冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接剪力傳遞性能研究

劉 浩， 丁鳳鳴， 朱 華， 周 安

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑設計院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著2010年我國第一個為鋼結構房屋提供技術標準和依據的鋼結構房屋規范《輕型鋼結構住宅技術規程》(JGJ 209—2010)的正式實施，發展鋼結構建筑成為大勢所趨。以輕鋼結構為例，其不但貫徹落實了國家可持續發展的思想，也在當前建設資源節約型社會中逐漸成為建筑業發展的主流[1-6]。

但是，近幾年發生多起輕鋼結構倒塌的重大建筑安全事故。其破壞原因主要有設計不合理未考慮充足的安全儲備、施工質量差、極端災害天氣如大雪大風，以及意外事故如火災等[7-12]。

本文研究的冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接件剪力傳遞性能是輕鋼結構實際加固工程項目的基礎研究。而對于實際待加固構件，應該采用何種厚度的板材、何種規格的螺栓直徑來進行加固，以及計算時單顆螺栓所能傳遞的剪力值大小、螺栓間距等問題，并沒有相關研究及規范給出，這也是本文研究的重點內容。

1 薄壁鋼板高強螺栓連接件剪力傳遞試驗

1.1 試件設計

為研究冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接件的剪力傳遞性能，對28個薄壁鋼板高強螺栓連接件進行拉伸試驗，主要考慮螺栓預緊力、螺栓直徑、螺栓排列方式等因素。

試驗依據不同短鋼板厚度、不同螺栓數量、不同螺栓排列方式、不同螺栓直徑和不同螺栓預緊力對高強螺栓連接試件進行分組編號，如試件Ⅰ2--L1--T2--M6--1，Ⅰ2表示第一組短板厚度為2 mm，螺栓數量為2個，L1表示縱向排1顆螺栓，T2表示橫向排2顆螺栓，M6表示所用高強螺栓直徑為6 mm，1表示施加的施工扭矩為10 N·m；試件Ⅰ2--L1--T2--M6--1設計示意圖如圖1所示。

圖1 試件Ⅰ2--L1--T2--M6--1設計示意圖

1.2 試件制作與組裝

試驗所用薄壁鋼板均在工廠進行切割鉆孔，精度為0.1 mm。后期在合肥工業大學土木與水利工程學院結構工程試驗室完成連接件的組裝，使用的工具是MARGARET力矩扳手，量程為5～60 N·m。組裝完成的部分試驗試件如圖2所示。

圖2 組裝完成的部分試件

1.3 鋼材力學性能

材性試驗共計2個試件，通過電子數據采集系統和應變采集儀自動控制加載、記錄數據。在試驗加載過程中可以觀察到每個試件均有較為明顯的變形，最終試件在標距的中部附近發生頸縮現象并撕裂破壞。通過試驗數據的分析，測得薄壁板材的力學性能，見表2。

表2 鋼材力學性能

1.4 測點布置

在每個試件上布置了6個測點粘貼應變片，以試件Ⅰ2--L1--T2--M6--2為例，應變片布置示意圖如圖3所示，測點布置主要考慮以下因素：

圖3 應變片布置示意圖(單位：mm)

(1)長鋼板中部被短鋼板覆蓋，用1號點和5號點的應變大小代替長鋼板中部應變。

(2)在拉伸荷載作用下，觀測1號點和5號點、3號點與6號點的應變是否相同。如前期試驗發現無明顯差異，后期試驗構件可只布置1、2、3、4四個測點。

(3)在拉伸荷載作用下，試件發生屈服時，根據1號點和2、4號點的應變，能夠得到高強螺栓承受的剪力，以及長鋼板與短鋼板在高強螺栓連接剪力傳遞下的荷載分配情況。

1.5 試驗加載

采用萬能試驗機進行加載，全過程由計算機系統控制加載和記錄數據，加載設備如圖4所示。試驗采用的是位移控制加載，參考規范中的相關要求，試驗加載速度為2 mm/min。從開始到結束的數據采集和記錄由計算機全程自動控制，并自動繪制出荷載-位移曲線。

圖4 加載設備

1.6 試驗現象

在整個試驗的加載過程中，加載初期試件并無明顯變化，也沒有明顯的試驗現象。加載中期，由于長鋼板的拉伸變形，而短鋼板的變形小于長鋼板的變形，故長鋼板和短鋼板之間有相對滑移。隨著位移荷載的施加，到試驗加載后期，長鋼板最外側螺栓處鋼板發生嚴重變形，出現頸縮現象，最后，在試件最外側螺栓孔處撕裂導致試件破壞。以I4--L1--T4--M6--1為例，試件破壞后的情形如圖5所示。

圖5 試驗構件破壞結果

2 剪力傳遞試驗數據分析

2.1 剪力傳遞的概念

長鋼板受到拉力作用產生變形而擠壓螺栓栓桿，栓桿受到約束從而對短鋼板施加作用力，荷載通過高強螺栓的抗剪進行傳遞，從而達到加固效果，我們把這個受力過程稱為剪力傳遞。

2.2 荷載-應變曲線

本次試驗構件剪力傳遞區段長鋼板和短鋼板的變形、傳遞區段以外長鋼板的應變均通過粘貼的應變片測得，最后利用origin畫圖軟件畫出試件1號點、3號點，以及2、4號點平均值的荷載-應變曲線，部分荷載應變曲線如圖6所示。

圖6 部分試件荷載-應變曲線

2.3 影響因素分析

2.3.1 螺栓直徑對短鋼板剪力傳遞值的影響

不同螺栓直徑的連接件的試驗結果見表3。

表3 不同螺栓直徑的連接件試驗結果

由表3可知，螺栓個數、排列方式以及預緊力(13 889 N)相同時，試件單顆M6螺栓試件的短鋼板上的剪力傳遞值為3 799 N，單顆M8螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為4 464 N，2顆M6螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為6 663 N，2顆M8螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為9 578 N。這說明螺栓直徑越大，短鋼板上的剪力傳遞值越高，螺栓的直徑對高強螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值有較大影響。

2.3.2 螺栓數量對短鋼板剪力傳遞值的影響

不同螺栓數量的連接件的試驗結果見表4。

表4 不同螺栓數量的連接件試驗結果

由表4可知，螺栓直徑、排列方式以及預緊力(13 889 N)相同時，單顆M6高強螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為3 799 N，2顆M6螺栓試件的剪力傳遞值為7 328 N，3顆M6螺栓試件的剪力傳遞值為9 675 N。這說明隨著螺栓數量的增加，試件短鋼板上的剪力傳遞值也在逐漸增大，但是增加的幅度并不是隨著螺栓數量的增加呈正比例關系增大，而是隨著螺栓數目的增加逐漸減小，即螺栓群連接件短鋼板上的剪力傳遞值具有“群體折減效應”。

2.3.3 螺栓預緊力對短鋼板剪力傳遞值的影響

不同螺栓預緊力的連接件試驗結果見表5。

表5 不同螺栓預緊力的連接件試驗結果

由表5可知，螺栓個數、螺栓排列方式、螺栓直徑相同而螺栓預緊力不同時，施加10 N·m扭矩的單顆M6螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為3 799 N，施加6 N·m扭矩的單顆M6螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為2 920 N，施加6 N·m扭矩的單顆M8高強螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為3 566 N，施加24 N·m扭矩的單顆M8螺栓試件短鋼板上的剪力傳遞值為4 402 N。這說明螺栓的預緊力對高強螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值有較大影響。

2.3.4 螺栓排列方式對短鋼板剪力傳遞值的影響

不同螺栓排列方式的連接件試驗結果見表6。

表6 不同螺栓排列方式的連接件試驗結果

由表6可知，螺栓個數、螺栓間距以及預緊力(13 889 N)相同時，2顆M6螺栓沿鋼板長度方向排列的試件短鋼板上的剪力傳遞值為7 328 N，沿鋼板寬度方向排列的試件短鋼板上的剪力傳遞值為6 663 N；3顆M6螺栓沿鋼板長度方向排列的試件短鋼板上的剪力傳遞值為9 675 N，沿鋼板寬度方向排列的試件短鋼板上的剪力傳遞值為9 384 N。這表明螺栓的排列方式對提高連接件短鋼板上的剪力傳遞值的作用不大。

2.3.5 短鋼板厚度對短鋼板剪力傳遞值的影響

由表7可知，螺栓數量、螺栓排列方式、螺栓直徑以及螺栓預緊力(13 889 N)相同時，單顆M6螺栓，厚度為1 mm的短鋼板試件的剪力傳遞值為3 660 N，厚度為2 mm的剪力傳遞值為3 799 N；2顆M6螺栓，厚度為1 mm的剪力傳遞值為6 929 N，厚度為2 mm的剪力傳遞值為7 328 N。這說明短鋼板厚度對高強螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值影響不大。

表7 不同短鋼板厚度的連接件試驗數據

3 結 論

(1) 螺栓個數、螺栓排列方式以及螺栓預緊力等參數相同時，螺栓直徑對冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值的影響較大。

(2) 螺栓個數、螺栓排列方式以及螺栓直徑等參數相同時，螺栓預緊力對冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值有較大影響。一般而言，螺栓預緊力越大，傳遞值越高，但不能超過規范所規定的范圍。

(3) 螺栓直徑、螺栓排列方式以及螺栓預緊力等參數相同時，螺栓數量對冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值有很大影響。一般而言，螺栓數量越多，試件短鋼板上的剪力傳遞值也越高，但是增加的幅度并不是隨著螺栓數量的增加成正比例關系增大，而是隨著螺栓數目的增加而逐漸減小，即螺栓群剪力傳遞連接件具有“群體折減效應”。

(4) 螺栓個數、螺栓間距以及螺栓預緊力等參數相同時，螺栓排列方式對提高冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值的影響不大。

(5) 螺栓數量、排列方式，螺栓直徑以及螺栓預緊力等參數相同時，短鋼板厚度對冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接件短鋼板上的剪力傳遞值的影響不大。