多層預(yù)拼裝鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特殊連接螺栓性能試驗(yàn)研究

丁 娟 張其林 張 齊 陳國棟 楊 彬

(1. 同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092; 2. 長江精工鋼結(jié)構(gòu)(集團(tuán))股份有限公司)

1 引 言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑[1]是用預(yù)制的鋼構(gòu)件在工地裝配而成的建筑。這種建筑的優(yōu)點(diǎn)是建造速度快，受氣候條件制約小，節(jié)約勞動(dòng)力，并可提高建筑質(zhì)量。隨著建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用越來越廣泛。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系所用的連接形式主要有焊接、普通螺栓、薄壁型鋼用自攻螺釘?shù)萚2]。某新型多層預(yù)拼裝鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用鋼板自攻螺紋高強(qiáng)螺栓連接形式，由于現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中未包含該類連接類型，因此必須進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，以獲得其相關(guān)性能。

高強(qiáng)螺栓在使用過程中需要保證一定的預(yù)緊力，自攻螺紋高強(qiáng)螺栓連接由高強(qiáng)螺桿與Q345B鋼板的自攻螺紋組成，此種連接的一般形式與普通螺栓連接的對(duì)比如圖1所示。此種高強(qiáng)螺栓連接在使用過程中能否保持一定的預(yù)緊力水平是首先需要研究的問題。螺栓作為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接件，主要承受軸向力，有必要通過拉伸試驗(yàn)對(duì)此種連接的軸向荷載承載能力進(jìn)行論證。螺栓的拉伸試驗(yàn)主要通過對(duì)試件施加靜拉力直至試件破壞，以研究該種螺栓連接軸力作用下的破壞形式，并測定試件的極限承載力，為該種螺栓連接提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖1 一般螺栓連接與新型螺栓連接Fig.1 General bolt connection and new bolt connection

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)由預(yù)緊力時(shí)變效應(yīng)測量及單個(gè)螺栓拉伸試驗(yàn)兩部分組成。

對(duì)于預(yù)緊力時(shí)變效應(yīng)測量實(shí)驗(yàn)，試件由M20 8.8S高強(qiáng)螺栓、上部墊板和下部帶有自攻螺紋的鋼板組成。拉伸試驗(yàn)試件是由高強(qiáng)螺栓、上部的墊片板和下部帶有自攻螺紋的鋼板組成，拉伸試驗(yàn)所選用的高強(qiáng)螺栓為8.8S級(jí)螺栓，選用實(shí)際工程常用的六種規(guī)格高強(qiáng)螺栓(M16、M20、M22、M24、M27、M30)進(jìn)行試驗(yàn)，自攻螺紋鋼板及墊板材質(zhì)為Q345B。試件板件尺寸設(shè)計(jì)參照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的螺栓板端矩、板厚。試件設(shè)計(jì)示意圖見圖2。

在拉伸試驗(yàn)過程中，首先按照表1所示試件尺寸進(jìn)行試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)對(duì)于M24試件，鋼板尺寸過小， 試件破壞發(fā)生在鋼板自攻螺紋而不是高強(qiáng)螺桿處，且破壞時(shí)鋼板產(chǎn)生了明顯的彎曲變形，故修改自攻螺紋鋼板尺寸重新進(jìn)行試驗(yàn)，修改后的尺寸見表2。

圖2 試件及試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Test specimen and setup

表1A組試件尺寸表

Table1MeasureddimensionsoftestspecimensingroupA

序號(hào)螺栓規(guī)格螺栓長度/mm螺紋長度/mm鋼板尺寸/mm鋼板材質(zhì)鋼板開螺紋試件數(shù)量/組A1M16(8.8S)1804560×60×18Q345BM162A2M22(8.8S)1804565×60×24Q345BM221A3M24(8.8S)1804565×60×24Q345BM242

表2B組試件尺寸表

Table2MeasureddimensionsoftestspecimensingroupB

序號(hào)螺栓規(guī)格螺栓長度/mm螺紋長度/mm鋼板尺寸/mm鋼板材質(zhì)鋼板開螺紋試件數(shù)量/組B1M16(8.8S)18045100×80×18Q345BM163B2M20(8.8S)18045100×80×20Q345BM203B3M22(8.8S)18045100×80×24Q345BM223B4M24(8.8S)18045100×80×24Q345BM243B5M27(8.8S)18045100×80×30Q345BM273B6M30(8.8S)18045100×80×30Q345BM303

2.2 試驗(yàn)裝置和加載制度

2.2.1預(yù)緊力時(shí)變效應(yīng)測量試驗(yàn)

預(yù)緊力時(shí)變效應(yīng)測試試驗(yàn)中，通過扭矩扳手對(duì)試件施加初始扭矩，觀測記錄預(yù)緊力隨時(shí)間變化情況，預(yù)緊力讀數(shù)由上下墊板間的壓力傳感器得到。本試驗(yàn)采用M20高強(qiáng)螺栓，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，本試驗(yàn)初始施加預(yù)緊力為114 kN。預(yù)緊力測試裝置如圖3所示。測試裝置及試件設(shè)計(jì)示意圖見圖2。

圖3 預(yù)緊力時(shí)變效應(yīng)測試裝置Fig.3 Time-variant effect test equipment

2.2.2拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)裝置包括與拉伸試驗(yàn)機(jī)連接的拉力桿、上拉力座和下拉力座。試件是由螺栓、上部的墊片板和下部帶有自攻螺紋的鋼板組成，試驗(yàn)裝置材質(zhì)為Q345B。試驗(yàn)時(shí)將試件安裝在拉力座的卡槽內(nèi)，調(diào)整好位置后擰緊螺栓，然后將試驗(yàn)裝置安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上即可。拉伸實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

在正式加載開始之前，首先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載值為設(shè)計(jì)荷載的5%。當(dāng)螺栓孔完全閉合，同時(shí)加載設(shè)備和測試儀器均正常時(shí)，卸載至0。然后施加單調(diào)荷載，屈服點(diǎn)之前控制加載速率為10 MPa/s,屈服之后加載速率控制在1.5 mm/min，直至試件發(fā)生破壞或者承載力顯著下降[3]。

2.3 量測內(nèi)容及方法

預(yù)緊力試驗(yàn)中需要記錄預(yù)緊力隨時(shí)間變化情況。單調(diào)拉伸試驗(yàn)中需要觀測自攻螺紋連接的破壞模式，記錄試件破壞時(shí)的荷載。各項(xiàng)測量內(nèi)容的具體操作如下文所述。

2.3.1預(yù)緊力

預(yù)緊力測試試驗(yàn)由扭矩扳手對(duì)試件施加初始扭矩，預(yù)緊力讀數(shù)由上下墊板間的壓力傳感器與單通道數(shù)字式智能儀表得到，本試驗(yàn)螺栓采用M20高強(qiáng)螺栓，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，確定本試驗(yàn)初始施加預(yù)緊力為114 kN，記錄預(yù)緊力在64 h[4]內(nèi)的變化情況。

圖4 拉伸試驗(yàn)試試驗(yàn)裝置Fig.4 Tension test setup

2.3.2試件的拉伸試驗(yàn)

連接節(jié)點(diǎn)的極限承載力及加載過程中的荷載位移曲線通過萬能試驗(yàn)機(jī)力傳感器直接得到，破壞模式通過觀察試驗(yàn)過程得到。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 預(yù)緊力時(shí)變效應(yīng)測試

本試驗(yàn)選取了M20 8.8S級(jí)螺栓進(jìn)行，實(shí)際試驗(yàn)過程中施加的預(yù)緊力為114 kN，記錄了64 h內(nèi)預(yù)緊力的變化情況如圖5所示。從圖5可以看出，64 h內(nèi)預(yù)緊力從114 kN下降到112.7 kN。變化幅度為1.14%，變化較小，螺栓預(yù)緊力損失的主要原因是鋼材的應(yīng)力松弛。又由文獻(xiàn)[4]研究可知，鋼材應(yīng)力松弛在60 h內(nèi)發(fā)展較快，60 h以后變化較小，所以可以認(rèn)為高強(qiáng)自攻螺紋螺栓在使用過程中可以保持一定的預(yù)緊力。

圖5 預(yù)緊力—時(shí)間曲線Fig.5 Pre-tension time curve

3.2 單個(gè)螺栓抗拉試驗(yàn)

3.2.1破壞模式

拉伸試驗(yàn)中，A3兩組試件的破壞形式為自攻螺紋鋼板內(nèi)螺紋的滑移破壞，而A組其余編號(hào)試件及B組所有試件的最終破壞模式均為高強(qiáng)螺桿螺紋處截面拉斷。兩種破壞模式如圖6所示。

圖6 破壞模式Fig.6 Failure mode

8.8S級(jí)螺栓的名義屈服強(qiáng)度為640 MPa，由試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于每組試件最終破壞時(shí)高強(qiáng)螺桿均進(jìn)入塑性階段，試驗(yàn)得到的荷載—位移曲線中位移包括兩部分：一是螺桿拉伸變形，二是鋼板內(nèi)螺紋變形。選取A組5組典型試件A2(1)、A1(1)、A1(2)、A3(1)、A3(2)以及B組6組典型試件B1(1)、B2(1)、B3(1)、B4(1)、B5(1)、B6(1)，典型試件荷載位移曲線見圖7所示。從圖7可以看出，試件A2(1)、A1(1)、A1(2)及B組所有試件具有更充分的變形發(fā)展，試件荷載達(dá)到極限承載力之后還能繼續(xù)承受較大的荷載并保持穩(wěn)定的變形增長。而對(duì)于試件A3(1)、A3(2)，破壞模式為鋼板內(nèi)螺紋破壞，試件達(dá)到極限承載力之后隨即喪失繼續(xù)承載能力，荷載—位移曲線出現(xiàn)突變下降段。

A3試件破壞時(shí)，鋼板產(chǎn)生了彎曲變形，對(duì)于其他試件無此現(xiàn)象，比較A3與B4試件，兩者除自攻螺紋鋼板尺寸不同外其他條件均相同，A3試件自攻螺紋鋼板規(guī)格為65 mm×60 mm×24 mm，B4試件自攻螺紋鋼板規(guī)格為100 mm×80 mm×24 mm。A3試件自攻螺紋鋼板尺寸較小，彎曲剛度小，在較大的試驗(yàn)荷載下產(chǎn)生彎曲變形且造成較高的板內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力集中及鋼板彎曲增大內(nèi)螺紋變形發(fā)展，使得鋼板內(nèi)螺紋滑移破壞先于高強(qiáng)螺桿破壞發(fā)生，而B4試件選用較大尺寸的鋼板，彎曲剛度較大，在同A3相同的試驗(yàn)力作用下鋼板無彎曲變形且鋼板應(yīng)力水平相對(duì)較低，螺桿螺紋截面拉斷先于自攻螺紋鋼板內(nèi)螺紋滑移破壞發(fā)生。

圖7 荷載位移曲線Fig.7 Load-displacement curve

比較A2試件與A3試件，兩者自攻螺紋鋼板尺寸相同，螺栓規(guī)格不同，A2試件使用M22螺栓，A3試件使用M24螺栓。A2在相對(duì)于A3較低的試驗(yàn)荷載作用下試件螺桿發(fā)生破壞，此時(shí)A2自攻螺紋鋼板內(nèi)應(yīng)力水平較低，鋼板無明顯彎曲變形。

本試驗(yàn)中除A3試件外其余試件均未出現(xiàn)自攻螺紋鋼板內(nèi)螺紋滑移破壞，從最終破壞模式分布可以看出，在保證自攻螺紋鋼板彎曲剛度的前提下，鋼板內(nèi)自攻螺紋可以很好地起到持力作用。

3.2.2極限承載力

表3A組試件試驗(yàn)結(jié)果匯總表

Table3TestresultsofgroupA

序號(hào)螺栓規(guī)格1#/kN2#/kN平均值/kNσ/MPaA1M16(8.8S)146.21146.95146.58935.5A2M22(8.8S)282.42-282.42931A3M24(8.8S)341.67343.32342.50971

表4B組試件試驗(yàn)結(jié)果匯總表

Table4TestresultsofgroupB

序號(hào)螺栓規(guī)格1#/kN2#/kN3#/kN平均值/kNσ/MPaB1M16(8.8S)148147147147938B2M20(8.8S)212214218215868B3M22(8.8S)289281284285939B4M24(8.8S)342334342339962B5M27(8.8S)444443439442962B6M30(8.8S)510509496505901

表5規(guī)范值及試驗(yàn)值對(duì)比表

Table5Comparisonoftestresultsandcodifiedvalues

螺栓公稱直徑/mmM16M20M22M24M27M30P/kN80125150175230280Nbt/kN64100120140184224A組平均值/kN146.58-282.42342.50--B組平均值/kN147215285339442505

3.3 分析與討論

(1) 對(duì)于預(yù)緊力試驗(yàn)，64 h內(nèi)預(yù)緊力從114 kN下降到112.7 kN。變化幅度為1.14%，變化較小，螺栓預(yù)緊力的損失主要原因是鋼材的應(yīng)力松弛，而鋼材應(yīng)力松弛在60 h內(nèi)發(fā)展較快，60 h以后變化較小，所以可以認(rèn)為高強(qiáng)自攻螺紋螺栓在使用過程中可以保持一定的預(yù)緊力。由于試驗(yàn)時(shí)間限制，僅觀測記錄64 h內(nèi)預(yù)緊力變化，為了得到更為確切的驗(yàn)證，后續(xù)應(yīng)該進(jìn)行長期預(yù)緊力測量，為此種連接的實(shí)際工程應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

(2) 在單個(gè)螺栓抗拉實(shí)驗(yàn)中，觀測到了兩種破壞模式：一種是鋼板彎曲變形，另外一種是螺桿斷裂。在實(shí)際工程中更希望看到第二種破壞模式，因而在應(yīng)用此種連接時(shí)，對(duì)于自攻螺紋鋼板的設(shè)計(jì)應(yīng)該格外注意，使其具有足夠的剛度。

4 結(jié) 論

(1) 自攻螺紋高強(qiáng)螺栓連接在使用過程中可以保證一定的預(yù)緊力水平。

(2) 拉伸試驗(yàn)試件出現(xiàn)兩種破壞模式：當(dāng)自攻螺紋鋼板相對(duì)于螺栓剛度較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)彎曲變形使得內(nèi)部螺紋先于螺桿破壞；當(dāng)鋼板剛度足夠時(shí)破壞發(fā)生在螺桿螺紋截面處。后一種破壞模式呈現(xiàn)出更好的塑性變形特性。

(3) 兩組拉伸試驗(yàn)中各規(guī)格試件測得的平均應(yīng)力均滿足要求，通過試驗(yàn)可得出自攻型高強(qiáng)螺栓的使用在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)是可以滿足規(guī)范要求的, 所以預(yù)制裝配式商業(yè)集成建筑體系采用自攻高強(qiáng)螺栓的方案是可行的。但在設(shè)計(jì)使用過程中應(yīng)考慮自攻螺紋鋼板的尺寸剛度應(yīng)與高強(qiáng)螺桿規(guī)格強(qiáng)度相匹配，以充分利用材料強(qiáng)度與塑性發(fā)展，避免出現(xiàn)螺桿處于正常工作狀態(tài)而鋼板出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。

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