冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪性能研究

郭俊杰， 朱 華， 周 安

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院 ，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

冷彎薄壁型鋼因?yàn)檩p質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被大量應(yīng)用于工業(yè)廠房、民用建筑中[1,2]。冷彎薄壁型鋼的常見連接方式有普通螺栓連接、自攻螺釘連接等。高強(qiáng)螺栓在受到外荷載作用前被施加了很大的預(yù)緊力，接觸面間會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，能夠阻止接觸面相對(duì)滑移，進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)的整體工作性能[3]。目前，高強(qiáng)螺栓連接主要用于普通鋼結(jié)構(gòu)，若將高強(qiáng)螺栓連接應(yīng)用于冷彎薄壁型鋼加固等工程實(shí)踐，則對(duì)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系的抗剪承載能力會(huì)有一定的提升。同時(shí)，對(duì)于冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪性能的研究較少，相關(guān)參數(shù)包括扭矩系數(shù)、扭矩值、預(yù)緊力等并沒有相關(guān)規(guī)定。本文采用試驗(yàn)與模擬相結(jié)合方法，對(duì)冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪性能進(jìn)行了研究。

1 冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪性能試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文抗剪試件規(guī)格基本按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50205-2001)[4]，《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82-2011)[5]內(nèi)高強(qiáng)螺栓連接抗滑移試驗(yàn)的要求和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)件的主要組成部分是蓋板、芯板及12.9級(jí)M8高強(qiáng)螺栓，以及配套的高強(qiáng)螺栓墊片。每套試件(圖1)有2塊芯板，2塊蓋板，4顆高強(qiáng)螺栓以及8個(gè)高強(qiáng)螺栓墊片，并且芯板與芯板(圖2)、蓋板與蓋板(圖3)尺寸均相同。螺孔與墊片內(nèi)孔直徑均大于螺桿直徑2 mm。墊片直徑為20 mm。

圖1 冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接件實(shí)物圖

圖2 芯板尺寸示意圖

圖3 蓋板尺寸示意圖

1.2 試件制作

本次試驗(yàn)考慮主要因素是施加預(yù)緊扭矩，螺栓的預(yù)緊力通過扭矩扳手施加，試件組裝時(shí)按照施加不同扭矩進(jìn)行分組。分組見表1。

表1 不同扭矩值試件分組

1.3 試件加載

本次抗剪試驗(yàn)加載設(shè)備為萬能試驗(yàn)機(jī)，利用位移進(jìn)行控制。試驗(yàn)過程中力與位移數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)直接采集獲得。加載初期彈性階段加載速度0.05 mm/min,線彈性階段過后加載速度改為0.5 mm/min，圖像平穩(wěn)后采用1.0 mm/min加載速度，直至試件破壞。

1.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

所有試件在加載初期均有彈性階段，且近乎相同，即加載位移與剪力呈線性關(guān)系。線彈性階段過后，施加不同扭矩的試件的力位移圖開始出現(xiàn)差別。施加扭矩小于等于5 N·m的試件，即試件Z2.5、Z3.5、Z5，彈性階段后開始出現(xiàn)明顯滑移，剪力無明顯變化，然后螺桿開使承壓，剪力隨著位移的增加而增大直至達(dá)到峰值，試件破壞；施加扭矩大于5 N·m的試件,即試件Z7、Z9、Z13、Z15、Z18、Z20、Z30，彈性階段后,隨著位移的增大，剪力仍上升，且不同試件上升幅度不一樣，沒有一定規(guī)律，直至破壞。連接件的破壞形式都是芯板被螺栓桿剪斷破壞。本文抗剪構(gòu)件主要破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件主要破壞形式

2 冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪性能有限元模擬

2.1 模型的建立

利用ABAQUS建立抗剪連接件半結(jié)構(gòu)模型，包括螺栓、芯板、蓋板，其中將螺栓墊片以及螺母視為一體，尺寸與試驗(yàn)試件尺寸相同，單元采用C3D8R。板材屈服強(qiáng)度為235 MPa,抗拉強(qiáng)度380 MPa；高強(qiáng)螺栓屈服強(qiáng)度為1 080 MPa,抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa，彈性模量E都為2.06×105N/mm2，泊松比v=0.3。網(wǎng)格劃分為2 mm。對(duì)上下蓋板左邊橫斷面固定，對(duì)芯板右邊橫斷面進(jìn)行位移加載，螺栓預(yù)緊力用螺栓荷載加載。試件接觸面主要包括蓋板與芯板、螺栓與蓋板和孔壁接觸。相互作用中,切向庫(kù)侖摩擦系數(shù)根據(jù)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB50018-2002)取0.25[6]，法相為硬接觸。

2.2 有限元模擬主要內(nèi)容

本次有限元模擬的主要內(nèi)容是對(duì)抗剪試驗(yàn)中施加扭矩值小于等于5 N·m的試件進(jìn)行抗剪試驗(yàn)?zāi)M，對(duì)其進(jìn)行位移加載。本次有限元模擬試件主要分組見表2，如圖5所示。

表2 有限元模型分組

圖5 抗剪試件

3 冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪承載能力分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同扭矩下冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓抗剪連接件抗剪試驗(yàn)力位移圖像如圖6所示。

圖6 不同扭矩下連接件抗剪試驗(yàn)力位移圖

由圖6可知，對(duì)于施加扭矩小于5 N·m的試件，即試件Z2.5、Z3.5和試件Z5具有明顯的滑移段；而對(duì)于施加力矩大于5 N·m試件，即試件Z7、Z9、Z13、Z15、Z18、Z20和試件Z30，力位移曲線傾斜段隨著施加扭矩的增大而有所波動(dòng)，沒有一定規(guī)律，但是最大值在32 kN到35 kN范圍內(nèi)穩(wěn)定；20 N·m為本試驗(yàn)抗剪試件極限扭矩，更大的扭矩值對(duì)試件抗剪性能影響不明顯。

現(xiàn)對(duì)試件Z2.5、Z3.5和試件Z5圖像進(jìn)行分析，該組試件力位移圖如圖7所示。

圖7 試件Z2.5，Z3.5和Z5力位移圖

對(duì)該組試件曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)施加扭矩小于等于5 N·m時(shí)，冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓抗剪連接件抗剪全過程的圖像基本與普通高強(qiáng)螺栓連接厚板的抗剪過程相同，分別為摩擦傳力階段、相對(duì)滑移階段、螺栓桿與螺栓孔壁承壓傳力階段、破壞階段。

3.2 有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

將有限元模擬抗剪曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行抗剪性能對(duì)比分析。對(duì)比曲線如圖8～圖10所示。

圖8 Z 2.5試件曲線

圖9 Z3.5試件曲線

圖10 Z5試件曲線

對(duì)該組曲線分析可知，摩擦傳力階段有限元曲線與試驗(yàn)曲線基本吻合；滑移階段二者位移量有所差別，主要是因?yàn)橛邢拊M的是半結(jié)構(gòu)，位移量也減半；螺桿與螺孔壁承壓傳力階段位移量差值主要是因?yàn)橛邢拊M較理想，位移為凈值，而試驗(yàn)曲線位移影響因素較多，包括夾具的滑移：破壞階段曲線二者基本吻合；有限元模擬與試驗(yàn)的摩擦階段抗剪承載力與承壓階段抗剪承載力大小基本一致，說明抗剪試驗(yàn)?zāi)M準(zhǔn)確。

4 冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪承載能力計(jì)算

根據(jù)抗剪試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果綜合分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，現(xiàn)對(duì)施加扭矩值小于5 N·m情況下的抗剪連接提出對(duì)應(yīng)承載能力計(jì)算公式。

(1) 摩擦型冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓抗剪承載力計(jì)算公式：

(1)

式中:k1為調(diào)整系數(shù)，取0.9；k2是孔型系數(shù),標(biāo)準(zhǔn)孔為1.0，大圓孔為0.85，當(dāng)荷載和孔長(zhǎng)方向垂直時(shí)取值0.7，當(dāng)荷載平行于孔長(zhǎng)方向時(shí)取值0.6；nf是傳力摩擦面?zhèn)€數(shù)；μ摩擦系數(shù)，取0.25。

(2)承壓型冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪承載力計(jì)算公式：

(2)

表3 摩擦型連接抗剪承載力對(duì)比表

表4 承壓型連接抗剪承載力對(duì)比表

由表3和表4可知，摩擦型與承壓型冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪承載能力計(jì)算公式基本滿足要求，計(jì)算可靠。

5 結(jié) 論

(1)施加扭矩值小于等于5 N·m時(shí)，抗剪連接件抗剪性能曲線基本與普通高強(qiáng)螺栓連接厚板的抗剪性能曲線相同，分別為摩擦傳力階段、相對(duì)滑移階段、螺栓桿與螺栓孔壁承壓傳力階段、破壞階段四個(gè)階段；20 N·m為本試驗(yàn)抗剪試件極限扭矩，更大的扭矩值對(duì)試件抗剪性能影響不明顯。

(2)使用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)冷彎薄壁型鋼高強(qiáng)螺栓連接抗剪性能試驗(yàn)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，證明了本文有限元分析模型是可靠的。

(3)根據(jù)試驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果推導(dǎo)出施加扭矩值小于5 N·m情況下的抗剪連接承載能力計(jì)算公式，將有限元分析計(jì)算值、試驗(yàn)值和公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了抗剪承載力公式的合理性。