多层预拼装钢结构系统特殊连接螺栓抗剪性能试验研究

张 齐 张其林 丁 娟

（同济大学建筑工程系，上海200092）

多层预拼装钢结构系统特殊连接螺栓抗剪性能试验研究

张 齐*张其林 丁 娟

（同济大学建筑工程系，上海200092）

某新型多层预拼装钢结构系统采用了钢板自攻螺纹螺栓连接形式，超出现行规范中连接类型，需进行相关试验进行论证，针对工程常用6种规格高强螺栓自攻螺纹连接进行了单个螺栓抗剪试验，研究了此种连接的抗剪破坏模式，并依据摩擦型高强螺栓及承压型高强螺栓不同的设计假定确定两种情况下的极限承载力，与规范要求承载力设计值进行比对，为该种新型螺栓连接提供设计依据。

高强螺栓，破坏模式，抗剪承载力，性能试验

1 引 言

装配式钢结构建筑［1］就是用预制的钢构件在工地装配而成的建筑。这种建筑的优点是建造速度快，受气候条件制约小，节约劳动力并可提高建筑质量。随着建筑行业产业化的发展，装配式钢结构建筑的应用越来越广泛。装配式钢结构建筑体系所用的连接形式主要有焊接、普通螺栓、薄壁型钢用自攻螺钉等［2］。

某新型多层预拼装钢结构系统采用钢板自攻螺纹高强螺栓连接形式，现行钢结构设计规范中未包含该类连接类型，必须进行相关试验研究，以获得其相关性能。

高强螺栓在使用过程中需要保证一定的预紧力，自攻螺纹高强螺栓连接由高强螺杆与Q345B钢板的自攻螺纹组成，此种连接的一般形式及与普通螺栓连接的对比如图1所示。螺栓作为钢结构的主要连接件，有必要通过试验对此种连接的剪切荷载承载能力进行论证。螺栓的抗剪试验主要通过对试件施加静拉力直至试件破坏，以研究该种螺栓连接剪力作用下的破坏形式，并测定试件的极限承载力，为该种螺栓连接提供设计依据。

2 试验概况

2.1 试件设计和实验装置

本试验为单个螺栓抗剪试验。试件由M20 8.8s级连接螺栓、试验螺栓、试验用垫板和带有自攻螺纹的钢板组成。试验螺栓选用实际工程常用的6种规格高强螺栓（M16，M20，M22，M24，M27，M30），自攻螺纹钢板及垫板材质为Q345B。板件尺寸设计参照钢结构设计规范要求的螺栓板端矩、板厚。试件示意图及设计图见图2。试验试件尺寸见表1。

图2 试件及试验装置示意图（单位：mm）Fig.2 Test loading equipment and test specimen（Unit：mm）

表1 试件尺寸表Table 1 Dimensions of test specimens

2.2 试验装置和加载制度

试件由M20 8.8s级连接螺栓、试验螺栓、试验用垫板和带有自攻螺纹的钢板组成，试验时将试件按照图2所示现场拼装，拼装完毕后将试件安放在万能试验机内。正式试验时每种规格螺栓做6组实验，其中，1－3组试件试验螺栓施加预紧力，4－6组试件试验螺栓不施加预紧力，预紧力施加通过扭矩扳手实现，扭矩扳手施工扭矩参照表2数值，表2中螺栓扭矩为德国工业标准［3］测定螺栓达到屈服极限70%时测得的扭矩，建议锁紧力矩为螺栓扭矩的70%～80%。试验装置如图3所示。

表2 螺栓扭矩表Table 2 Bolting required tightening torque

图3 试验装置Fig.3 Test equipment

在正式加载开始之前，首先对试件进行预加载，预加载值为设计荷载的5%。当螺栓孔完全闭合，同时加载设备和测试仪器均正常时，卸载至0。然后施加单调荷载，屈服点之前控制加载速率为10 MPa／s，屈服之后加载速率控制在1.5 mm／min，直至试件发生破坏或者承载力显著下降［4］。

2.3 量测内容及方法

单个螺栓抗剪试验中需要观测自攻螺纹连接承受剪力作用下的破坏模式，记录试件破坏时的荷载，量测连接节点区域剪切变形随荷载变化情况。

连接节点的位移测点布置情况如图4所示，通过图4所示两个位移计的差值可以得到试件剪切面两侧的相对位移。试件的极限承载力可以通过试验机直接得到，破坏模式通过试验过程观察得到。

图4 测点布置图Fig.4 Measurement point layout

3 试验结果与分析

3.1 破坏模式

Winter［5］将螺栓抗剪连接的破坏模式归纳为以下四种：端部撕裂、孔壁承压破坏、净截面拉断和螺栓剪断。本试验试件设计中采用的钢板尺寸避免了试验过程中钢板的破坏，所以试验中只观察到螺杆发生破坏。所有试件的破坏模式均为螺杆剪断。破坏模式如图5所示。

图5 破坏模式Fig.5 Failuremode

3.2 极限承载力

高强螺栓连接是通过施加预紧力把连接板的板件夹紧，产生摩擦力，以提高连接的整体性和刚度。工厂出厂的高强螺栓本身是没有承压型与摩擦型之分的，只是根据使用中采用的设计准则不同而划分，虽然是同一种螺栓，但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。按照设计和受力要求的不同，可分为摩擦型连接和承压型连接两种［6］。

在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是保证连接在整个使用期内的外剪力不超过最大摩擦力，即以外剪力达到构件接触面间由螺栓预紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态。螺栓杆和孔壁间一直保持原有的孔隙，板件间不会发生相对滑移变形，被连接板件按弹性整体受力。而承压型连接中是允许外剪力超过最大摩擦力的，这时被连接的板件间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，然后依靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为受剪连接的极限状态。摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓极限状态示意图见图6。

图6 摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓极限状态示意图Fig.6 Working principle of friction type high-strength bolts and bearing high-strength bolts

在本试验中得到的试件最终破坏极限荷载与承压型高强螺栓设计假定的极限状态一致，依据《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）［7］给出的承压型高强螺栓抗剪设计公式：

式中， nv——受剪面数目；

值；

∑t——在不同受力方向中一个受力方

式中，de为有螺纹螺杆处有效直径。

表3、表4为试验得到的试件极限承载力以及依据上述钢结构设计规范给出的极限承载力设计公式得到的规范设计值汇总表。此两表中的极限承载力指试件加载过程中所达到过的承载力最大值。

向承压构件总厚度的较小值。

需要注意的是，若剪切发生在螺纹处，则

表3 施加预紧力试件极限承载力（承压型）汇总表Table 3 Test results of prestressed specimens（bearing type bolts）

表4 未施加预紧力试件极限承载力（承压型）汇总表Tab le 4 Test results of unprestressed specimens（bearing type bolts）

3.2 荷载位移曲线

本试验共进行六种规格螺栓的抗剪试验，每种规格螺栓进行六组试验，其中，1－3组试件试验螺栓施加预紧力，4－6组试件试验螺栓不施加预紧力，预紧力施加通过扭矩扳手以一定的施工扭矩施加。

试验得到的荷载位移曲线如图7所示，其中位移为由图4所示位移计布置计算得到的试件剪切变形。

图7 荷载-位移曲线Fig.7 Loading-displacement curve

通过观察荷载位移曲线可以得到以下结论：

（1）施加预紧力的组别荷载位移曲线呈现如图6所示的典型高强螺栓正常工作状态荷载位移曲线。首先随着荷载增大两板件相对位移呈线性增长，且变化较为缓慢，此阶段剪力由摩擦面摩擦力承受，当外剪力作用大于摩擦面静摩擦力作用时，板件发生相对滑移，此时荷载位移曲线出现水平突变段，此后进入承压工作状态，剪力靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同承受。

（2）未施加预紧力的组别荷载位移曲线出现两种状态，一种是荷载位移曲线平滑上升达到最高点然后平滑下降，如图7（c）中曲线4所示，另一种同施加预紧力组别的曲线形状一致，但是位移出现突变时的荷载水平较低，如图7（e）中的曲线4、曲线5所示。这是因为虽然未通过扭矩扳手施加预紧力，但是在普通扳手固定过程中螺栓同样会对板件产生较低的预紧力，因而在实际受力过程中也分为摩擦阶段和承压阶段两阶段，但是相比于施加预紧力的组别摩擦阶段不明显。

对于摩擦阶段与承压阶段的划分点，钢结构设计规范给出的计算公式如下：

式中， nf——传力摩擦面数目；

μ——摩擦面的抗滑移系数；

P——高强螺栓预紧力。

对于本试验，传力摩擦面数目为1，摩擦面抗滑移系数依据钢结构设计规范取值为0.30，高强螺栓预紧力取值依照钢结构设计规范，具体取值如表5所示，试验时施加的施工扭矩依照表2取值选取。计算结果及试验数值汇总见表5所示。由此表可以得出如下结论：试验得到的数据具有较大的离散性，并且对于M22，M24，M30试件试验得到的平均值小于理论值，这是因为扭矩法施工本身具有较大的离散型，对于不同批次螺栓具有不同的且离散性较大的扭紧力矩K值，而预紧力P＝T／Kd，因而通过扭矩法施工最终得到的预紧力数值离散性较大，而理论值计算过程中使用的预紧力为规范规定预紧力，并且实际摩擦面滑移系数同理论值计算使用的0.3会有所差别。

表5 试件极限承载力（摩擦型）汇总表Table 5 Test results（friction type bolts）

3.4 分析与讨论

试验中所有试件的破坏方式均为螺杆剪断，这说明依据钢结构设计规范中规定的端距、板厚进行新型螺栓连接的板件设计可以有效地防止端部撕裂、孔壁承压破坏以及板件净截面拉坏等板件破坏方式，充分利用高强螺栓的强度，达到较好的连接效果。

试验中不同规格的螺栓分别进行了施加预紧力与不施加预紧力的试验，施加预紧力的试验组别的荷载位移曲线为典型的高强螺栓工作状态荷载位移曲线（图6）。荷载位移曲线存在明显的滑移段，滑移之后螺栓杆与孔壁接触，通过孔壁承压的方式传递剪力。无论是施加预紧力的组别还是未施加预紧力的组别，最终破坏形式均为螺杆剪断，且对于同样规格的螺栓，是否施加预紧力对螺杆剪断时的极限承载力影响较小。

在实际工程应用中，摩擦型高强螺栓是将滑移段出现作为极限状态，承压型高强螺栓是将承压破坏出现作为极限状态，通过试验测定数值与钢结构设计规范中对于承压型及摩擦型设计承载力的比较发现，此种新型螺栓作为承压型高强螺栓进行设计是可以满足设计要求，若将其作为摩擦型高强螺栓进行设计，需要进行进一步的试验进行分析验证。

4 结 论

（1）在钢板端矩、厚度满足一定要求的情况下，此种利用钢板自攻螺纹及高强螺杆组成的新型连接形式在承受剪力时最终破坏模式为螺杆剪断，可以充分发挥高强螺栓的承载能力。

（2）若作为承压型高强度螺栓进行设计，此种连接在本文研究范围内可以满足规范的要求，若依照摩擦型高强螺栓的设计假定，将此种连接作为摩擦型高强螺栓连接进行设计，此种连接在本文研究范围内得到的数据具有一定的离散型，且部分规格试件极限承载力小于规范设计值。

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［2］ 中华人民共和国建设部.JG／T 182—2005低层轻型钢结构装配式住宅技术要求［S］.北京：中国计划出版社，2005.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JG／T 182—2005 Technical Requirements for low-rise assembled residential buildings with lightweight steel framing［S］.Beijing：China Planning Press，2005.（in Chinese）

［3］ Deutsches Institut für Normung e.V.DIN 931-70［S］.

［4］ 中国国家标准化管理委员会.GB／T 228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法［S］.北京：中国质检出版社2012.Standardization Administration of the People’s Republic of China.GB／T 228.1—2010 Metallicmaterials-tensile testing-part1：method of test at room temperature［S］.Beijing：China Zhijian Publishing House，2012.（in Chinese）

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Experimental Study on a New Bolt Connnection Used in M utti-story Fabricated Steel Structure

ZHANG Qi*ZHANG Qilin， DING Juan（Department of Structural Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

A new kind of bolt connection consisted of self-tapping steel plate and high strength bolt will be used in amultistory fabricated steel structure system.But there are no regulations on such kind of bolted connection.Therefore，extensive experimental research on bolted connection was taken.The objective of the research was to determine the ductility and resistance of such connection.The failuremode of bolted connections could be observed in the test.The ultimate bearing capacities of friction type high-strength bolt and bearing type high-strength boltare different due to different design provisions and both bearing capacitieswere dotained in this experiment.The ultimate bearing capacitieswere compared with that predicted by the current connection provisions specified in china steel design standards.

high strength bolt，failuremode，shear resistance，experimental study

2013－10－31

*联系作者，Email：zhangqi2.66＠163.com