噴砂處理鋼板高強度螺栓摩擦型連接循環(huán)抗剪試驗研究

劉學春, 高勝寒, 陳學森

(北京工業(yè)大學 北京市高層和大跨度預應力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心, 北京 100124)

螺栓連接施工速度快、質(zhì)量易保證,符合國家裝配式鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展需求[1]。工程中常對軋制鋼板進行噴砂處理,以達到除銹和提高摩擦因數(shù)的目的,因此需要對噴砂處理后的高強螺栓連接件進行深入研究。目前,許多學者以應用高強度螺栓連接的梁柱節(jié)點為研究對象,分析節(jié)點在低周往復荷載下的滑移、耗能等性能指標。劉學春等[2]、Liu等[3-5]對不同形式的全螺栓梁柱節(jié)點進行了循環(huán)加載試驗,證明節(jié)點具有良好的抗震性能,并考慮單剪連接中螺母與鋼板摩擦力的有利作用提出了設計公式,但也發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載下接觸面滑移后摩擦因數(shù)可能發(fā)生變化,對摩擦因數(shù)變化的影響尚需進一步研究。張艷霞等[6]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)槽孔螺栓摩擦阻尼器的滯回曲線接近矩形,但孔長增加至40 mm后,摩擦力-位移曲線出現(xiàn)明顯不對稱且離散程度增大。石文龍等[7]對比了應用不同摩擦材料的3種摩擦阻尼器的力學性能,發(fā)現(xiàn)紫銅型摩擦阻尼器的滯回曲線更為飽滿,耗能效果更穩(wěn)定。上述研究表明,高強度螺栓連接能夠有效傳遞剪力并提供耗能,保證結(jié)構(gòu)的抗震能力;但在循環(huán)荷載下,受螺栓孔型、剪切面數(shù)、接觸面材料等影響,在發(fā)生滑移后接觸面間的摩擦因數(shù)和螺栓滑移規(guī)律尚需進一步分析。

此外,研究表明高強度螺栓連接滑移前板件間已存在一定的相對位移,對節(jié)點和結(jié)構(gòu)整體剛度有明顯影響,而目前相關規(guī)范[8]未考慮高強螺栓連接滑移前變形。王彥博等[9]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)混合連接抗滑移系數(shù)與臨界滑移位移保持一定正相關性。Zhao等[10]考慮螺栓壓力實際二維分布,基于Iwan模型和Lugere模型[11-13],提出連接切向剛度計算方法,發(fā)現(xiàn)臨界滑移隨螺栓預緊力和摩擦因數(shù)增大而線性增加。上述研究表明有必要開展進一步研究以確定高強度螺栓摩擦型連接滑移前變形的影響因素。

參考《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)[14],對采用噴砂處理摩擦面的不同螺栓尺寸和孔型的高強螺栓連接件進行了3種構(gòu)造情況下循環(huán)抗剪試驗研究,探究每種構(gòu)造下高強度螺栓受剪連接的不同參數(shù)對其受力和滑移過程中抗剪承載力、摩擦因數(shù)等影響,為高強度螺栓連接在抗震設計中的計算分析提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設計

表1 試件參數(shù)

圖1 試件裝配(單位:mm)

圖2 蓋板和芯板幾何尺寸(單位:mm)

1.2 試件方案

首先通過螺栓傳感器控制,按表1施加螺栓預拉力后進行低周往復加載,在試件達到最大靜摩擦力前采用荷載控制,加載速率不大于 0.5 kN/s;滑動后,采用位移控制加載,加載速率不大于0.03 mm/s。 當荷載-滑移曲線出現(xiàn)尖角或者達到表1規(guī)定幅值時改變拉壓方向,每個試驗循環(huán) 8圈。

荷載P由試驗機拉壓傳感器測量,100 mm量程拉線位移計被布置在芯板與底座間,所測位移記為S1;50 mm量程百分表被布置在蓋板與底座間,所測位移記為S2,由于芯板在加載過程中的彈性伸長變形可忽略,因此最終采用位移S=S1-S2計算蓋板與芯板間的滑移變形。2個螺栓拉力由壓力傳感器監(jiān)測,分別記為T1和T2,位移計及壓力傳感器布置詳見圖3。

圖3 試驗裝置

2 試驗現(xiàn)象

2.1 雙剪連接試驗

雙剪連接各組試件現(xiàn)象相似。開始加載時無聲響,荷載-位移曲線呈線性增長,此時處于抗滑移階段。伴隨一聲“嘣”響,試件達到最大靜摩擦力,滑移突增約1 mm,荷載值突降70%后回升,隨后試件進入滑移階段,此后滑移荷載隨循環(huán)圈數(shù)增加。試驗后各試件在芯板和蓋板孔洞周圍沿摩擦力方向出現(xiàn)不同程度的條狀劃痕,其中C24組和C20組磨損較為嚴重,見圖4。

圖4 雙剪連接試驗現(xiàn)象

2.2 單剪連接試驗

單剪連接各組試驗中,隨著荷載增大,試件由抗滑移階段轉(zhuǎn)為滑移階段,試件沒有發(fā)出聲響,荷載-滑移曲線沒有出現(xiàn)明顯的荷載峰值點。試驗后試件孔洞周圍出現(xiàn)條狀磨損,見圖5。

圖5 單剪連接試驗現(xiàn)象

2.3 夾紫銅片雙剪連接試驗

在各組噴砂鋼板間夾紫銅片的雙剪連接試驗中,由抗滑移階段到滑移階段時,試件發(fā)出很小聲音或沒有聲音,荷載隨著滑移增大逐漸減少至穩(wěn)定。加載過程中紫銅片與板件摩擦,孔洞周圍銅粉隨摩擦嵌入條狀凹槽內(nèi)(見圖6),槽孔比標準圓孔試件組紫銅片損壞嚴重。

圖6 夾紫銅片雙剪連接試驗現(xiàn)象

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載-滑移曲線

圖7所示,各組試件均經(jīng)歷抗滑移階段(OA段)、受拉滑移階段(AB段和EF段)、壓拉力轉(zhuǎn)向抗滑移階段(BC和DE段)和受壓滑移階段(CD段)。

圖7 典型荷載-滑移曲線

3.1.1 雙剪試驗

雙剪試驗的荷載-滑移曲線如圖8所示,各試件滑移后的正、負向荷載值基本對稱。以最大靜摩擦力即抗滑移承載力作為第0圈的荷載值,滑移后計為第1圈加載。首次滑移時荷載發(fā)生約70%的下降,但這是由于連接滑移發(fā)生速度過快導致試件剛度突降、試驗機發(fā)生卸載,并不代表連接承載力的真實下降幅度;穩(wěn)定加載后荷載回升,連接進入滑移階段,但總體上滑移時的荷載明顯低于抗滑移承載力。在隨后的8圈循環(huán)加載中,摩擦力緩慢提高直至穩(wěn)定,這是因為試驗中反復摩擦產(chǎn)生的劃痕增加了摩擦面的粗糙程度,提高了摩擦因數(shù),而隨著循環(huán)加載圈數(shù)增加,螺栓拉力逐漸降低,兩者的共同作用使荷載-滑移曲線保持穩(wěn)定[16]。圖9給出了各試件滑移荷載隨滑移圈數(shù)的變化關系,B20組相對B24組螺栓預拉力提高45.5%,抗剪承載力增加40.9%,C20組相對C24組,螺栓預拉力提高45.5%,抗剪承載力增加11.7%,表明槽孔試件螺栓預拉力和抗剪承載力不能同比例提升;C24組比B24組,C20組比B20組荷載分別增長了5.2%和32.6%,相同螺栓預拉力下,槽孔試件抗剪承載力比標準圓孔高。這是因為槽孔試件中螺栓的滑移距離長,鋼板磨損更大,導致槽孔試件的摩擦因數(shù)更高,而不同孔型螺栓拉力的變化差距不大。

圖8 雙剪連接荷載-滑移曲線

圖9 雙剪連接、單剪連接荷載-循環(huán)圈數(shù)曲線

滑移穩(wěn)定后,試件仍然存在一定大小的抗剪承載力即滑動承載力。B24組相對B20組螺栓預拉力提高45%、滑動承載力提高32.0%,C24組相對C20組滑動承載力提高26.9%。C20組滑動承載力比B20組提高11.1%,C24組滑動承載力比B24組提高7.0%。

3.1.2 單剪試驗

圖10所示,單剪連接試驗荷載-滑移曲線呈梭形,各組試件滑移前的變形較雙剪連接明顯增大,滑移后荷載沒有降低。隨著循環(huán)圈數(shù)的增加,摩擦力不斷提高,螺栓拉力降低,最終摩擦力穩(wěn)定。圖7(b)可知,試件在曲線第1個拐點A處的荷載約為雙剪連接試件第1次滑移荷載值的一半,此時螺栓墊圈與鋼板間無摩擦力;在螺栓墊圈和鋼板間摩擦力矩的有利作用下,第2個拐點A2處荷載比第1個拐點A處的荷載平均提升36.6%,之后曲線平穩(wěn)發(fā)展。

圖10 單剪連接試驗荷載-滑移曲線

單剪試驗中B24組比B20螺栓組預拉力提高45.5%,8圈荷載平均值提高7.4%,C24組比C20組荷載平均提高21.1%,槽孔試件承載力增幅小于螺栓預拉力增幅。C24組比B24組荷載提高3.5%,而C20組比B20組荷載降低8.2%,說明孔型對單剪連接摩擦力影響較小。

3.1.3 夾紫銅片雙剪試驗

圖11所示,噴砂鋼板間夾紫銅片滑移后,荷載值隨滑移不斷下降,下降速度逐漸緩慢至平穩(wěn)。原因是紫銅材質(zhì)比鋼材軟,滑移過程中不斷磨損,使得試驗曲線相對平穩(wěn)?；坪?在隨后的8圈加載過程中,摩擦力不斷降低至穩(wěn)定。由圖12可知,試驗結(jié)束后,紫銅雙剪中B20、C20、B24、C24組荷載分別降低21.3.%、25.2%、18.4%和27.7%,槽孔試件滑移荷載損失大于標準孔試件。圖11中部分試件出現(xiàn)位移較大時荷載增大的情況,是因為受限于安裝和加載控制精度,在試驗中部分試件出現(xiàn)了孔壁承壓情況。

圖11 夾紫銅片雙剪連接荷載-滑移曲線

圖12 雙剪連接、夾紫銅片雙剪連接荷載-循環(huán)圈數(shù)曲線

3.2 螺栓拉力

螺栓終擰后,螺栓拉力會隨時間以對數(shù)形式發(fā)生松弛損失[17],且主要發(fā)生在終擰完成1 h內(nèi);本試驗在終擰1 h后加載,可忽略螺栓拉力松弛損失;但在螺栓連接受剪和滑移過程中,螺栓拉力會發(fā)生進一步損失。將螺栓拉力與初始預拉力比值定義為D,圖13給出了各組試件3類連接在試驗中的螺栓拉力與初始預拉力比值隨循環(huán)圈數(shù)的變化關系,其中的螺栓拉力為各試件滑移荷載對應的T1、T2取平均值后,再取同類連接3個相同試件的螺栓拉力平均值。各類連接試驗在首次滑移前基本無損失。發(fā)生滑移后,雙剪連接、單剪連接和夾紫銅片雙剪連接的螺栓拉力分別下降6.7%、9.8%和7.5%,之后降幅逐漸減小至平穩(wěn)?？傮w上,單剪連接試件比雙剪連接試件的螺栓拉力損失更多,其中C20組和C24組單剪連接試件8圈循環(huán)螺栓拉力分別下降了42.4%和22.4%,主要原因是單剪試件加載時螺栓會發(fā)生轉(zhuǎn)動,使螺桿在受剪的同時也可能受到往復的拉壓作用,造成螺栓的預拉力下降。雙剪試驗中B24組和C24組在8圈循環(huán)下螺栓拉力分別下降了6.5%和8.5%,B20組和C20組的螺栓拉力分別下降了13.4%和22.6%。夾紫銅片的雙剪試件也呈現(xiàn)相同規(guī)律,表明在雙剪條件下增大螺栓直徑可降低螺栓拉力損失,槽孔會使螺栓拉力損失增多。

圖13 螺栓拉力比值-循環(huán)圈數(shù)曲線

3.3 抗滑移系數(shù)

基于我國規(guī)范的設計實踐,螺栓發(fā)生滑移前的抗剪承載力與螺栓的初始預拉力之比為抗滑移系數(shù),計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中:μ′D為雙剪連接試驗的抗滑移系數(shù);μ′S為單剪連接試驗中墊圈與噴砂鋼板的抗滑移系數(shù);μ′C為夾紫銅片雙剪連接試驗的抗滑移系數(shù);FD、FS、FC分別為雙剪、單剪以及夾紫銅片雙剪連接試驗的抗剪承載力;T為螺栓初始預拉力實測值。單剪連接試驗開始加載連接剛度最大,滑移達到拐點A后試件連接剛度逐漸減小,此時螺栓傾斜角度較小;直至滑移達到拐點A2后試件連接剛度不再變化,螺栓傾斜角度基本不變,荷載趨于穩(wěn)定。定義A點與A2點滑移平均值為單剪連接試驗中的滑移前變形,所對應荷載FS為單剪連接的抗剪承載力,見圖7。計算結(jié)果匯總于表2。表中缺失數(shù)據(jù)為監(jiān)測異常數(shù)據(jù),在分析中忽略。

表2 抗滑移系數(shù)

μ′D為0.199～0.383,μ′S為0.001～0.136,μ′C為0.175～0.426。噴砂鋼板間夾0.3 mm紫銅片,B20、B24、C20、C24組相對噴砂鋼板試件抗滑移荷載分別提高了35.0%、3.7%、11.0%和2.3%,表明夾紫銅片有利于提高噴砂鋼板間抗滑移荷載,而雙剪連接下,螺栓拉力下降幅度不大,使夾紫銅片試件的抗滑移系數(shù)提高約16.1%,相同螺栓尺寸下,不同孔型間的抗滑移系數(shù)μ′D、μ′S變化不大。螺栓直徑越大抗滑移系數(shù)越小。3種試驗下的抗滑移系數(shù)均小于規(guī)范[18]Q345鋼噴砂處理的板間抗滑移系數(shù)。

3.4 實測摩擦因數(shù)

試驗表明,發(fā)生滑動后螺栓拉力會發(fā)生變化,因此定義滑動時的摩擦力與實時螺栓拉力之比為實測摩擦因數(shù),計算公式為

(4)

(5)

(6)

式中:μD,1為雙剪連接試驗的實測摩擦因數(shù);μS,1為單剪連接試驗中墊圈與噴砂鋼板之間的實測摩擦因數(shù);μC,1為夾紫銅片雙剪連接試驗中的實測摩擦因數(shù);FD,i、FS,i、FC,i分別為雙剪、單剪以及夾紫銅片雙剪連接試驗滑移過程中的荷載波峰值;T1,i、T2,i分別為波峰摩擦力對應的2個螺栓實時拉力;n為每圈加載過程中滑移段波動過程中的波峰點個數(shù)。

表3 實測摩擦因數(shù)

將抗滑移系數(shù)記為第0圈的實測摩擦因數(shù),圖14 給出3類連接下實測摩擦因數(shù)隨循環(huán)圈數(shù)變化的曲線。對于雙剪連接,隨著循環(huán)圈數(shù)增加,實測摩擦因數(shù)不斷增加。經(jīng)過8圈循環(huán),C24組實測摩擦因數(shù)從0.139增為0.239,提高了71.9%,增長速度最大。單剪連接和夾紫銅片雙剪連接,實測摩擦因數(shù)較雙剪連接變化平緩。單剪連接下墊圈和鋼板間的實測摩擦因數(shù),在滑移前數(shù)值較低,在滑移后隨加載過程不斷增加,C20組由滑移前的0.024到滑移后第8圈的0.155,其他3組墊圈和鋼板間的實測摩擦因數(shù)滑移前后增加近66.9%。這是因為單剪連接受力時螺栓會發(fā)生傾斜,使得一部分剪力通過螺桿的受拉或受壓來傳遞,實際受剪承載力增加導致實測摩擦因數(shù)偏大,偏差幅值隨著加載幅值的增大而進一步增加。

圖14 實測摩擦因數(shù)-循環(huán)圈數(shù)曲線

3.5 名義摩擦因數(shù)

在實際工程設計中,為了方便計算,假定螺栓預拉力不變,摩擦因數(shù)變化,定義螺栓滑動時的摩擦力與初始螺栓預拉力之比為名義摩擦因數(shù)。將滑移荷載和預拉力T代入式(4)～(6)得到雙剪試件名義摩擦因數(shù)μDN、墊圈與鋼板間名義摩擦因數(shù)μSN和紫銅雙剪名義摩擦因數(shù)μCN,其隨加載圈數(shù)的變化如圖15所示,計算結(jié)果匯總于表4。

表4 名義摩擦因數(shù)

圖15 名義摩擦因數(shù)-循環(huán)圈數(shù)曲線

除B20-C組1個試件外,雙剪名義摩擦因數(shù)相比實測摩擦因數(shù)小23.0%以內(nèi);單剪名義摩擦因數(shù)相比實測摩擦因數(shù)明顯小,其中C20-S組1個試件由0.112降至0.002。

雙剪試件滑移后第1圈名義摩擦因數(shù)相對抗滑移系數(shù)下降約71.8%。單剪試件滑移后第1圈名義摩擦因數(shù)比抗滑移系數(shù)平均增加了0.1?；坪?C20-S組每圈比上1圈降幅13.1%,其他3組保持在7.0%以內(nèi)。夾紫銅片試件滑移后名義摩擦因數(shù)第1圈相對抗滑移系數(shù)降幅超過50.0%。

4 設計建議

4.1 抗滑移承載力

單剪連接試驗表面,其連接中墊圈和噴砂鋼板的抗滑移系數(shù)對試件抗剪承載力的影響不容忽略。而《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》(GB 50017—2017)[18]中的噴砂鋼板抗滑移承載力公式是基于雙剪切面試件所提出,沒有墊圈和鋼板間力矩對承載力的提高作用,因此提出單剪修正后的抗滑移承載力公式為

N′vsb=knf(μ′+μ′S)T

(7)

N′vdb=knfμ′T

(8)

式中:N′vsb、N′vdb分別為單剪、雙剪的抗滑移承載力;μ′和μ′S分別為噴砂鋼板間抗滑移系數(shù)和墊圈與噴砂鋼板間抗滑移系數(shù),依據(jù)表2取值。不同直徑螺栓預拉力T參照表1取值,nf為摩擦面數(shù),雙剪切面取2,單剪切面取1。k為孔型系數(shù),與規(guī)范不同,試驗結(jié)果表明標準孔取1.0,槽孔取1.03擬合結(jié)果較好。

表5給出抗滑移承載力試驗值與式(7)(8)計算結(jié)果的對比。結(jié)果顯示,所提出抗滑移承載力公式值與試驗值偏差大部分在±20%以內(nèi),標準孔組試件較槽孔組試件離散性更小。

表5 抗滑移承載力

4.2 滑動承載力

通過試驗分析發(fā)現(xiàn),3類連接滑移后,荷載隨循環(huán)圈數(shù)不斷變化至穩(wěn)定。此時,連接件仍具備一定大小的抗剪承載力即滑動承載力。通過引入循環(huán)荷載系數(shù)kR近似考慮摩擦因數(shù)和螺栓拉力在循環(huán)圈數(shù)下的變化,建立抗滑移承載力與滑動承載力的關系,滑動承載力公式為

(9)

(10)

圖16給出滑移承載力公式值與試驗值的對比,公式值與試驗值偏差大部分保持在±30%以內(nèi),噴砂鋼板間墊設紫銅片后試件的滑移承載力比未墊設紫銅片試件低41.8%。

圖16 滑動承載力對比

4.3 滑移前變形建議取值

試驗分析發(fā)現(xiàn),3類連接在達到抗滑移承載力前,連接件已發(fā)生一定大小的相對變形即滑移前變形,這種變形對后續(xù)節(jié)點設計時層間位移角的考慮產(chǎn)生影響。美國規(guī)范[19]僅給出雙剪連接下滑移前變形取值為0.508 mm,實際中的相對變形與摩擦面數(shù)、摩擦面處理方式、螺栓拉力大小、孔型、螺栓分布等相關。

本文給出試件在噴砂處理摩擦面、兩栓垂直剪力分布下,分別在雙剪連接、單剪連接和紫銅連接不同孔型下的滑移前變形試驗值,建議值為1組試驗值的平均值,見表6。

表6 滑移前變形

5 結(jié)論

本文對噴砂處理后不同螺栓尺寸和孔型的36個高強度螺栓抗剪連接試件進行了雙剪、單剪和夾紫銅片雙剪的循環(huán)荷載試驗,主要得到以下結(jié)論:

1)相同螺栓尺寸下,雙剪連接不同孔型間僅考慮板間摩擦力的抗滑移系數(shù)在0.199～0.383,未達到規(guī)范值。單剪連接中考慮墊圈與鋼板間摩擦力和板間摩擦力兩者作用,使單剪抗滑移系數(shù)提高但未達到規(guī)范值。

2)螺栓拉力隨循環(huán)圈數(shù)不斷減小至穩(wěn)定,8圈后螺栓拉力損失比例在25%以內(nèi)。M20螺栓組合槽孔第8圈時螺栓拉力損傷比例達42.5%。

3)單剪連接中,墊圈與鋼板間的摩擦因數(shù)隨加載圈數(shù)不斷增大。其摩擦力提高了抗剪承載力,單剪連接摩擦力大于雙剪連接摩擦力的一半。墊圈與鋼板間的摩擦因數(shù)滑移前取值范圍在0.001～0.136,建議取值0.069;滑移后取值范圍在0.098～0.322,建議取值0.210。

4)噴砂鋼板間夾紫銅片減小摩擦力離散性,減弱滑移過程噪聲。相比雙剪試件的抗滑移系數(shù)提高了16.1%,但由于銅片軟、易磨損,滑移承載力較雙剪試件平均低41.8%。

5)增大螺栓直徑可以減少循環(huán)加載中螺栓拉力的損失比例。單剪高強螺栓連接試件螺栓拉力損失比雙剪損失程度大。

6)提出了修正后的單剪切面抗滑移承載力公式,并得到試驗驗證,引入循環(huán)荷載系數(shù),提出3類連接下的滑動承載力公式,給出特定條件下滑移前變形取值建議。