鋁合金網殼中不銹鋼螺栓連接的抗剪性能研究與應用

曹少成，閆亞杰，2，武啟宇，王時貴，閆月勤

(1.太原理工大學 土木工程學院，太原 030024；2.山西電子科技學院，山西 臨汾 041099；3.山西五建集團有限公司，太原 030025)

鋁合金材料應用于土木工程領域是我國建筑行業發展的趨勢之一[1-3]。目前國內許多學者已開展了相關研究。王元清等[4]進行了鋁合金板式節點的參數化有限元分析，得到了節點剛度及抗彎承載力的影響因素及其變化規律。郭小農等[5]進行了板式節點平面外受彎擬靜力試驗，得到了板式節點的滯回曲線及破壞模式。劉紅波等[6]研究了單層和雙層板式節點之間的關系，提出增強系數的概念。馮若強等[7]針對北京大興機場單層網殼結構進行了整體穩定性能的研究，結果表明鋁合金結構的整體穩定性能良好，承載力約為剛接網殼結構的90%.然而，關于不銹鋼螺栓作為緊固件，鋼板與鋁合金板的抗剪性能、鋁-鋁及鋼-鋁抗剪節點中不銹鋼螺栓預拉力即安裝扭矩的取值研究較少。根據《鋁合金結構設計規范》，鋁合金構件表面未做處理的摩擦系數約為0.10～0.15[8]，而不銹鋼螺栓預拉力及摩擦系數直接影響節點安裝過程中的剛度及可靠性。

本文以某鋁合金網殼結構項目為依托，針對鋁-鋁、鋼-鋁板式節點如圖1所示，開展鋁-鋁、鋼-鋁抗剪性的有限元分析及試驗研究，以確定不銹鋼螺栓的預拉力取值、板式節點的滑移系數、滑移荷載、極限荷載、滑移變形量及抗剪承載力等，用于鋁合金網殼中近8.5萬條不銹鋼螺栓的制作及安裝，可為后期開展鋁合金網殼或網架結構的疲勞研究奠定基礎。

圖1 施工中的鋁合金網殼Fig.1 Aluminum alloy reticulated shell in construction

1 有限元分析

1.1 材料屬性

連接板采用6061-T6，蓋板采用6061-T6和Q345-B兩種，參考《鋼板栓接面抗滑移系數的測定》[9]，二者尺寸如圖2所示；不銹鋼螺栓采用A2-70、M10.實測試驗材料的力學性能如表1所示。

圖2 抗剪試件Fig.2 Shear specimen

表1 材料屬性Table 1 Material properties

1.2 有限元模型

利用ABAQUS有限元分析軟件建立表面采用陽極氧化處理的不銹鋼螺栓連接鋁合金抗剪試件如圖3所示。材料屬性按表1取值，材料失效準則為第四強度理論(即畸變性能理論)[10]。試件網格劃分采用C3D8R線性減縮積分單元[11]。連接板的一端采用“固定”約束，另一端通過位移控制加載。極限承載力選取耦合點處的力-位移曲線中的最大值。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element models

抗剪試件中蓋板與連接板之間采用庫倫摩擦接觸，滑移公式為有限滑移[12]，切向滑移系數μ分別取0.05、0.10、0.15、0.20、0.25五種，法向為硬接觸并且允許分離。不銹鋼螺栓的預拉力P分別取10、15、20、25、30、35、40、45、50 kN九種。建立模型時忽略螺栓螺紋和鋼-鋁抗剪試件中在蓋板與連接板之間設有的0.8 mm厚不銹鋼墊片。鋼-鋁、鋁-鋁抗剪件共90個模型。

1.3 有限元分析結果

通過對鋁-鋁抗剪試件模型的有限元分析，薄弱部位發生在連接板的螺孔周圍，最終導致試件失效的形態為連接板的孔壁發生承壓破壞[13]，鋁-鋁抗剪試件的極限荷載Fu平均值為168 kN；當不銹鋼螺栓預拉力為30 kN，摩擦系數為0.15時連接板的臨界應力狀態如圖4所示。

圖4 有限元分析結果Fig.4 Finite element analysis results

通過對鋼-鋁抗剪試件模型的有限元分析，薄弱部位出現在不銹鋼螺栓受剪截面附件的栓桿處，最終試件的失效為不銹鋼螺栓的栓桿發生剪切破壞，鋼-鋁抗剪試件的極限荷載Fu平均值均為143 kN；當不銹鋼螺栓預拉力為30 kN，摩擦系數為0.15時試件的臨界應力狀態如圖4所示。

通過對45個鋁-鋁抗剪試件有限元分析結果的統計，得出不銹鋼螺栓連接鋁合金抗剪試件的滑移荷載Fs與接觸面的滑移系數μ、不銹鋼螺栓預拉力P之間的關系曲線，如圖5所示。結果表明，滑移荷載Fs的大小與接觸面的滑移系數μ、不銹鋼螺栓預拉力P之間具有線性關系，接觸面的滑移系數μ或不銹鋼螺栓預拉力P越大，發生滑移時的荷載Fs也越大；試件的滑移變形量平均值為3.44 mm.不銹鋼螺栓連接鋁合金抗剪試件的破壞形態為連接板的孔壁發生承壓破壞，因此極限荷載Fu、滑移變形量S與接觸面的滑移系數μ、不銹鋼螺栓預拉力P之間無直接關系，見圖6，7所示。

圖5 鋁-鋁滑移荷載FsFig.5 Aluminum-aluminum sliding load Fs

圖6 鋁-鋁極限荷載FuFig.6 Aluminum-aluminum ultimate load Fu

圖7 鋁-鋁滑移變形量SFig.7 Aluminum-aluminum sliding deformation S

通過對45個鋼-鋁抗剪試件的有限元分析結果的統計，得出不銹鋼螺栓連接鋼-鋁抗剪試件的滑移荷載Fs與接觸面的滑移系數μ、不銹鋼螺栓預拉力P之間的關系曲線，如圖8所示。結果表明，滑移荷載Fs的大小與接觸面的滑移系數μ、不銹鋼螺栓預拉力P之間具有線性關系。接觸面的滑移系數μ或不銹鋼螺栓預拉力P越大，發生滑移時的荷載Fs也越大；試件的滑移量平均值為3.51mm，不銹鋼螺栓連接鋼-鋁抗剪試件的破壞形態為不銹鋼螺栓的栓桿發生剪切破壞，因此極限荷載Fu、滑移變形量S與接觸面的滑移系數μ、不銹鋼螺栓預拉力P之間也無直接關系，如圖9，10所示。

圖8 鋼-鋁滑移荷載FsFig.8 Steel-aluminum sliding load Fs

圖9 鋼-鋁極限荷載FuFig.9 Steel-aluminum ultimate load Fu

圖10 鋼-鋁滑移變形量SFig.10 Steel-aluminum sliding deformation S

通過鋼-鋁、鋁-鋁抗剪試件的有限元分析，得到了失效形式、滑移荷載、滑移變形量、極限荷載，不銹鋼螺栓的預拉力和接觸面對抗剪性能的影響。

2 試驗

2.1 試件及加載

為檢驗有限元分析的正確性，按圖2所示加工試件，其材質與有限元分析所用一致，試件相關參數見表2.不銹鋼螺栓的預拉力采用數顯電子扭力扭矩扳手進行施擰(精確度0.01 N/m).試件組裝完畢后在螺栓對應的板厚平面內畫線，用來輔助判斷試驗過程中的試件是否發生滑移[14]，如圖12.

表2 試件組別Table 2 Specimens groups

每個試件安裝對中后，首先進行預加載，預加載至10 kN后卸載，以消除試件與加載設備之間的間隙[15]。

所有試驗利用600 kN電液伺服萬能試驗機完成；試驗時采用位移控制方式加載，加載速率選用0.4 mm/min.

當抗剪試件發生孔壁承壓破壞或出現螺栓被剪斷的情形時，試驗終止。

2.2 試驗過程

不銹鋼螺栓預拉力P=43、0 kN的鋁-鋁連接抗剪試件、荷載-位移曲線如圖11(a)、(b)所示；不銹鋼螺栓預拉力P=43、0 kN的鋼-鋁連接抗剪試件荷載-位移曲線如圖11(c)、(d)所示。

圖11 荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curves

通過荷載-位移曲線可以發現，當不銹鋼螺栓預拉力P=43 kN，曲線分為摩擦階段、滑移階段、承壓階段和破壞階段。在加載初期(摩擦階段)曲線以一定的斜率上升；當達到滑移荷載Fs附近時曲線開始上下波動，蓋板與連接件發生相對滑移(滑移階段)，直到螺栓桿與孔壁接觸；之后孔壁受到螺栓擠壓(承壓階段)，螺栓桿受剪。隨著荷載增大到極限荷載Fu時，由于不銹鋼螺栓的彎曲及偏心等原因，蓋板也均發生了翹曲，其加載過程如圖12所示。

圖12 不銹鋼螺栓連接抗剪試件試驗Fig.12 Tests on the shear test pieces connected by stainless steel bolts

當超過極限荷載后曲線開始下降。在P=43 kN時鋁-鋁不銹鋼螺栓抗剪試件，連接板發生孔壁承壓破壞，如圖13(a)所示；P=0 kN時，試件一端外排或一端全部不銹鋼螺栓發生剪切破壞，如圖13(b)所示。鋼-鋁不銹鋼螺栓連接抗剪試件則一端外排或一端全部不銹鋼螺栓發生剪切破壞，如圖13(c)、圖13(d)所示，并在拉力的作用下向外彈出。

圖13 實驗后的不銹鋼螺栓連接抗剪試件Fig.13 Stainless steel bolted shear test specimens after tests

圖14為不銹鋼螺栓預拉力P=43 kN時，鋁-鋁、鋼-鋁連接板孔壁變形形態。其破壞形態、極限承載力不同，原因有：1)材料強度指標的影響，由于鋁合金強度指標小于鋼強度指標，在試件拉伸過程中連接板和蓋板同種材料之間容易發生變形，從而在螺栓擠壓栓孔過程中易于產生平滑過渡凹弧形狀；不同材料時強度指標大的材料會“抑制”強度指標小的材料發生變形；2)預緊力大小會對是否容易產生平滑過渡凹弧有促進作用，預緊力越大栓孔處越容易產生過渡區。因此抗剪件會產生兩種不同的破壞形態。

圖14 實驗后連接板孔壁變形Fig.14 Deformation of connecting plate hole after experiment

2.3 抗滑移系數

根據試驗所得不銹鋼螺栓連接抗剪試件的荷載-位移曲線，選取曲線滑移段上限和下限的均值[16]作為試驗的滑移荷載Fs，通過公式(1)計算，其結果見表3.

表3 抗滑移系數Table 3 Slip coefficient results

(1)

式中：μi為抗滑移系數；Fsi為滑移荷載；nf為不銹鋼螺栓的受剪面；Pi為螺栓預拉力值。

從表3可得，鋁-鋁抗剪試件的抗滑移系數為0.138，鋼-鋁抗剪試件的抗滑移系數為0.093，該結果將是不銹鋼螺栓抗剪連接安裝過程中預拉力取值的基本參數。

2.4 滑移變形量

因連接構造、抗滑移系數、預拉力等因素，不銹鋼螺栓連接在使用過程中均會發生滑移，滑移變形量的大小將影響結構的受力及成形。

本次試驗連接板孔徑11.5 mm，蓋板孔徑12.0 mm，螺栓公稱直徑10.0 mm，根據連接構造當栓桿與栓孔中心線重合(有限元模擬情形)時理論滑移量為3.5 mm.實際抗剪試件拼裝過程中由于栓桿與栓孔中心線很難完全重合，因此滑移量處于0～7 mm區間內。圖15(a)是滑移量為0 mm情形；圖15(b)為滑移量為7 mm情形。

圖15 滑移與連接構造Fig.15 Slip and connection structure

有限元分析及試驗所得的螺栓承壓傳力前的滑移變形量見表4.

表4 抗剪試件的滑移變形量Table 4 Slip deformation of shear specimens mm

研究表明，連接構造中孔徑大小、栓桿直徑是影響滑移變形量的主要因素。在板式節點中的此類滑移變形量將直接影響結構的受力及最終變形形態。

2.5 極限承載力

不銹鋼螺栓連接抗剪試件的極限承載力是衡量節點承載力及剛度的重要參數。根據荷載-位移曲線所得鋁-鋁、鋼-鋁抗剪試件的極限承載力試驗結果如表5所示。

地下水經曝氣后pH值一般在6.0～7.5之間，Fe2+自然氧化速度較快；但Mn2+需pH值提高到9.5以上時自然氧化速度才明顯加快。在實際應用中常通過曝氣吹脫去除CO2和投堿方式提高pH值，但之后又需調低pH值，鐵錳最佳去除效果要求條件的不一致限制了該法的實際應用。

表5 抗剪試件的極限承載力Table 5 Ultimate bearing capacity of shear specimens kN

對比鋁-鋁抗剪試件，不銹鋼螺栓預拉力為43 kN時的極限承載力比無預拉力的提高4.47%；而鋼-鋁抗剪試件的極限承載力僅提高1.95%，因此可以得出不銹鋼螺栓的預拉力不是此類連接極限承載力的主要影響因素。

試驗與有限元分析結果一致，二者結論是選取施工中不銹鋼螺栓的預拉力或扭矩的重要參考。

3 結果分析

3.1 不銹鋼螺栓的初擰扭矩

如圖1所示，在板式節點網殼結構施工過程中，根據安裝需要鋁合金盤式節點應能承受外挑2根長度為2.52 m的鋁合金構件H300 mm×150 mm×8 mm×10 mm、2個鋁合金節點盤φ480 mm×12 mm和56條不銹鋼螺栓M10的重量，以及施工活荷載(按2×75 kg計)的總重，同時應具有一定的調節余地。因此需通過不銹鋼螺栓施加預拉力來保證桿件的空間位置及節點的轉動剛度。

為此，根據試驗所得滑移系數、安裝過程中施加給節點的彎矩值M=5 653.86 N·m，計算單側翼緣與節點盤連接中每條不銹鋼螺栓的剪力FV=2 884.46 N，進而得出安裝過程中不銹鋼螺栓預拉力P1=20.09 kN，取P1=21 kN即初擰扭矩為27 N·m可滿足構件懸挑安裝要求。

3.2 不銹鋼螺栓的終擰扭矩

在結構構件安裝完畢，通常會出現部分螺栓松動的情況，為保證節點剛度均勻及節點接觸面的緊密，需進行螺栓的終擰。根據有限元分析及抗剪試驗的結果，推薦不銹鋼螺栓終擰預拉力P2=43 kN，即終擰扭矩為55 N·m；終擰應在結構構件安裝完畢玻璃安裝之前完成。

3.3 承載力設計值及變形量

不銹鋼螺栓連接抗剪試件的承載力設計值與結構安全、可靠度及造價息息相關。因不銹鋼螺栓安裝過程中需施加預應力，因此關于承載力設計值及變形量的討論僅圍繞不銹鋼螺栓預拉力為43 kN時進行。根據公式(2)、(3)、(4)計算得出鋁-鋁、鋼-鋁抗剪試件的承載力設計值，對應于荷載-位移曲線，可以得出該值對應的變形量，見表6所示。

表6 節點變形量Table 6 Joint deformation mm

(2)

(3)

F=Aft.

(4)

分析后可以得出，當不銹鋼螺栓預拉力為43 kN且鋁-鋁抗剪試件達到其承載力設計值時，該連接的變形量為7.47 mm，是滑移變形量的1.70倍；當鋁-鋁抗剪試件達到其極限承載力時，該連接的變形量為25.80 mm，是滑移變形量的7.08倍。當不銹鋼螺栓預拉力為43 kN且鋼-鋁抗剪試件達到其承載力設計值時，該連接的變形量為8.26 mm，是滑移變形量的2.44倍；達到其極限承載力時，該連接的變形量為15.03 mm，是滑移變形量的4.47倍。在結構設計時應考慮此類節點的變形量。

4 結論與建議

4.1 結論

通過對采用不銹鋼螺栓作為緊固件，連接板表面采用陽極氧化膜直接作為摩擦面的鋁-鋁、鋼-鋁抗剪試件的有限元分析及試驗研究，得出以下結論：

1)鋁-鋁的抗滑移系數為0.138，鋼-鋁的抗滑移系數為0.093.

2)鋁-鋁試件在P=43 kN時，最終連接板發生孔壁承壓破壞，P=0 kN時，最終試件外排或一端全部螺栓發生剪切破壞；鋼-鋁試件最終一端外排或一端全部螺栓發生剪切破壞。

3)鋁-鋁、鋼-鋁抗剪試件所受荷載達到抗剪承載力設計值66.72 kN時的變形量分別為7.47 mm、8.26 mm，施工及設計時應考慮這一特征。

4)為滿足安裝、節點耐久性、防止螺栓松動等要求，不銹鋼螺栓預拉力的初擰推薦值為P1=21 kN，即扭矩值取27 N·m；預拉力的終擰推薦值取P2=43 kN，即扭矩值取55 N·m.

4.2 建議

1)為提高結構抵抗動荷載的能力，應開展不同處理工藝下接觸面或采用鉚釘作為緊固件的抗剪連接研究。

2)大跨度屋蓋網架或網殼結構往往會承受反復交變荷載作用，應開展鋁-鋁、鋼-鋁抗剪試件節點或結構的疲勞性能研究。