不锈钢螺栓连接节点研究现状简述★

邓泽鹏　段文峰　刘文渊

(1.吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春　130118；2.上海蓝徽建筑工程有限公司，上海　201609；　3.南京理工大学泰州科技学院，江苏 泰州　225300)



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不锈钢螺栓连接节点研究现状简述★

邓泽鹏1,2段文峰1刘文渊3

(1.吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春130118；2.上海蓝徽建筑工程有限公司，上海201609；3.南京理工大学泰州科技学院，江苏 泰州225300)

阐述了国内外不锈钢相关设计规范以及各国规范采用的设计方法，通过总结近年来不锈钢螺栓连接节点的研究现状，探讨了不锈钢螺栓连接的发展趋势及其破坏模式的主要特征，最后展望了不锈钢螺栓连接需要着重研究的内容。

不锈钢，螺栓，设计规范，破坏模式

0　引言

不锈钢材料具有耐腐蚀性、耐久性、耐火性、易维护性和美观大方等多重特性，很大程度上弥补了碳钢这方面的缺陷，给其带来了广阔的应用前景，且随着建筑可持续发展的理念深入人心，不锈钢材料可望成为一种应用前景较好的绿色建筑材料[1]。本文先对不锈钢材料进行简要介绍，之后简要介绍各国不锈钢结构设计规范，最后介绍国内外学者对不锈钢螺栓连接节点方面的研究情况，并总结后期需要着重研究不锈钢螺栓连接的相关部分。

1　不锈钢材料及其应用

1.1不锈钢材料的性能及分类

普通不锈钢是指不锈耐酸钢，其为耐蒸汽、空气、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种，且是材料中铬含量不低于10.5%，碳含量不高于1.2%的耐腐蚀合金钢[3]。不锈钢的耐腐蚀性是材料中各种不同成分相互作用的结果，各种合金元素也使不锈钢材料获得足够的强度、塑性和韧性，以及良好的工艺性能，如可焊接性、耐热性、易加工成型性[4]。

不锈钢材料按组织形态可分为：奥氏体型、铁素体型、奥氏体—铁素体型(双相型)、马氏体型及沉淀硬化型不锈钢等[4]。

1.2不锈钢的特点和应用

与碳素钢材料相比，不锈钢材料具有以下几个显著的特点：1)较低的比例极限以及非线性的本构关系，材料应变硬化较高；2)拉压方向力学性能不同，显示其各向异性性能；3)材料力学性能受冷弯加工影响较为明显，且不同类型的不锈钢受冷弯影响表现不一[4]。

2　不锈钢结构的国内外研究现状

2.1不锈钢结构设计规范

目前国内《不锈钢结构技术规范》已于2015年12月正式推广使用。国外一些发达国家对于不锈钢的研究起步较早，以下四部规范最具有代表性：

1)美国规范ASCE/SEI 8—02[5](以下简称美国规范)是由美国钢铁协会于1968年编制，于2002年颁布的修订版本。

2)欧洲规范EN 1993—1—4[6](以下简称欧洲规范)是欧洲标准协会在不锈钢结构设计手册的基础上进行修订并颁布的。

3)日本规范《不锈钢建筑结构设计标准》[9](以下简称日本规范)是由日本不锈钢建筑协会于1995年颁布的，2000年颁布的修订版。

4)澳大利亚/新西兰规范AS/NZS4673:2001[10](以下简称澳新规范)是在美国规范的基础上编制的，后面不再赘述。

通过对欧洲、美国及日本规范与中国规范中不锈钢螺栓连接设计的相关部分进行对比得到[11]：

1)欧洲、美国及日本规范的极限强度状态法是基于材料的极限强度设计，而中国规范和日本规范的容许强度法是基于材料的屈服强度设计的。

2)欧洲规范适用于冷成型和热轧型不锈钢；而美国规范只适用于冷成型不锈钢；日本规范钢种主要针对牌号SUS304冷成型不锈钢。

3)日本规范还给出了高强度摩擦型螺栓的设计方法，其他规范均不推荐采用摩擦型螺栓设计。

4)欧洲规范考虑的安全系数很多，最为详细；美国规范考虑的参数很少，使用简便；日本规范可用于承压型和摩擦型螺栓连接。

2.2不锈钢结构螺栓连接节点的研究现状

国外一些发达国家对不锈钢结构的研究起歩较早，迄今为止已经取得了较为成熟的研究成果，我国针对不锈钢结构的研究起步较晚，但近些年来也有一些研究成果。下面简要介绍国内外不锈钢构件螺栓连接节点研究状况：

Tae Soo Kim等[1]采用ABAQUS有限元软件对薄壁不锈钢板在螺栓连接时的结构性能进行研究，其还对连接中薄板发生翘曲引起的强度折减进行研究，发现翘曲引起的强度折减大小为19%～39%。

Tae Soo Kim等[12]对冷成型不锈钢板单剪螺栓连接节点在极限强度下的力学行为进行研究，并采用有限元模拟分析完成了一系列参数研究，提出单个螺栓节点在考虑翘曲引起的强度折减下的强度公式。

Ryan[13]对较厚材料的不锈钢螺栓连接节点进行试验研究，考虑了三种连接类型，分析了各种破坏模式，提出构造规定及相关参数的建议，欧洲规范的设计规定采用了其研究成果。

Tae Soo Kim等[14]通过有限元分析得到螺栓连接的失效模式和对应的极限承载力，并且发现在有限元模型中当盖板为薄板时会发生翘曲，并分析了螺栓失效情况和翘曲的失效准则。

A.Bouchair等[15]对钢结构中两种典型的螺栓连接形式即盖板连接和T型连接进行了研究。对盖板连接采用位移控制准则，在T型连接中，发现在荷载作用下，不锈钢的应变硬化是持续增强的。

D.A.Nethercot等[16]考虑了螺栓连接中两种破坏模式：净截面破坏和承压破坏，并进行有限元模拟研究，提出变形准则来判断螺栓连接的破坏模式。

E.L.Salih等[17]采用不锈钢薄板和厚板进行了螺栓连接节点的承压性能研究，最后提出了考虑翘曲影响下的承压计算公式，其研究的成果已被用于不锈钢螺栓连接承压破坏的规范设计。

J.Averseng等[18]基于先前的试验结果，确定了影响承载性能的相关参数，然后建立了相应的不锈钢螺栓盖板连接的有限元模型，分析提出新的连接设计方法，其有助于有限元模型分析。

E.L.Salih等[19]对不锈钢连接净截面的破坏性能进行研究，建立奥氏体以及马氏体不锈钢数值分析模型，并用试验结果进行了验证，且利用此模型对影响螺栓连接净截面破坏的主要参数进行研究。

关建等[20,21]考虑了端距、螺栓直径、板厚等主要影响因素，对不锈钢螺栓连接节点进行承压性能研究，最后在试验分析、有限元分析的基础上，提出了两种承压强度的设计公式。

Asko Talja等[22]对铁素体不锈钢节点进行多组抗剪试验，考虑了螺栓和螺钉不同的排列形式，试验中出现净截面失效、承压失效和螺帽撕裂破坏，建议新的欧洲不锈钢设计规范参考其试验结果。

Bouchair等[23]对不锈钢螺栓连接抗滑性能进行了研究，施加了静力荷载和循环荷载作用，结果表明螺栓连接节点抗滑移性能良好。

王元清等[24]对奥氏体316不锈钢板摩擦面的抗滑移系数进行研究，并对摩擦面采用拉丝、喷砂、割痕等方法进行处理。结果显示抗滑移能力喷砂处理的最差，其次是割痕处理，最好的是拉丝处理。

Cai Yancheng等[25]对87个冷弯薄壁不锈钢单剪螺栓连接进行了分析，采用瞬态试验方法进行测试。结果显示不锈钢单剪螺栓连接的强度呈减小趋势；而室温下荷载水平为破坏荷载的25%和50%时，瞬态试验得到的临界温度略高于稳态试验。

3　总结与展望

关于不锈钢螺栓连接节点方面的研究，国外一些专家学者已经取得了一定的成果，其为不锈钢材料应用在建筑结构中奠定了基础，目前国内针对不锈钢结构的连接节点的研究还很少，需要尽快开展有关不锈钢结构、材料的研究。

1)不锈钢材料显著的特性可与绿色建筑理念相结合，虽然建筑初期的造价较高，但相对于碳素钢结构，其有较长的使用寿命，而且后期防锈、防火成本很低，是一种值得推广的绿色材料。

2)国内不锈钢结构的相关研究较少，还需在不锈钢螺栓连接节点部分对平面外翘曲、节点破坏模式、螺栓排列方式、连接板件构造要求(端距、边距、中距)、不同型号牌号不锈钢等方面进行大量的理论和试验研究。

3)尽管我国的《不锈钢结构技术规程》已经颁布，但其只是在钢结构设计规范的基础上进行相应的修正得出的相关设计方法，故后期还需实践应用来检验其正确性，再将应用结果与理论相结合，促进不锈钢结构的发展。

[1]Kim T S,Kuwamura H.Finite element modeling of bolted connections in thin-walled stainless steel plates under static shear[J].Thin-Walled Structures,2007,45(4):407-421.

[2]CECS 410:2015，不锈钢结构技术规范[S].

[3]王元清,袁焕鑫,石永久,等.不锈钢结构的应用和研究现状[J].钢结构,2010,25(2):1-12,18.

[4]伍千思.钢铁材料手册:不锈钢(第5卷)[M].北京:中国标准出版社,2009.

[5]ASCE/SEI 8—02,Specification for the Design of Cold-formed Stainless Steel Structural Members[S].

[6]EN 1993—1—4:2006,Eurocode3:Design of Steel Structures.Part 1-4:General-Supplementary Rules for Stainless Steels[S].

[7]EN 1993—1—8:2005,Eurocode3:Design of Steel Structures.Part 1-8:Design of joints[S].

[8]EN 1993—1—3:2006,Eurocode3:Design of Steel Structures.Part 1-3:General rules-Supplementary rules for cold-formed members and sheeting[S].

[9]JIS G 4321:2000,日本不锈钢建筑结构设计标准[S].

[10]AS/NZS4673:2001,Cold Formed Steel Structural[S].

[11]段文峰,邓泽鹏,刘文渊.各国规范关于不锈钢螺栓连接节点设计方法比较[J].吉林建筑大学学报,2016，33(1):25-30.

[12]Kim T S,Kuwamura H.Numerical investigation on strength design and curling effect of mechanically fastened joints in cold-formed austenitic stainless steel[J].Material and Design,2011,32(7):3942-3956.

[13]Ryan I.Development of the use of stainless steel in construction.WP4.2,ECSC Project No.7210-SA/327.

[14]Kim T S,Han B S,Shin S W.Prediction of ultimate behavior of bolted connections in cold-formed stainless steel using numerical analysis[D].Ansan,Korea:Sustainable Building Research Center,Hanyang University,2001.

[15]J.Averseng,A.Bouchair.Modelling and analysis of bolted stainless steel cover plate joints[J].European Journal of Environmental and Civil Engineering,2009,13(4):442-456.

[16]Nethercot D A,Salih E L,Gardner L.Behavior and Design of Stainless Steel Bolted Connections[J].Advances in Structural Engineering,2011,14(4):647-658.

[17]Salih E.L,Gardner L,Nethercot D.A.Bearing failure in stainless steel bolted connections[J].Engineering Structures,2011,33(2):549-562.

[18]J.Averseng,A.Bouchair.Modelling and analysis of bolted stainless steel cover plate joints[J].European Journal of Environmental and Civil Engineering,2009,13(4):442-456.

[19]Salih E.L,Gardner L,Nethercot D.A.Numerical investigation of net section failure in stainless steel bolted connections[J].Journal of Constructional Steel Research,2010(66):1455-1466.

[20]关建,王元清,张勇,等.不锈钢构件高强度螺栓连接节点承压性能的影响因素[J].北京交通大学学报,2012,36(4):115-120.

[21]关建.不锈钢构件螺栓连接节点及焊接工字形截面残余应力研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[22]Asko Talja,Matjaz Torkar.Lap shear tests of bolted and screwed ferritic stainless steel connections[J].Thin-Walled Structures,2014,83(5):157-168.

[23]Bouchair A,Baptista A.Strength and deformation of stainless steel bolted joints with reference to Eurocode 3[A].3rd Eurosteel conference[C].2002:879-888.

[24]王元清,关建,张勇,等.不锈钢构件螺栓连接摩擦面抗滑移系数试验[J].沈阳建筑大学学报,2013,29(5):769-775.

[25]Cai Yancheng,Ben Young.Transient state tests of cold-formed stainless steel single shear bolted connections[J].Engineering Structures,2014,81(12):1-9.

A brief introduction to the research status of stainless steel bolted joints★

Deng Zepeng1,2Duan Wenfeng1Liu Wenyuan3

(1.SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China;2.ShanghaiLanhuiConstructionEngineeringCo.,Ltd,Shanghai201609,China;3.TaizhouInstituteofScience&Technology,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Taizhou225300,China)

A brief introduction to design method of using stainless steel at home and abroad related design codes and standards of different countries, after in recent years stainless steel bolt connection node research status are summarized, and discusses the development trend of stainless steel bolt connection and failure mode of the main features， finally prospected emphatically research contents of stainless steel bolt connection.

stainless steel, bolt, design code, failure mode

1009-6825(2016)21-0038-03

2016-05-18★:吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(项目编号：90701303)

邓泽鹏(1989- )，男，在读硕士，一级建造师

TU391

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