高强度钢材螺栓抗剪连接设计方法分析

蔡玉军,高志宏

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043；2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(铁一院),西安 710043)

普通钢材螺栓连接的性能已比较成熟，现行规范[1-2]对此己有明确的设计理论和方法，而有关国产高强钢材螺栓连接性能方面的研究却较少，还没有形成普遍可以接受的高强度钢材螺栓连接的设计理论和构造要求，有必要通过试验对其进行研究。

目前，国外学者主要研究了几何参数及高强度钢材性能对连接接头承载性能的影响，讨论了不同规范设计方法对高强度钢材螺栓连接的适用性。如，Wallaert和Fisher[3]分析了高强度钢材螺栓连接设计方法与几何参数关系，认为端距、边距和螺栓间距对试件破坏模式有一定影响；Aalberg和Larsen[4]将高强度钢材与普通钢材的螺栓连接承载性能进行对比，发现普通钢材的破坏模式多为净截面破坏，材料屈强比对变形能力没有影响；Kim和Yura[5]分析了不同材料屈强比下，螺栓端距、边距和螺栓间距对试件承载性能的影响；Moze和Beg[6-7]进行了高强度钢材螺栓连接试验，将试验结果与理论模拟对比，发现EUROCODE 3规范在预测试件极限承载力和破坏模式上有偏差，提出了修正公式。

国内清华大学石永久[8-10]等学者对高强度钢材螺栓连接的抗剪性能进行了试验，分析了连接板厚、几何参数等因素对抗剪连接性能的影响，并探讨了各国规范的适用性与准确性，开始了对高强度钢材螺栓连接的研究。

本文结合严寒地区高铁站房钢材的特点，对Q460D高强度钢材螺栓抗剪连接试件进行了静力拉伸试验，并与中国规范GB50017—2003[1](简称GB50017)、欧洲规范EUROCODE3[11-12](简称EC3)及美国规范ANSI/AISC360-05[13](简称ANSI)的理论计算值进行对比，为国产高强度钢材螺栓连接的设计方法提供基础数据支撑。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验设计了Ⅰ、Ⅱ两组高强度钢板螺栓连接试件，每组各10件，其中钢板采用Q460D高强度钢材，连接螺栓为承压型高强度螺栓，试件示意如图1所示。

图1 试件示意

Ⅰ组SPE1～10为螺栓横向布置，Ⅱ组SPE11～20为螺栓纵向布置，通过高强度螺栓将钢板A和钢板B连接在一起，研究螺栓布置方式对Q460D钢板高强度钢板螺栓连接承载性能及破坏模式的影响。连接螺栓采用10.9级M20高强度螺栓，钢板选用8 mm厚Q460D轧制钢，钢材应满足GB/T1591—2008《低合金高强度结构钢》及GB/T19879—2005《建筑结构用钢板》的各项性能要求。Q460D钢材的力学性能和应力-应变曲线如表1、图2所示。

表1 Q460D钢材的力学性能

图2 Q460D钢材的应力-应变曲线

试件几何尺寸及板件开孔参数如表2、图3所示，其中端距e1、边距e2、螺栓间距p2，各数值均应满足规范GB50017—2003的规定，即e1≥2.0d0，e2≥1.5d0，p2≥3.0d0。

表2 试件几何尺寸

图3 板件开孔参数示意

1.2 加载装置

采用500 kN MTS试验机对连接板件进行静力拉伸试验，加载装置和仪表布置如图4、图5所示。按相关技术标准[14]规定的加载方法，标准加载前先预加载至5 kN后卸载至零，以确保各仪表及加载装置正常运行，正式加载的速率为1 kN/s。位移和应变通过TDS-303采集仪记录，作动器施加的力和位移由MTS伺服加载系统记录。

图4 加载装置

图5 测点布置

1.3 螺栓预拉力

采用扭矩扳手对高强度螺栓施加预拉力，按现行规程[15]规定，高强螺栓的施工终拧扭矩由式(1)确定，初拧扭矩取0.5Tc，顺序沿中间向两端逐个进行。

Tc=kPcd=0.15×170×20=510 N·m

(1)

式中，Tc为终拧扭矩；k为高强度螺栓连接扭矩系数平均值，建议取0.11～0.15；Pc为高强度螺栓施工预拉力，取170 kN；d为高强度螺栓公称直径，mm。

2 试验结果及破坏模式

2.1 试验现象

SPE2、SPE12试验过程及加载曲线如图6所示。加载初期，连接板接触面没有发生滑动，试件主要靠板间接触面的摩擦力传递荷载，处于摩擦阶段。当作用在连接板上的剪力超过摩擦力时，试件有轻微响声，继续加载后有较大水平滑移段，侧面可看到板间的相对位移显著增大，如图7所示。滑移主要由孔壁与螺杆的间隙及孔壁变形产生，伴有较大响声。螺栓杆与孔壁紧密接触后，进入承压阶段，试件主要依靠钢板承压和螺栓抗剪传递水平荷载，栓孔附近的钢材开始挤压变形，伴随巨大响声，钢板表面的氧化皮层脱落，该阶段水平位移增量远大于荷载增量。加载后期试件变形量较大，曲线斜率逐渐放缓，曲线下降，试件丧失承载能力，试验结束。两试件均经历了摩擦、滑移、承压及破坏阶段。SPE2和SPE12的极限承载力分别比规范理论计算值提高28.21%和13.37%。

图6 荷载-位移曲线

2.2 破坏模式

20组试件主要破坏模式有以下几种。

SPE1～4的螺栓间距由3.5d0减小到2d0，破坏模式由孔前挤推变为混合破坏；SPE5、SPE2、SPE6、SPE7边距由2d0减小至1.0d0，破坏模式由孔前挤推变为混合破坏，减小为d0时发生净截面破坏；SPE8、SPE2、SPE9、SPE10端距由2.5d0减小至1.0d0，破坏模式由净截面破坏变为混合破坏，减小为1.0d0时发生端部撕裂破坏。SPE11～20荷载位移曲线与图6类似，孔被拉长后，钢板在延展最小截面处断裂，发生图8所示净截面破坏。SPE1-SPE20试件中螺栓孔典型的破坏形式如图9所示。

图7 试件滑移

图8 破坏形式

通过对20组Q460D高强度钢板螺栓抗剪连接试件的静力承载力试验可得出，端距、边距及螺栓间距等几何参数对试件极限承载力有较大影响，且几何参数在限定范围内时，破坏模式之间存在一定的关联。

图9 破坏模式

3 理论设计方法分析

目前，各国规范对普通钢材螺栓抗剪连接的设计思路略有不同，但都基本包含螺栓抗剪强度验算和钢板承压强度验算两部分内容，而对高强度钢材的螺栓抗剪连接均没有明确的设计方法。故本文在借鉴普通钢材承压型抗剪连接计算方法的基础上，与试验数值进行对比分析，找出各国规范与试验数值和破坏模式的差异。

3.1 GB50017规范

我国钢结构设计规范并未涉及Q460D及以上高强度钢材连接的具体强度指标和设计方法，承压型连接仍沿用现有规范计算公式。

螺栓抗剪

(2)

钢板承压

(3)

3.2 EC3规范

抗剪承载力设计值

(4)

钢板承压设计值

(5)

式(4)、式(5)中，Fv，Rd为螺栓抗剪承载力设计值；Fb，Rd为钢板承压承载力设计值；γM2=1.25；αb为是否过螺纹的调整系数值0.5；A为螺栓截面积；fub为螺栓抗拉强度，10.9级螺栓取1 000 MPa；fu为钢板抗拉强度，由材性得知为591.97 MPa；d为螺栓直径；t为钢板厚度。

(6)

(7)

其中，e1≥1.2d0，e2≥1.2d0，p2≥2.4d0。

3.3 ANSI规范

抗剪承载力设计值

Rn=φFnAb

(8)

钢板承压设计值

Rb=φ1.2LctFu≤φ2.4dtFu

(9)

式中，Rn为螺栓抗剪承载力设计值；Rb为钢板承压承载力设计值；φ=0.75；Fn为螺栓抗剪强度；Ab为螺栓有效截面积；Lc为钢板端部到螺栓孔净距；d为螺栓直径；t为钢板厚度；Fu为钢板抗拉强度。

3.4 理论与试验数值对比分析

采用各国规范计算值与试验数值对比情况如图10所示，图中横坐标FR为规范计算的承压承载力设计值，纵坐标为试验试件的极限承载力P。EC3规范认为钢板承压强度与螺栓连接构造及钢材抗拉强度有关，综合考虑了螺栓端距和边距的影响，并给出了具体的计算公式，较好的反映了参数对承载性能的影响，理论计算值基本符合试验结果，但对破坏模式的预估与实际有所差异，且理论计算值偏保守；ANSI规范仅考虑了端距对承载能力的影响，未考虑螺栓边距和间距的影响。对螺栓横向布置的连接，规范的适用性较强，而对于螺栓纵向布置的连接，理论计算值均偏大，偏于不安全；GB50017规范中对于螺栓间距等参数通过构造要求进行限定，未直接反映到计算公式中。高强度钢材承压强度设计值仍沿用普通钢材的规定，其值明显偏低，不利于高强度钢材性能的发挥，其理论计算值相对其他规范更偏于保守。

图10 规范计算值与试验数值对比

4 结论

通过对20组Q460D高强度钢板螺栓抗剪连接试件的静力承载力试验及理论设计方法分析，可得出以下结论。

(1)螺栓的排列方式，螺栓孔端距、边距及螺栓间距等几何参数对试件极限承载力有较大影响，且几何参数在限定范围内时，破坏模式之间存在一定关联。

(2)EC3规范能较真实地反映试件随端距和边距的变化；ANSI规范仅考虑了端距对承载能力的影响，但未考虑螺栓边距和间距的影响。

(3)对于Q460D高强钢材螺栓抗剪连接承载力计算，EC3规范和ANSI规范都不能很好地反映其破坏模式和承载力。EC3规范理论计算值偏保守，ANSI规范对螺栓横向布置的连接适用性较强，而对于螺栓纵向布置的连接计算偏于不安全。

(4)GB50017规范的理论计算值相对其他规范更偏于保守，为了全面地得到高强度钢材螺栓抗剪连接性能，须进行系列的参数化分析，以完善规范设计方法，便于高强度钢材的推广应用。

[1] 中华人民共和国建设部.GB50017—2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2] 中华人民共和国建设部.JGJ99—98 高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，1998.

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[12] European Committee for Standardisation. Eurocode 3：Design of steel structures. Part 1.12: Additional Rules for Extension of EN 1993 up to Steel Grades S700[S]. Brussels: 2006.

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[14] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.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：中国标准出版社，2010.

[15] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ82—2011 钢结构高强度螺栓连接技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.