冷弯薄壁型钢高强螺栓连接剪力传递性能研究

刘 浩， 丁凤鸣， 朱 华， 周 安

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑设计院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着2010年我国第一个为钢结构房屋提供技术标准和依据的钢结构房屋规范《轻型钢结构住宅技术规程》(JGJ 209—2010)的正式实施，发展钢结构建筑成为大势所趋。以轻钢结构为例，其不但贯彻落实了国家可持续发展的思想，也在当前建设资源节约型社会中逐渐成为建筑业发展的主流[1-6]。

但是，近几年发生多起轻钢结构倒塌的重大建筑安全事故。其破坏原因主要有设计不合理未考虑充足的安全储备、施工质量差、极端灾害天气如大雪大风，以及意外事故如火灾等[7-12]。

本文研究的冷弯薄壁型钢高强螺栓连接件剪力传递性能是轻钢结构实际加固工程项目的基础研究。而对于实际待加固构件，应该采用何种厚度的板材、何种规格的螺栓直径来进行加固，以及计算时单颗螺栓所能传递的剪力值大小、螺栓间距等问题，并没有相关研究及规范给出，这也是本文研究的重点内容。

1 薄壁钢板高强螺栓连接件剪力传递试验

1.1 试件设计

为研究冷弯薄壁型钢高强螺栓连接件的剪力传递性能，对28个薄壁钢板高强螺栓连接件进行拉伸试验，主要考虑螺栓预紧力、螺栓直径、螺栓排列方式等因素。

试验依据不同短钢板厚度、不同螺栓数量、不同螺栓排列方式、不同螺栓直径和不同螺栓预紧力对高强螺栓连接试件进行分组编号，如试件Ⅰ2--L1--T2--M6--1，Ⅰ2表示第一组短板厚度为2 mm，螺栓数量为2个，L1表示纵向排1颗螺栓，T2表示横向排2颗螺栓，M6表示所用高强螺栓直径为6 mm，1表示施加的施工扭矩为10 N·m；试件Ⅰ2--L1--T2--M6--1设计示意图如图1所示。

图1 试件Ⅰ2--L1--T2--M6--1设计示意图

1.2 试件制作与组装

试验所用薄壁钢板均在工厂进行切割钻孔，精度为0.1 mm。后期在合肥工业大学土木与水利工程学院结构工程试验室完成连接件的组装，使用的工具是MARGARET力矩扳手，量程为5～60 N·m。组装完成的部分试验试件如图2所示。

图2 组装完成的部分试件

1.3 钢材力学性能

材性试验共计2个试件，通过电子数据采集系统和应变采集仪自动控制加载、记录数据。在试验加载过程中可以观察到每个试件均有较为明显的变形，最终试件在标距的中部附近发生颈缩现象并撕裂破坏。通过试验数据的分析，测得薄壁板材的力学性能，见表2。

表2 钢材力学性能

1.4 测点布置

在每个试件上布置了6个测点粘贴应变片，以试件Ⅰ2--L1--T2--M6--2为例，应变片布置示意图如图3所示，测点布置主要考虑以下因素：

图3 应变片布置示意图(单位：mm)

(1)长钢板中部被短钢板覆盖，用1号点和5号点的应变大小代替长钢板中部应变。

(2)在拉伸荷载作用下，观测1号点和5号点、3号点与6号点的应变是否相同。如前期试验发现无明显差异，后期试验构件可只布置1、2、3、4四个测点。

(3)在拉伸荷载作用下，试件发生屈服时，根据1号点和2、4号点的应变，能够得到高强螺栓承受的剪力，以及长钢板与短钢板在高强螺栓连接剪力传递下的荷载分配情况。

1.5 试验加载

采用万能试验机进行加载，全过程由计算机系统控制加载和记录数据，加载设备如图4所示。试验采用的是位移控制加载，参考规范中的相关要求，试验加载速度为2 mm/min。从开始到结束的数据采集和记录由计算机全程自动控制，并自动绘制出荷载-位移曲线。

图4 加载设备

1.6 试验现象

在整个试验的加载过程中，加载初期试件并无明显变化，也没有明显的试验现象。加载中期，由于长钢板的拉伸变形，而短钢板的变形小于长钢板的变形，故长钢板和短钢板之间有相对滑移。随着位移荷载的施加，到试验加载后期，长钢板最外侧螺栓处钢板发生严重变形，出现颈缩现象，最后，在试件最外侧螺栓孔处撕裂导致试件破坏。以I4--L1--T4--M6--1为例，试件破坏后的情形如图5所示。

图5 试验构件破坏结果

2 剪力传递试验数据分析

2.1 剪力传递的概念

长钢板受到拉力作用产生变形而挤压螺栓栓杆，栓杆受到约束从而对短钢板施加作用力，荷载通过高强螺栓的抗剪进行传递，从而达到加固效果，我们把这个受力过程称为剪力传递。

2.2 荷载-应变曲线

本次试验构件剪力传递区段长钢板和短钢板的变形、传递区段以外长钢板的应变均通过粘贴的应变片测得，最后利用origin画图软件画出试件1号点、3号点，以及2、4号点平均值的荷载-应变曲线，部分荷载应变曲线如图6所示。

图6 部分试件荷载-应变曲线

2.3 影响因素分析

2.3.1 螺栓直径对短钢板剪力传递值的影响

不同螺栓直径的连接件的试验结果见表3。

表3 不同螺栓直径的连接件试验结果

由表3可知，螺栓个数、排列方式以及预紧力(13 889 N)相同时，试件单颗M6螺栓试件的短钢板上的剪力传递值为3 799 N，单颗M8螺栓试件短钢板上的剪力传递值为4 464 N，2颗M6螺栓试件短钢板上的剪力传递值为6 663 N，2颗M8螺栓试件短钢板上的剪力传递值为9 578 N。这说明螺栓直径越大，短钢板上的剪力传递值越高，螺栓的直径对高强螺栓连接件短钢板上的剪力传递值有较大影响。

2.3.2 螺栓数量对短钢板剪力传递值的影响

不同螺栓数量的连接件的试验结果见表4。

表4 不同螺栓数量的连接件试验结果

由表4可知，螺栓直径、排列方式以及预紧力(13 889 N)相同时，单颗M6高强螺栓试件短钢板上的剪力传递值为3 799 N，2颗M6螺栓试件的剪力传递值为7 328 N，3颗M6螺栓试件的剪力传递值为9 675 N。这说明随着螺栓数量的增加，试件短钢板上的剪力传递值也在逐渐增大，但是增加的幅度并不是随着螺栓数量的增加呈正比例关系增大，而是随着螺栓数目的增加逐渐减小，即螺栓群连接件短钢板上的剪力传递值具有“群体折减效应”。

2.3.3 螺栓预紧力对短钢板剪力传递值的影响

不同螺栓预紧力的连接件试验结果见表5。

表5 不同螺栓预紧力的连接件试验结果

由表5可知，螺栓个数、螺栓排列方式、螺栓直径相同而螺栓预紧力不同时，施加10 N·m扭矩的单颗M6螺栓试件短钢板上的剪力传递值为3 799 N，施加6 N·m扭矩的单颗M6螺栓试件短钢板上的剪力传递值为2 920 N，施加6 N·m扭矩的单颗M8高强螺栓试件短钢板上的剪力传递值为3 566 N，施加24 N·m扭矩的单颗M8螺栓试件短钢板上的剪力传递值为4 402 N。这说明螺栓的预紧力对高强螺栓连接件短钢板上的剪力传递值有较大影响。

2.3.4 螺栓排列方式对短钢板剪力传递值的影响

不同螺栓排列方式的连接件试验结果见表6。

表6 不同螺栓排列方式的连接件试验结果

由表6可知，螺栓个数、螺栓间距以及预紧力(13 889 N)相同时，2颗M6螺栓沿钢板长度方向排列的试件短钢板上的剪力传递值为7 328 N，沿钢板宽度方向排列的试件短钢板上的剪力传递值为6 663 N；3颗M6螺栓沿钢板长度方向排列的试件短钢板上的剪力传递值为9 675 N，沿钢板宽度方向排列的试件短钢板上的剪力传递值为9 384 N。这表明螺栓的排列方式对提高连接件短钢板上的剪力传递值的作用不大。

2.3.5 短钢板厚度对短钢板剪力传递值的影响

由表7可知，螺栓数量、螺栓排列方式、螺栓直径以及螺栓预紧力(13 889 N)相同时，单颗M6螺栓，厚度为1 mm的短钢板试件的剪力传递值为3 660 N，厚度为2 mm的剪力传递值为3 799 N；2颗M6螺栓，厚度为1 mm的剪力传递值为6 929 N，厚度为2 mm的剪力传递值为7 328 N。这说明短钢板厚度对高强螺栓连接件短钢板上的剪力传递值影响不大。

表7 不同短钢板厚度的连接件试验数据

3 结 论

(1) 螺栓个数、螺栓排列方式以及螺栓预紧力等参数相同时，螺栓直径对冷弯薄壁型钢高强螺栓连接件短钢板上的剪力传递值的影响较大。

(2) 螺栓个数、螺栓排列方式以及螺栓直径等参数相同时，螺栓预紧力对冷弯薄壁型钢高强螺栓连接件短钢板上的剪力传递值有较大影响。一般而言，螺栓预紧力越大，传递值越高，但不能超过规范所规定的范围。

(3) 螺栓直径、螺栓排列方式以及螺栓预紧力等参数相同时，螺栓数量对冷弯薄壁型钢高强螺栓连接件短钢板上的剪力传递值有很大影响。一般而言，螺栓数量越多，试件短钢板上的剪力传递值也越高，但是增加的幅度并不是随着螺栓数量的增加成正比例关系增大，而是随着螺栓数目的增加而逐渐减小，即螺栓群剪力传递连接件具有“群体折减效应”。

(4) 螺栓个数、螺栓间距以及螺栓预紧力等参数相同时，螺栓排列方式对提高冷弯薄壁型钢高强螺栓连接件短钢板上的剪力传递值的影响不大。

(5) 螺栓数量、排列方式，螺栓直径以及螺栓预紧力等参数相同时，短钢板厚度对冷弯薄壁型钢高强螺栓连接件短钢板上的剪力传递值的影响不大。