高強度鋼材螺栓抗剪連接設計方法分析

蔡玉軍,高志宏

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043；2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(鐵一院),西安 710043)

普通鋼材螺栓連接的性能已比較成熟，現行規范[1-2]對此己有明確的設計理論和方法，而有關國產高強鋼材螺栓連接性能方面的研究卻較少，還沒有形成普遍可以接受的高強度鋼材螺栓連接的設計理論和構造要求，有必要通過試驗對其進行研究。

目前，國外學者主要研究了幾何參數及高強度鋼材性能對連接接頭承載性能的影響，討論了不同規范設計方法對高強度鋼材螺栓連接的適用性。如，Wallaert和Fisher[3]分析了高強度鋼材螺栓連接設計方法與幾何參數關系，認為端距、邊距和螺栓間距對試件破壞模式有一定影響；Aalberg和Larsen[4]將高強度鋼材與普通鋼材的螺栓連接承載性能進行對比，發現普通鋼材的破壞模式多為凈截面破壞，材料屈強比對變形能力沒有影響；Kim和Yura[5]分析了不同材料屈強比下，螺栓端距、邊距和螺栓間距對試件承載性能的影響；Moze和Beg[6-7]進行了高強度鋼材螺栓連接試驗，將試驗結果與理論模擬對比，發現EUROCODE 3規范在預測試件極限承載力和破壞模式上有偏差，提出了修正公式。

國內清華大學石永久[8-10]等學者對高強度鋼材螺栓連接的抗剪性能進行了試驗，分析了連接板厚、幾何參數等因素對抗剪連接性能的影響，并探討了各國規范的適用性與準確性，開始了對高強度鋼材螺栓連接的研究。

本文結合嚴寒地區高鐵站房鋼材的特點，對Q460D高強度鋼材螺栓抗剪連接試件進行了靜力拉伸試驗，并與中國規范GB50017—2003[1](簡稱GB50017)、歐洲規范EUROCODE3[11-12](簡稱EC3)及美國規范ANSI/AISC360-05[13](簡稱ANSI)的理論計算值進行對比，為國產高強度鋼材螺栓連接的設計方法提供基礎數據支撐。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗設計了Ⅰ、Ⅱ兩組高強度鋼板螺栓連接試件，每組各10件，其中鋼板采用Q460D高強度鋼材，連接螺栓為承壓型高強度螺栓，試件示意如圖1所示。

圖1 試件示意

Ⅰ組SPE1～10為螺栓橫向布置，Ⅱ組SPE11～20為螺栓縱向布置，通過高強度螺栓將鋼板A和鋼板B連接在一起，研究螺栓布置方式對Q460D鋼板高強度鋼板螺栓連接承載性能及破壞模式的影響。連接螺栓采用10.9級M20高強度螺栓，鋼板選用8 mm厚Q460D軋制鋼，鋼材應滿足GB/T1591—2008《低合金高強度結構鋼》及GB/T19879—2005《建筑結構用鋼板》的各項性能要求。Q460D鋼材的力學性能和應力-應變曲線如表1、圖2所示。

表1 Q460D鋼材的力學性能

圖2 Q460D鋼材的應力-應變曲線

試件幾何尺寸及板件開孔參數如表2、圖3所示，其中端距e1、邊距e2、螺栓間距p2，各數值均應滿足規范GB50017—2003的規定，即e1≥2.0d0，e2≥1.5d0，p2≥3.0d0。

表2 試件幾何尺寸

圖3 板件開孔參數示意

1.2 加載裝置

采用500 kN MTS試驗機對連接板件進行靜力拉伸試驗，加載裝置和儀表布置如圖4、圖5所示。按相關技術標準[14]規定的加載方法，標準加載前先預加載至5 kN后卸載至零，以確保各儀表及加載裝置正常運行，正式加載的速率為1 kN/s。位移和應變通過TDS-303采集儀記錄，作動器施加的力和位移由MTS伺服加載系統記錄。

圖4 加載裝置

圖5 測點布置

1.3 螺栓預拉力

采用扭矩扳手對高強度螺栓施加預拉力，按現行規程[15]規定，高強螺栓的施工終擰扭矩由式(1)確定，初擰扭矩取0.5Tc，順序沿中間向兩端逐個進行。

Tc=kPcd=0.15×170×20=510 N·m

(1)

式中，Tc為終擰扭矩；k為高強度螺栓連接扭矩系數平均值，建議取0.11～0.15；Pc為高強度螺栓施工預拉力，取170 kN；d為高強度螺栓公稱直徑，mm。

2 試驗結果及破壞模式

2.1 試驗現象

SPE2、SPE12試驗過程及加載曲線如圖6所示。加載初期，連接板接觸面沒有發生滑動，試件主要靠板間接觸面的摩擦力傳遞荷載，處于摩擦階段。當作用在連接板上的剪力超過摩擦力時，試件有輕微響聲，繼續加載后有較大水平滑移段，側面可看到板間的相對位移顯著增大，如圖7所示?；浦饕煽妆谂c螺桿的間隙及孔壁變形產生，伴有較大響聲。螺栓桿與孔壁緊密接觸后，進入承壓階段，試件主要依靠鋼板承壓和螺栓抗剪傳遞水平荷載，栓孔附近的鋼材開始擠壓變形，伴隨巨大響聲，鋼板表面的氧化皮層脫落，該階段水平位移增量遠大于荷載增量。加載后期試件變形量較大，曲線斜率逐漸放緩，曲線下降，試件喪失承載能力，試驗結束。兩試件均經歷了摩擦、滑移、承壓及破壞階段。SPE2和SPE12的極限承載力分別比規范理論計算值提高28.21%和13.37%。

圖6 荷載-位移曲線

2.2 破壞模式

20組試件主要破壞模式有以下幾種。

SPE1～4的螺栓間距由3.5d0減小到2d0，破壞模式由孔前擠推變為混合破壞；SPE5、SPE2、SPE6、SPE7邊距由2d0減小至1.0d0，破壞模式由孔前擠推變為混合破壞，減小為d0時發生凈截面破壞；SPE8、SPE2、SPE9、SPE10端距由2.5d0減小至1.0d0，破壞模式由凈截面破壞變為混合破壞，減小為1.0d0時發生端部撕裂破壞。SPE11～20荷載位移曲線與圖6類似，孔被拉長后，鋼板在延展最小截面處斷裂，發生圖8所示凈截面破壞。SPE1-SPE20試件中螺栓孔典型的破壞形式如圖9所示。

圖7 試件滑移

圖8 破壞形式

通過對20組Q460D高強度鋼板螺栓抗剪連接試件的靜力承載力試驗可得出，端距、邊距及螺栓間距等幾何參數對試件極限承載力有較大影響，且幾何參數在限定范圍內時，破壞模式之間存在一定的關聯。

圖9 破壞模式

3 理論設計方法分析

目前，各國規范對普通鋼材螺栓抗剪連接的設計思路略有不同，但都基本包含螺栓抗剪強度驗算和鋼板承壓強度驗算兩部分內容，而對高強度鋼材的螺栓抗剪連接均沒有明確的設計方法。故本文在借鑒普通鋼材承壓型抗剪連接計算方法的基礎上，與試驗數值進行對比分析，找出各國規范與試驗數值和破壞模式的差異。

3.1 GB50017規范

我國鋼結構設計規范并未涉及Q460D及以上高強度鋼材連接的具體強度指標和設計方法，承壓型連接仍沿用現有規范計算公式。

螺栓抗剪

(2)

鋼板承壓

(3)

3.2 EC3規范

抗剪承載力設計值

(4)

鋼板承壓設計值

(5)

式(4)、式(5)中，Fv，Rd為螺栓抗剪承載力設計值；Fb，Rd為鋼板承壓承載力設計值；γM2=1.25；αb為是否過螺紋的調整系數值0.5；A為螺栓截面積；fub為螺栓抗拉強度，10.9級螺栓取1 000 MPa；fu為鋼板抗拉強度，由材性得知為591.97 MPa；d為螺栓直徑；t為鋼板厚度。

(6)

(7)

其中，e1≥1.2d0，e2≥1.2d0，p2≥2.4d0。

3.3 ANSI規范

抗剪承載力設計值

Rn=φFnAb

(8)

鋼板承壓設計值

Rb=φ1.2LctFu≤φ2.4dtFu

(9)

式中，Rn為螺栓抗剪承載力設計值；Rb為鋼板承壓承載力設計值；φ=0.75；Fn為螺栓抗剪強度；Ab為螺栓有效截面積；Lc為鋼板端部到螺栓孔凈距；d為螺栓直徑；t為鋼板厚度；Fu為鋼板抗拉強度。

3.4 理論與試驗數值對比分析

采用各國規范計算值與試驗數值對比情況如圖10所示，圖中橫坐標FR為規范計算的承壓承載力設計值，縱坐標為試驗試件的極限承載力P。EC3規范認為鋼板承壓強度與螺栓連接構造及鋼材抗拉強度有關，綜合考慮了螺栓端距和邊距的影響，并給出了具體的計算公式，較好的反映了參數對承載性能的影響，理論計算值基本符合試驗結果，但對破壞模式的預估與實際有所差異，且理論計算值偏保守；ANSI規范僅考慮了端距對承載能力的影響，未考慮螺栓邊距和間距的影響。對螺栓橫向布置的連接，規范的適用性較強，而對于螺栓縱向布置的連接，理論計算值均偏大，偏于不安全；GB50017規范中對于螺栓間距等參數通過構造要求進行限定，未直接反映到計算公式中。高強度鋼材承壓強度設計值仍沿用普通鋼材的規定，其值明顯偏低，不利于高強度鋼材性能的發揮，其理論計算值相對其他規范更偏于保守。

圖10 規范計算值與試驗數值對比

4 結論

通過對20組Q460D高強度鋼板螺栓抗剪連接試件的靜力承載力試驗及理論設計方法分析，可得出以下結論。

(1)螺栓的排列方式，螺栓孔端距、邊距及螺栓間距等幾何參數對試件極限承載力有較大影響，且幾何參數在限定范圍內時，破壞模式之間存在一定關聯。

(2)EC3規范能較真實地反映試件隨端距和邊距的變化；ANSI規范僅考慮了端距對承載能力的影響，但未考慮螺栓邊距和間距的影響。

(3)對于Q460D高強鋼材螺栓抗剪連接承載力計算，EC3規范和ANSI規范都不能很好地反映其破壞模式和承載力。EC3規范理論計算值偏保守，ANSI規范對螺栓橫向布置的連接適用性較強，而對于螺栓縱向布置的連接計算偏于不安全。

(4)GB50017規范的理論計算值相對其他規范更偏于保守，為了全面地得到高強度鋼材螺栓抗剪連接性能，須進行系列的參數化分析，以完善規范設計方法，便于高強度鋼材的推廣應用。

[1] 中華人民共和國建設部.GB50017—2003 鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

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[13] ANSI/AISC360-05 Specification for Structural Steel Buildings[S].

[14] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 228.1—2010 金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2010.

[15] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ82—2011 鋼結構高強度螺栓連接技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.