冷彎薄壁型鋼板自攻螺釘連接抗剪性能研究

丁鳳鳴， 劉 浩， 周 安， 朱 華

(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

隨著我國現代化進程和可持續發展的開發建筑模式要求，冷彎薄壁型鋼結構體系作為一種工業化程度高、力學性能優越、綜合經濟效益突出、耐久性良好、符合當前“綠色建筑”環保要求的結構形式愈發受到國內建筑業的關注，符合我國建筑產業化的發展方向[1-5]。

自攻螺釘以外形美觀、施工便利、安裝簡易、耐用性強等優點在冷彎薄壁型鋼體系中得到了廣泛的應用。相比較于普通螺釘，其抗拔力和與被緊固材料的整體性都較好，所以常被用來連接冷彎薄壁型鋼結構構件[6-7]。

自攻螺釘適用于薄板之間的連接，然而只有在《冷彎薄壁型鋼技術規范》(GB 50018—2002) 中提到了其在壓型鋼板之間以及壓型鋼板和冷彎型鋼構件之間的連接強度，并沒有規范提到其在冷彎薄壁型鋼構件之間連接時的極限狀態情況。因此，本文將以外六角法蘭面自鉆自攻螺釘為代表，研究其在連接冷彎薄壁型鋼時的抗剪極限狀態。

1 材性實驗

根據《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[8]設計試件并完成試驗。試驗結束后的試件破壞形態如圖1所示，得到的應力-應變曲線如圖2所示，材性參數見表1。

圖1 試件破壞

圖2 應力-應變曲線

表1 材性參數平均值

2 自攻螺釘連接抗剪性能試驗

2.1 試件設計

為研究冷彎薄壁鋼板自攻螺釘連接抗剪性能，對24組冷彎薄壁鋼板單個自攻螺釘連接試件進行了試驗，每組重復試件2個，共有48個試件，考慮了自攻螺釘材質、直徑、不同鋼板厚度比值、端距等因素對自攻螺釘抗剪連接破壞形態的影響。連接件采用的自攻螺釘材質規格分別為碳鋼M4.8×32、不銹鋼M4.8×32及碳鋼M5.5×32。相同厚度或不同厚度的2個冷彎薄壁鋼板通過單個自攻螺釘連接，連接件尺寸示意圖如圖3所示，連接完成試件如圖4所示。試驗前對試件進行分組編號，編號規定如圖5所示。

圖3 試件尺寸示意圖

圖4 冷彎薄壁型鋼單個自攻螺釘連接試件

圖5 試件編號規定

試件設計考慮了自攻螺釘材質(不銹鋼材質和碳鋼材質)、直徑 (4.8 mm和5.5 mm)、端距 (15 mm和25 mm) 以及不同組合鋼板厚度 (1--1 mm，2--2 mm，3--3 mm，1--2 mm，2--3 mm及1--3 mm) 四種因素。

2.2 試驗現象

加載過程中，試驗現象為：隨著拉力增大，螺釘發生傾斜，若鋼板厚度相同，則螺釘尖端向試驗機固定夾持端傾斜，若鋼板厚度不同，螺釘尖端向較厚鋼板一側傾斜。在傾斜過程中，螺帽與鋼板的接觸由面及點。同時，相同厚度鋼板連接試件，1 mm、2 mm鋼板端部會發生翹曲，3 mm鋼板沒有發生翹曲現象，而對于不同厚度鋼板連接試件，較薄鋼板端部翹曲明顯，較厚鋼板幾乎不發生翹曲。試件破壞模式可以分為三類：①釘孔逐漸拉長，螺釘發生嚴重傾斜，出現明顯滑移，螺釘有拔出趨勢，鋼板間出現明顯空隙，如圖6(a)所示；②螺釘未發生明顯滑移，螺釘發生了一定傾斜角度，最后螺釘被剪斷，如圖6(b)所示；③螺釘未發生滑移，略微傾斜，最后螺釘被剪斷，如圖6(c)所示。

圖6 破壞模式

由試驗結果可知，試件的破壞模式呈現一定的規律，板件承壓破壞是自攻螺釘傾斜期間主要連接破壞形式，但若自攻螺釘幾乎不發生傾斜，則會發生緊固件的抗剪破壞。試件破壞模式類型主要和鋼板的厚度有關，而與螺釘的材質、直徑關系不大。存在1 mm鋼板的試件破壞模式都是釘孔拉長，螺釘發生滑移、嚴重傾斜，有拔出趨勢，發生板件承壓破壞，變形時間較長，例如ZG--T--4.8--1--1--1，ZG--T--4.8--1--2--1等，其他試件，即以2mm和3mm板件組合的試件螺釘幾乎不發生傾斜，以螺釘突然剪斷作為其極限狀態。

2.3 荷載-位移曲線

不同的自攻螺釘抗剪連接試件的荷載-位移曲線如圖7所示。

圖7 自攻螺釘抗剪連接試件荷載-位移曲線

由圖7可以看出，曲線大致可以分為兩類：第一類，隨著荷載的增加，位移也隨之增加，兩者呈現為線性關系，隨后到達頂點，然后曲線立即下降；第二類，加載初期位移隨著荷載的增大而增大，隨后曲線進入平緩波動階段，在經歷一段變形之后，曲線才開始呈現下降的趨勢。結合試件的破壞模式來看：破壞模式為螺釘未發生滑移、一般或略微傾斜，螺釘被剪斷的試件的荷載-位移曲線為第一類曲線，這是因為試件破壞主要由于螺釘突然剪斷，屬于脆性破壞，例如ZG--T--4.8--3--3--1；破壞模式為釘孔拉長，螺釘發生滑移、嚴重傾斜，有拔出趨勢的試件的荷載-位移曲線為第二類曲線，這是因為試件破壞主要由于鋼板釘孔處變形過大，螺釘傾斜嚴重，即構件在相當長一段時間內處于荷載穩定而變形不斷加劇的階段，最后由于變形嚴重無法承擔荷載，例如ZG--T--4.8--1--1--1。

3 極限狀態預測模型

基于上述試驗結果，本部分依托理論將介紹一種關于預測冷彎薄壁型鋼對鋼單個自攻螺釘抗剪連接的極限狀態模型。結果表明：自攻螺釘傾斜對連接會產生動力學影響；可以根據板件厚度、螺紋間距來預測自攻螺釘的傾斜狀態；板件承壓破壞是自攻螺釘傾斜期間主要連接破壞形式，但若自攻螺釘不發生傾斜，則會發生緊固件的抗剪破壞。

模型突出了“螺帽-疊合板件-螺紋”接觸連接在該理論研究中的重要地位，強調了不同板件厚度和螺紋間距對預測自攻螺釘抗剪連接件極限狀態(構件屈服后達到荷載-位移曲線的第一個峰值載荷時連接處發生的變形)的重要作用。在該模型中，認為自攻螺釘都是由有固定間距P的螺紋組成的(不考慮墊圈)，本次以M4.8×32的自攻螺釘為例，鋼板厚度考慮市場最為常見的冷彎薄壁鋼板厚度，即1～3 mm。其中，1號板(螺帽接觸側的板件)和2號板(遠離螺帽側的板件)由于和螺釘的接觸情況不同會有不同的力學性能，假定1號板位于螺帽和第一條螺紋之間，而2號板位于螺紋之間。

本次模型中，考慮四種不同的構件配置，如圖8所示，包括：

(1)t1/P<0.75且t2/P<1.25[1號板是薄板且2號板是薄板，如圖8(a)所示]。

(2)t1/P>0.75且t2/P<1.25[1號板是厚板且2號板是薄板，如圖8(b)所示]。

(3)t1/P<0.75且t2/P>1.25[1號板是薄板且2號板是厚板，如圖8(c)所示]。

(4)t1/P>0.75且t2/P>1.25[1號板是厚板且2號板是厚板，如圖8(d)所示]。

圖8 冷彎薄壁鋼對鋼自攻螺釘抗剪連接極限狀態預測模型不同構件配置

以第一種情況(1號板、2號板均是薄板)為例分析構件受力情況。1號板和2號板被固定在螺帽和螺紋之間，1號板被認為是約束在螺帽和第一個螺紋之間，而2號板被認為是約束在第一個和第二個螺紋之間。在所提出的連接件抗剪模型中，2塊板件中心線上的抗剪力偶Ms會導致螺釘發生傾斜，并且由“螺帽-疊合板件-螺紋”接觸產成的抵抗力偶Mr來平衡。因為自攻螺釘發生傾角時，自攻螺釘與1號板之間的接觸部分會對1號板產生壓力Fc，同時與2號板接觸的螺桿部分會受到由于螺紋與2號板的接觸所產生的拉力Ft。Ft的產生是因為螺紋接觸抑制了螺釘被拉出。總之，因為“螺帽-疊合板件-螺紋”之間的接觸所產生的拉力和壓力抵抗了外力在連接件上所施加的抗剪力偶。受力示意圖如圖9～圖11所示。

圖9 總體受力示意圖

圖10 自攻螺釘受力示意圖

圖11 冷彎薄壁板件受力示意圖

Mr在板件上的反作用力偶會對1號板造成局部承壓變形，這個變形也會加劇螺釘發生傾斜，2號板可能也會發生局部承壓變形。然而，由于螺帽與1號板件的接觸面積大約是2號板與螺紋接觸面積的6倍(對于大多數螺釘而言)，那么對于相同厚度的板件，1號板的抵抗力矩大于2號板的抵抗力矩。由于主要承壓變形發生在1號板件上，假定螺釘保持其自身剛度不變，2號板會相對于1號板發生位移。要想知道1號板和2號板要多薄才會發生上述板件局部承壓變形和板件相對位移情況，就需要將螺紋間距作為設計變量。其他三種情況分析類似。隨著板件厚度的增加，螺釘在峰值荷載下的傾斜角度會減小，當板件足夠厚時，會發生螺釘的抗剪破壞。

因為螺帽和1號板的接觸面積大于2號板與螺紋的接觸面積，所以“螺帽-1號板-螺紋”接觸會比“螺紋-2號板-螺紋”接觸提供一個更大的抵抗力矩。因此，對于所提出的模型，建議1號板厚度要超過螺距的75%以提供足夠的厚度抵抗螺釘傾斜，而完全與螺紋接觸的2號板厚度應該要超過螺距的125%以限制螺釘傾斜。現在將上述突出的四種情況進行相關的極限狀態預測。

(1) 若1號板是薄板且2號板也是薄板 (t1/P<0.75且t2/P<1.25)，螺釘將發生傾斜。認為對于該類型冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接情況下，連接件的極限狀態應為螺釘傾斜及鋼板螺孔處發生承壓破壞。1號板將會發生局部承壓變形，2號板相對于1號板發生滑移，這導致自攻螺釘發生傾斜 (θ>10°)。由于緊固件的傾斜，1號板和2號板的孔處截面會產生承壓力，另外2號板與螺紋的接觸處也會產生拉力用以阻止緊固件被拉出。

(2) 若1號板是厚板，2號板是薄板 (t1/P>0.75且t2/P<1.25)，螺釘不會發生傾斜旋轉。認為對于該類型冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接情況下，連接件的極限狀態應為2號板承壓和撕裂破壞。“螺帽-1號板-螺紋”接觸處的抵抗力矩會阻止螺釘發生傾斜。預計極限狀態時螺釘仍接近豎直狀態，略微傾斜 (θ>10°)，較薄板(2號板)會發生承壓和撕裂破壞。

(3) 若1號板是薄板，2號板是厚板 (t1/P<0.75且t2/P>1.25)，螺釘不會發生傾斜旋轉。認為對于該類型冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接情況下，連接件的極限狀態應為1號板承壓和撕裂破壞。“螺紋-2號板-螺紋”接觸處的抵抗力矩會阻止螺釘發生傾斜。預計極限狀態時螺釘仍接近豎直狀態，略微傾斜 (θ>10°)，較薄板(1號板)會發生承壓和撕裂破壞。此外，由于1號板被固定于螺帽和2號板件之間，1號板與螺帽處的承壓應力較大，除非螺釘被剪斷，1號板孔處會發生承壓變形。

(4) 若1號板是厚板且2號板也是厚板 (t1/P>0.75且t2/P>1.25)，螺釘不會發生傾斜旋轉。認為對于該類型冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接情況下，連接件的極限狀態應為螺釘的抗剪破壞。

4 結束語

在《冷彎薄壁型鋼結構設計規范》(GB/J 50018—2002) 中，沒有提及自攻螺釘抗剪連接時明確的分類極限狀態，相關研究內容在文獻當中也相對貧乏。本文依據試驗研究結果和理論受力狀態分析，提出了冷彎薄壁型鋼自攻螺釘抗剪連接的極限狀態預測初步模型，該模型以鋼板厚度、螺紋間距和螺釘傾斜狀態的不同為突破口進行了分類預測。