表明理論計(jì)算會高估疊合板內(nèi)螺紋承載力.P-Δ曲線分析見表4，由表可知，M16、M20和M24三種規(guī)格螺栓，標(biāo)準(zhǔn)鋼板的內(nèi)螺紋承載力FSn大于螺母最小拉力荷載Pn，且大于螺栓極限荷載Pb，M16、M24的FSn比Pb分別高出9.21%、12.47%，螺栓最終被拉斷；M20由于鋼板加工問題未發(fā)生螺栓斷裂，不具有代表性.

表3 45鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線分析

Q345B鋼板連接副的P-Δ曲線見圖4(b)，由圖可知，連接副M16-18、M16-22、M24-25極限荷載Pmax大于對應(yīng)的螺母最小拉力荷載Pn，故螺栓被拉斷.P-Δ曲線分析見表5，由表可知，M16、M20和M24三種規(guī)格螺栓，標(biāo)準(zhǔn)鋼板的內(nèi)螺紋承載力FSn大于螺母最小拉力荷載Pn，且大于螺栓極限荷載Pb，三者FSn比Pb分別高出18.88%、7.74%、7.45%，螺栓最終被拉斷.以上表明Q345B鋼板-螺栓連接副的鋼板厚度應(yīng)不小于螺栓直徑d+(1～2) mm，即取常用鋼板厚度中比螺栓公稱直徑高一個(gè)規(guī)格的厚度.

圖4 高強(qiáng)度鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線Fig.4 High strength steel plate-bolt assemblies P-Δ curves

編號t/mmFSn/kNPb/kNPmax/kN(FSn- Pb)· P-1b/%破壞形式M16-16-116.3419217217111.43拉斷M16-16-216.091881721719.21拉斷M20-20-120.153032942472.79脫扣M20-20-220.123022942802.59脫扣M24-25-125.1144839739712.76拉斷M24-25-225.0644739739312.47拉斷

2.3 分析與討論

(1)45號鋼是高強(qiáng)螺母常用材質(zhì)，能夠被低合金高強(qiáng)度鋼材替代的原因是二者抗拉強(qiáng)度接近.當(dāng)采用強(qiáng)度較低的合金鋼時(shí)，需要增加一定鋼板厚度；若鋼材抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低，雖增加鋼板厚度可能也達(dá)不到螺母的最小拉力荷載，原因是螺紋嚙合部位最大應(yīng)力出現(xiàn)在前三扣[15]，連接副在拉斷前就出現(xiàn)解扣式滑牙脫扣破壞，而不會出現(xiàn)螺栓拉斷破壞.

表5 Q345B鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線分析

(2)不同厚度高強(qiáng)鋼板貼焊成疊合板，攻絲后與高強(qiáng)螺栓連接，破壞模式與整張板完全不同.原因是疊合板中兩部分螺紋緊貼但無有效連接措施，螺紋不連續(xù)，無法共同工作，外側(cè)的螺紋承擔(dān)大部分拉力，相當(dāng)于單張板厚度，面外剛度較小，疊合板逐一被拉脫滑牙.

(3)考察45鋼、Q460C、Q345B不同厚度鋼板與M16、M20、M24的組合連接副極限抗拉承載力，為便于分析，采用無量綱化處理各組螺栓的承載力，各組合連接副的極限承載力對比見圖5.由圖可知，采用標(biāo)準(zhǔn)厚度的高強(qiáng)鋼板-螺栓組合連接副的承載力與螺桿極限承載力比值不小于0.85；考慮到加工和安裝誤差，折減15%，因而建議標(biāo)準(zhǔn)厚度高強(qiáng)鋼板-螺栓組合連接副抗拉承載力設(shè)計(jì)值Nbt=0.7Aeftb，其中Ae為螺栓有效面積，ftb為螺栓極限抗拉強(qiáng)度，這與文獻(xiàn)[8]一致.為謹(jǐn)慎起見，仍需擴(kuò)大樣本數(shù)量進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證.

圖5 高強(qiáng)度鋼板-螺栓連接副抗拉承載力Fig.5 High strength steel plate-bolt assemblies tensile strength

(4)試驗(yàn)未考慮鋼板攻絲孔與安裝螺栓孔的孔距對抗拉承載力的影響，即攻絲鋼板約束邊界范圍內(nèi)的有效寬厚比，擬通過試驗(yàn)和有限元分析進(jìn)一步探討該因素下連接副的破壞模式和抗拉承載力變化規(guī)律.

3 結(jié)論

(1)Q460C和Q345B均可作為45鋼的替代材料，滿足高強(qiáng)螺栓的強(qiáng)度要求和鋼結(jié)構(gòu)的焊接要求.

(2)采用強(qiáng)度較高鋼材可減少連接副用鋼量，并為高強(qiáng)鋼芯筒-螺栓連接梁柱節(jié)點(diǎn)提供數(shù)設(shè)計(jì)參考.

(3)為保證鋼板-螺栓連接副不發(fā)生鋼板滑牙破壞，建議對于Q460C鋼板厚度不宜小于螺栓的公稱直徑d；Q345B鋼板厚度不宜小于螺栓直徑d+(1～2) mm.