裝配式波紋鋼結構連接部位軸壓力學性能試驗研究

郭 琦，吳 夢，蒲廣寧

(1. 西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安 710055; 2. 西安建筑科技大學結構工程與抗震教育部重點實驗室，陜西西安 710055; 3. 中建中原建筑設計院有限公司,河南鄭州 450004)

0 引 言

由于波紋鋼的優越性，越來越多的中小跨徑橋涵將波紋鋼應用于主要橋跨結構[1-5]。波紋鋼相較于傳統的鋼筋混凝土而言，具有施工方便、養護時間短、強度高等優點[6-7]，而波紋板更是在傳統鋼平板優點的基礎上發揮了其優勢，將平板加工成波紋狀，提高了鋼板的抗彎和抗壓承載力[8-11]。同時，波紋鋼板(管)具有環向剛性的特點[12]，使得其在實際工程中的適應性和抗變形能力較強，提高了在工程中的實用性。

Lee等[13]為了提高螺栓連接的接縫強度，使用高強度鋼板代替普通鋼板，研究高強板對螺栓縫行為的影響，進行了螺栓縫綜合試驗。Mikhailovsky等[14]開展了不同板厚波紋鋼板螺栓連接節點在兩點荷載作用下的13次彎曲試驗。Kim等[15]采用數值模擬的方法，對400 mm×150 mm (DCSP型)深波波紋鋼板的接縫強度進行了研究。

張永浩[16]針對筒倉倉壁金屬波紋板的螺栓連接方式，建立有限元實體模型對螺栓受力情況進行分析。蘇明周等[17]通過與平板試件的連接節點進行對比，選取波紋板厚度和表面是否鍍鋅兩個參數進行靜力拉伸試驗研究。郭宏超等[18]以不同強度等級的鋼板螺栓連接節點作為研究對象，分析了螺栓間距及螺栓布置方式對混合強度鋼板螺栓節點連接性能的影響。

目前針對波紋鋼螺栓連接部位的相關研究還不完善，大多學者研究相關參數對構件承載力的影響，而對于節點部位破壞形態的研究尚需進一步發掘。基于此，本文設計了相關試驗構件，分別用于研究有無節點以及螺栓排數對波紋鋼構件承載力、螺栓連接部位破壞形態等的影響，并對破壞形態進行歸納總結，為裝配式波紋鋼構件實際施工提出更好的建設性意見。

1 試驗概況

1.1 試件設計

此次試驗的波紋鋼板構件按照《冷彎波紋鋼管》(GB/T 34567—2017)[19]規范中的尺寸進行加工，試件鋼材采用 Q235 鋼材，鋼材的選取參考《冷彎波紋鋼管》所指定的主體結構材料。截面采用200 mm×55 mm雙波形式，厚度為5 mm。

連接螺栓采用配套的8.8級摩擦型M20×55特制高強螺栓，用于兩塊波紋板連接處，螺栓及墊片尺寸按照《冷彎波紋鋼管》(GB/T 34567—2017)[19]進行加工。

軸壓構件共分為兩組。第一組為無節點波紋鋼板，可作為有螺栓連接波紋構件的對照，編號為NJ。第二組波紋板構件共分為兩種：4排螺栓連接，邊距為50 mm，螺栓孔間距為75 mm，編號為YJ-1；4排螺栓連接，邊距為50 mm，螺栓間距為100 mm，編號為YJ-2。由于軸壓試驗構件兩端截面過小，加載時容易發生錯位，為方便試驗加載，在其兩端加上端板，與波紋板采用焊縫連接，其尺寸為500 mm×100 mm×20 mm，構件示意圖如圖1所示。

1.2 加載裝置及加載制度

試驗的加載裝置如圖2所示。數據采集使用靜態數據采集儀，型號為東京測器TDS-602型，應變片型號為120-3AA，基底尺寸為6.9 mm×3.9 mm，絲柵尺寸為3 mm×2 mm，阻值為120 Ω。

波紋板軸壓試驗在微機控制電液伺服壓力試驗機上進行，將試件放置在橫梁和底板中心處，加載速率為0.05 mm·min-1。采用較低的加載速率進行加載，使得構件各部分可以穩定發揮自身作用，當荷載-位移曲線下降至80%時結束加載。

2 結果及分析

2.1 破壞形態分析

構件NJ為無節點波紋板構件，在加載初期波紋板并無明顯變化，直至即將達到加載峰值時波紋板一側自由邊發生輕微變形，之后隨著位移的持續增加，該處變形不斷增大。在荷載-位移曲線下降過程中，另一側的自由邊也發生了變形，且變形不斷增加，隨著荷載位移的增加，中間處波紋也出現彎曲現象，直至軸壓荷載下降至峰值80%以下時結束加載，構件NJ加載中的變形過程如圖3所示。

構件YJ-1是4排螺栓連接的波紋鋼板，在安裝螺栓時施加的扭矩是500 N·m，比規范規定的扭矩416 N·m高20%。在初始加載時，摩擦型高強螺栓依靠預緊力使得板件緊緊連在一起，外部荷載主要與摩阻力相對抗。由于螺栓扭矩比規范規定的螺栓扭矩大20%，所以在加載過程中沒有出現明顯的響聲和滑移現象，僅在荷載增加到一定程度時，螺栓連接部位下部的單層波紋板翼緣發生了屈曲。構件YJ-2螺栓間距為100 mm，安裝螺栓時施加的扭矩為416 N·m。初始加載時，其變化過程與YJ-1相似。構件YJ-2在荷載-位移曲線出現第一個滑移平臺前出現了“咔”的一聲，之后荷載-位移曲線出現滑移平臺，隨著位移荷載的增加，曲線逐漸上升，在此過程中構件連接部分邊緣處單層波紋板翼緣出現少量變形，隨著位移-荷載曲線達到頂峰，突然出現“咔”的聲響，而最開始輕微變形的部分已經嚴重變形，構件破壞形態如圖4所示。將構件從試驗機上卸下并將螺帽擰出，觀察螺栓孔，構件YJ-1變形在2～3 mm左右，構件YJ-2變形在3～4 mm左右，螺栓受剪部分變化不顯著。

2.2 荷載-位移曲線分析

圖5為3個構件的荷載-位移曲線，圖中的位移以試驗機底板承托構件上升直至接觸到上橫梁并產生穩定荷載時為基準，之后以油缸上升位移為加載方向總位移。

構件NJ是無節點的勻質波紋板；構件YJ-1螺栓間距為75 mm，扭矩為500 N·m；構件YJ-2螺栓間距為100 mm，扭矩為416 N·m。從荷載-位移曲線可以看出，相對于有節點波紋板構件來說，無節點波紋鋼構件的延性較差，在相同位移3 mm處，構件NJ的荷載約為490 kN，構件YJ-1的荷載約為70 kN，構件YJ-2的荷載約為55 kN，它們承受的荷載相差較大。構件NJ的極限荷載為578.1 kN，構件YJ-1的極限荷載為587.8 kN，二者僅相差1.68%；構件YJ-2的極限荷載為534 kN，和構件NJ相差8.26%。除此之外，構件NJ極限荷載對應的位移為4.1 mm，構件YJ-1和構件YJ-1極限荷載對應的位移為10 mm，二者相差5.9 mm。綜上可以看出，有螺栓節點的波紋板構件延性明顯高于無節點波紋板構件。

3 有限元模型

3.1 模型建立

有限元模型選用C3D8R實體單元模擬，模型鋼材本構關系采用雙折線應力-應變關系曲線，其屈服強度為319 MPa，彈性模量為2×105MPa。

定義有限元模型中板件之間的相互作用為法向硬接觸和切向罰摩擦來模擬連接件的相互接觸，這樣能更加準確地模擬連接的受力情況。試件經熱浸鍍鋅處理后表面光滑，抗滑移系數減小，抗滑移系數平均值約為0.3。

邊界條件的設定是在考慮試驗條件后確定的。為與試驗邊界條件一致，模型左側連接板邊界條件設置為限制3個自由度的固定約束，在其端面表面沿構件長度方向施加位移荷載。

高強度螺栓預拉力通過施加緊固力來建立，在螺栓橫截面上施加荷載來控制預拉力大小，加載過程中螺桿長度不發生改變。構件采用的螺栓預緊力為416 N·m，切向摩擦因數為0.3，法向采用硬接觸，采用映射有限元網格劃分，在各螺栓節點處進行了自適應加密處理，建立的有限元模型如圖6所示。

3.2 有限元模擬與試驗對比分析

3.2.1 構件NJ數值模擬結果驗證

圖7為構件NJ試驗數據與模擬的荷載-位移曲線對比，前期加載期間二者吻合度較高，當接近峰值時，試驗數據的荷載峰值為578.05 kN，有限元模擬的荷載峰值為562.394 kN，二者相差2.78%。實際構件在受力時，隨著荷載的增加，螺栓預緊力矩不斷減小，螺栓會逐漸松脫，而在模擬時螺栓始終完好，因此有限元模型的剛度會比試驗構件剛度稍大。

3.2.2 構件YJ數值模擬結果驗證

圖8為構件YJ-1試驗數據與有限元模擬的荷載-位移曲線對比，前期加載期間二者吻合度較高，當接近峰值時，試驗數據的荷載峰值為587.8 kN，有限元模擬的荷載峰值為610.134 kN，二者相差3.99%。主要原因是在實際試驗過程中隨著荷載的增加，螺栓預緊力不斷喪失，而數值模型中的螺栓預緊力松弛現象則不會發生。因此當荷載值達到320 kN左右時，試驗構件荷載-位移曲線斜率開始明顯下降，而有限元模型荷載-位移曲線斜率變化不大。

圖9為構件YJ-2試驗數據與有限元模擬值的荷載-位移曲線對比，前期加載期間二者吻合度較高，當接近峰值時，試驗數據的荷載峰值為533.65 kN，有限元模型的荷載峰值為560.157 kN，二者相差4.97%。當荷載值達到230 kN左右時，荷載-位移曲線開始出現滑移平臺，通過對比可知有限元模型的滑移位移較小，主要原因是在數值模擬中每個螺栓都被布置在螺孔中心位置，因此在發生滑移時各個螺栓和螺孔受力較為均勻，而在試驗過程中由于操作問題，螺栓所在螺孔位置不定，導致各螺栓受力不盡相同，因此相對于試驗數值來說，數值模擬的滑移位移較小。

4 連接部位軸壓受力性能

4.1 螺栓排數對構件承載力的影響

針對螺栓排數對波紋鋼螺栓連接構件承載力的影響，選取雙波波紋鋼板進行預緊力參數對比，截面采用200 mm×55 mm雙波形式，厚度為5 mm。螺栓間距為50 mm，試驗構件中的8.8級M20螺栓施加416 N·m扭矩。不同螺栓排數波紋鋼構件有限模型如圖10所示，螺栓節點連接的波紋板分別采用4排、3排、2排、1排螺栓進行連接，通過對比不同螺栓排數下的構件破壞形態和荷載變化規律，研究螺栓排數對波紋鋼螺栓連接部位的影響。

4.1.1 破壞形態和應力分布對比

圖11為不同螺栓排數下的波紋鋼板變形應力分布，由于在試驗和數值模型中，采用的螺栓等級較高，其主要變形均發生在波紋板上，螺栓未發生明顯變形，因此主要研究波紋板變形及應力分布。從圖11可以看出，當連接部分采用4排螺栓進行連接時，波紋板主要變形集中在螺栓連接部分邊緣的單層波紋板處。當連接部分采用3排螺栓進行連接時，螺栓連接部分的螺栓孔應力明顯大于4排螺栓連接時的螺栓孔應力，并且隨著螺栓排數的減少，這種現象更為明顯，當連接部分僅依靠1排螺栓進行連接時，波紋板未發生屈曲，螺栓孔周圍應力最大。

綜上可知，螺栓排數對波紋鋼構件的破壞形態影響較為明顯，當連接部分螺栓排數較多時，連接部位的承載力大于波紋板屈曲荷載，此時造成波紋鋼構件承載力下降的主要原因是波紋板發生變形，且變形主要發生在螺栓連接部分邊緣處的單層波紋板。隨著螺栓排數的減少，螺栓連接部分的承載能力不斷降低，波紋板變形和螺栓孔出現明顯變形。當螺栓排數為1排時，連接部分承載能力明顯低于波紋鋼板的屈曲荷載，其承載力下降的主要原因是螺栓孔處發生較大變形，無法繼續承受荷載。

4.1.2 荷載-位移曲線對比

圖12為不同螺栓排數下的構件荷載-位移曲線和滑移荷載隨螺栓排數變化曲線，通過圖12可以發現，隨著螺栓排數的增加，滑移荷載均勻增加，滑移荷載整體呈線性增加，在滑移階段之前構件整體剛度相同。在滑移階段之后，螺栓排數為1排的波紋鋼構件結構剛度最小，螺栓排數為4排的波紋鋼構件結構剛度最大。主要原因是隨著螺栓排數的增加，波紋板重疊部分的夾緊力也隨之增加，使得螺栓連接部位剛度逐漸增大，因此構件的滑移荷載隨著螺栓排數的增加呈線性增長。

從不同螺栓排數構件荷載-位移曲線圖中可以看出，僅1排螺栓連接的波紋鋼構件和其余幾個構件的荷載-位移曲線變化完全不同。其他構件承載力在達到荷載峰值后開始穩步下降，而1排螺栓連接的波紋鋼構件承載力在達到相同加載位移時荷載還在緩慢增加，其在荷載最大位置處較為穩定，并未出現明顯下降，僅在加載最后開始緩慢減少，與其他構件在荷載峰值處的下降速度形成鮮明對比。其主要原因是當連接部位僅依靠1排螺栓連接時，連接部位的承載力小于波紋板的承載力，外力荷載僅依靠1排螺栓承擔，螺栓孔承受的荷載較大，此時波紋鋼構件承載力下降的主要原因是螺栓孔承受荷載過大而發生較大的變形，導致無法再繼續承受更大的荷載，因此構件承載力開始下降。當螺栓排數增加時，連接部位的承載力較大，此時造成波紋鋼構件承載力下降的主要原因是波紋鋼板發生變形，構件失去承載能力。

4.2 波紋鋼構件連接部位傳力分析

波紋鋼構件由加載端波紋板、支承端波紋板和螺栓共同組成，當兩塊波紋板依靠螺栓連接形成一體時，連接部位的承載能力與螺栓個數、螺栓預緊力矩大小以及連接部位重疊面積有關。當開始施加外力荷載時，首先由加載端波紋板將力傳至連接部位，此時連接部位依靠螺栓預緊力矩產生的摩擦力和螺栓孔承壓將力傳至支承端波紋板，最后傳至支承面上。在加載初期，連接部位主要依靠摩擦力進行力的傳遞，孔壁承壓受力僅起到一小部分的作用。當荷載接近滑移階段時，連接部位全部孔壁開始逐漸與螺栓桿接觸，在傳力過程中起到的作用逐漸增大。

隨著外力荷載的持續增加，構件的破壞形態和荷載-位移曲線主要分為兩種，一種是當連接部位的承載力大于或近似等于波紋鋼板的承載力時，構件的主要破壞形態為連接部位邊緣的單層波紋板變形；另一種是當連接部位較為薄弱時，構件的主要破壞形態為連接部位螺栓孔發生較大變形導致無法繼續承受荷載。

由以上分析可知，栓接波紋鋼承壓連接部位的極限承載力與連接部位和波紋鋼板的極限承載力有關。

無節點極限承載力為PN，4排、3排、2排和1排螺栓連接的波紋鋼構件極限承載力分別為1.035PN、0.944PN、0.824PN、0.559PN。

將波紋鋼螺栓連接部位承載力記為PB， 當PB滿足式(1)時，栓接波紋鋼構件連接部位的破壞形態為波紋鋼板變形。

PB≥0.8PN

(1)

當PB滿足式(2)時，栓接波紋鋼構件連接部位的破壞形態為螺栓孔變形破壞。

PB<0.8PN

(2)

4.3 波紋鋼構件連接部位波紋板變形分析

選取雙波波紋鋼板進行構件變形分析，截面采用200 mm×55 mm雙波形式，厚度為5 mm。由螺栓節點連接的波紋板采用4排螺栓進行連接，螺栓間距為50 mm，試驗構件中的8.8級M20螺栓按照規定施加416 N·m扭矩。

圖13為4排螺栓連接的波紋板模型在位移荷載作用下的應力分布情況。在開始時，波紋板整體應力較小，螺栓孔處由于施加了預緊力矩，所以在未加載時栓孔應力較大，如圖13(a)所示。開始加載后，波紋板應力整體分布較為均勻，圖13(b)為滑移階段波紋板的應力分布，可以看出荷載傳遞較為均勻，并無明顯的應力較大的區域，此時連接部位主要依靠摩擦力進行傳力，該階段對應荷載-位移曲線中 的滑移段。圖13(c)為孔壁承壓階段波紋板的應力分布，連接部位以孔壁承壓為主要傳力方式，波紋板的應力分布開始出現明顯不同，最大應力主要集中在靠近波紋板兩端的螺栓孔以及波紋板兩端的波峰和波谷處，應力集中的區域將進一步發展成為構件破壞區域。圖13(d)為波紋鋼構件產生初始變形時的波紋板應力分布云圖，可以看出，發生變形的位置是螺栓連接部分邊緣處的單層波紋板，此時的變形較小，該階段對應荷載-位移曲線中的接近荷載峰值階段。圖13(e)為波紋鋼構件最終變形階段的波紋板應力分布云圖，此時螺栓連接部分邊緣處的單層波紋板發生較大變形，已經無法再繼續承受荷載，該階段對應于荷載-位移曲線中的荷載下降階段。

圖14為波紋鋼構件連接部位變形破壞的荷載-位移曲線，對應于上述波紋鋼構件在各階段的應力分布。當波紋鋼構件出現明顯變形時，荷載已經接近于荷載峰值，隨著變形的不斷增大，波紋板逐漸失去承載能力。荷載-位移曲線主要包括滑移階段、孔壁承壓階段、初始變形階段以及波紋鋼的最后變形階段。波紋鋼構件連接部位變形破壞的主要特征為連接部分邊緣單層波紋板的變形，而螺栓連接部分的變形不大。

4.4 波紋鋼構件連接部位螺栓孔變形分析

圖15為1排螺栓連接的波紋板模型在位移荷載作用下的應力分布情況。在開始時，波紋板整體應力較小，螺栓孔處由于施加了預緊力矩，所以在未加載時栓孔周圍應力較大，如圖15(a)所示。開始加載后，波紋板應力整體分布較為均勻，圖15(b)表示滑移階段波紋板的應力分布，此時荷載傳遞均勻，并無明顯的應力較大的區域，連接部位主要依靠摩 擦力進行傳力，該階段對應荷載-位移曲線中的滑移階段。圖15(c)表示孔壁承壓階段波紋板的應力分布云圖，此時連接部位以孔壁承壓為主要傳力方式，與波紋鋼構件連接部位變形破壞不同的是，最大應力主要集中在靠近波紋板兩端的螺栓孔處，應力集中的區域將進一步發展成為構件破壞區域。圖15(d)表示波紋鋼構件產生初始變形時的波紋板應力分布云圖，可以看出，發生變形的位置是螺栓連接部分的螺栓孔處，此時的變形較小，該階段對應荷載-位移曲線中的接近荷載峰值階段。圖15(e)表示波紋鋼構件最終變形階段的波紋板應力分布云圖，此時螺栓連接部位的螺栓孔發生較大變形，已經無法再繼續承受荷載，該階段對應荷載-位移曲線中的荷載下降階段。

圖16為波紋鋼構件連接部位螺栓孔變形破壞的荷載-位移曲線，對應上述波紋鋼構件在各個階段的應力分布。與波紋鋼構件連接部位變形破壞不同的是，當波紋鋼構件出現明顯變形時，荷載已經接近于荷載峰值，隨著變形的不斷增大，構件并未立即失去承載能力，而是在荷載持續緩慢增加一段時間后逐漸失去承載能力。荷載-位移曲線主要包括滑移階段、孔壁承壓階段、初始變形階段以及波紋鋼的最后變形階段。波紋鋼構件連接部位螺栓孔變形破壞的主要特征為連接部位螺栓孔的變形，而波紋鋼板產生的變形不大。

5 結語

(1)隨著預緊力矩的增加，波紋板連接部位滑移荷載和構件承載力峰值具有增高的趨勢。標準預緊力矩螺栓節點比無節點波紋板承載力低8.26%；當過擰超過標準力矩20%時，滑移平臺消失，螺栓節點波紋板構件承載力與無節點波紋鋼構件相近。

(2)當連接部位的承載力大于或近似等于0.8倍無節點波紋板極限承載力時，構件的主要破壞形態為連接部位邊緣的單層波紋板變形，這種破壞形態的荷載-位移曲線在波紋鋼構件出現明顯變形時的荷載接近于荷載峰值。

(3)當連接部位的承載力遠低于0.8倍無節點波紋板極限承載力時，構件的主要破壞形態為連接部位螺栓孔發生較大變形，無法繼續承受荷載，這種破壞形態的荷載-位移曲線當荷載接近荷載峰值時，隨著螺栓孔變形的不斷增大，構件并未立即失去承載能力，而是在荷載持續緩慢增加一段時間后才逐漸降低。