高強度螺栓咬合型連接的抗剪試驗研究

郭兵姜亦鑫呂蘊龍孫艷文

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101；2.中國建筑標準設計研究院有限公司，北京100048)

0 引言

按受剪極限狀態不同，傳統高強度螺栓連接分為摩擦型和承壓型兩類[1-4]，相關研究資料很多[5-8]。近些年在裝配式支吊架[9-10]中出現了高強度螺栓咬合型連接，如圖1所示，連接副由螺栓、長條形螺母、彈簧等組成，螺母兩側和槽鋼兩個卷邊上均設有齒，其中槽鋼齒是在槽鋼冷彎成型過程中擠壓成型的。當連接承受剪力V時，因槽鋼和連接件均鍍鋅，抗滑移系數小，容易發生滑移，連接件通過孔壁擠壓將V傳遞給螺栓桿，再通過螺母與槽鋼的齒咬合將V傳遞給槽鋼。由于連接件無需鉆孔，且螺栓定位和緊固方便，因此咬合型連接施工速度快。

圖1 高強度螺栓咬合型連接示意圖

咬合型連接的可能破壞模式有螺栓桿剪斷、連接件孔壁擠壓破壞、齒剪壞等3種。前兩種破壞模式所對應的承載力與傳統高強度螺栓承壓型連接的承載力為計算方法相同，第三種破壞模式對應的承載力目前還暫無計算方法。

很少有學者研究高強度螺栓咬合型連接問題。郭小農等[11-12]、章顏等[13]提出了一種新型高強度螺栓咬合式連接，但咬合方式與圖1(b)不同，板件接觸面進行了刨槽處理。郭兵等[14]針對高強度螺栓咬合型連接進行了抗拉試驗，并給出了抗拉承載力計算方法。羅干等[15]針對抗震支吊架連接構件進行了研究，發現咬合式連接在剪力作用下容易發生滑移。

目前，支吊架中高強度螺栓咬合型連接的抗剪承載力只能通過試驗[10]確定，因此，文章展開了抗剪試驗研究，目的是給出抗剪承載力的計算方法，同時也為編制T/CECS 731—2020《裝配式支吊架系統應用技術規程》[16]提供依據。

1 單個螺栓抗剪試驗

1.1 試件設計

單個螺栓抗剪試件包括A、B兩個系列，A系列考慮槽鋼規格、高強度螺栓規格的影響，而B系列考慮螺栓安裝扭矩的影響。為具有充分說服力和廣泛代表性，試件由具有一定市場占有率的6家國內外企業提供，對于同一組試件，每家企業提供的試件數量≥3個。

支吊架采用槽鋼(如圖2所示)不同于普通冷彎槽鋼，有二次卷邊，其壁厚t和截面高度h是可變化的，其余尺寸不變[16]，截面規格用“C截面寬度×截面高度×壁厚”表示，其中截面寬度和高度用整數表示，試驗選取了工程中比較常用的3種規格(見表1)，材料均為Q235鋼。

圖2 支吊架用槽鋼的截面尺寸圖/mm

高強度螺栓可采用8.8、10.9級，試驗選取8.8級。因槽鋼尺寸較小，螺栓規格僅限于M10和M12兩種，安裝扭矩依據GB/T 38053—2019《裝配式支吊架通用技術要求》[10]取值，分別為19和50 N·m。A系列試件見表1，共有66個試件。

表1 A系列試件參數表

采用B系列試件研究螺栓安裝扭矩的影響，共選取4個試件，見表2。采用齒形較好的乙企業的C41×41×2.0槽鋼和M12螺栓連接副，各試件僅安裝扭矩不同。

表2 B系列試件參數表

1.2 槽鋼實測強度和尺寸

采用線切割方法從槽鋼腹板中部沿槽鋼縱向切取材性試驗樣條，進行單向靜力拉伸，測得屈服強度fy、抗拉強度fu見表3。各企業槽鋼的實測值fy均明顯高于其名義值，但綜合fu來看，仍可判定為Q235鋼。

表3 槽鋼的實測強度和尺寸表

表3還給出了槽鋼壁厚t、齒深和齒距，齒形如圖3所示，由于國內還沒有產品標準，各企業的差異性很大，有的齒深僅為0.3 mm，甚至出現了同一家企業不同規格槽鋼的齒深不相同的情況，而螺母是通用的，很容易出現咬合不良的現象，勢必影響其抗剪承載力。此外，各企業提供的配套連接件板厚均為4.0 mm，材料均為Q235鋼。

圖3 各企業不同規格的槽鋼齒形圖

1.3 螺母齒形和尺寸

6家企業的螺母齒形可分為交錯三棱齒和平行齒兩類(如圖4所示)。各企業的螺母寬度基本相同，其平均值為19 mm，與螺栓直徑無關。因為螺母寬度為定值，所以齒距大時齒數少。

圖4 螺母的齒形圖

1.4 試件尺寸及加載裝置

試件尺寸及加載裝置如圖5所示，槽鋼總長度為250 mm，槽鋼背部通過兩個螺栓固定到L形加載底座上，受測螺栓位于槽鋼1/2長度處，試驗時利用加載桿頂壓連接件，使受測螺栓受剪，加載設備為SANS萬能試驗機。

圖5 單個螺栓抗剪試驗的試件及裝置圖

加載采用位移控制，GB/T 38053—2019[10]建議加載速率不應超過12.7 mm/min，考慮到齒距較小，為便于觀察，加載速率取5 mm/min。

1.5 A系列試件的試驗結果與分析

A系列試件的螺栓桿、連接件孔壁均未發生破壞，其破壞模式均為齒剪切破壞。

甲、丁、戊、己4家企業試件的破壞模式均為螺母齒和槽鋼齒同時剪壞，如圖6、7所示。槽鋼齒被剪壞屬于正常破壞狀態，螺母在位移過程中不斷剪壞槽鋼齒，而螺母齒一旦被剪壞，將徹底喪失承載力。當螺母為交錯三棱齒時，因齒的受剪面積過小，很容易被剪壞；對于采用平行齒的螺母，被剪壞的主要原因是螺母材質為Q235或Q355鋼，其強度、硬度與高強度螺栓不匹配，屬于不合格產品。槽鋼齒剪壞的試驗數據無效，不再羅列。

圖6 不同企業單個螺栓抗剪試驗的螺母齒剪壞模式圖

圖7 不同企業單個螺栓抗剪試驗的槽鋼齒剪壞模式圖

乙、丙兩家企業的螺母為平行齒，破壞模式均為槽鋼齒被剪壞，螺母齒完好無損，試件的荷載-位移曲線如圖8所示，無屈服平臺，與槽鋼齒附近的鋼材硬化有關。試件極限荷載Vu的平均值見表4，與螺栓直徑無明顯關系；A5兩組試件的極限荷載偏低，主要是螺母齒與槽鋼齒的匹配性較差。

表4 A系列試件的極限荷載表

圖8 A系列試件的荷載-位移曲線圖

1.6 B系列試件的試驗結果與分析

B系列試件來自同一家企業，僅是螺栓安裝扭矩不同。試件破壞模式均為槽鋼齒被剪壞，荷載-位移曲線如圖9所示，B1的極限荷載偏低，其余試件區別不大，說明安裝扭矩達到一定數值(保證齒咬合)后，對承載力的影響很小。試驗中還發現，安裝扭矩過大時，螺栓預拉力會壓屈槽鋼卷邊，并使卷邊和齒發生歪斜，因此安裝扭矩不應過大。根據槽鋼卷邊受壓屈服可以計算出高強度螺栓的預拉力值，進而得到安裝扭矩，扭矩值與螺栓的級別無關。建議M10、M12高強度螺栓的安裝扭矩可分別取25和45 N·m。

圖9 B系列試件的荷載-位移曲線圖

2 咬合型連接整體抗剪試驗

2.1 試件設計及加載裝置

咬合型連接整體抗剪試驗能夠反映實際工程中連接的整體受力情況，同時也可與前面單個螺栓的抗剪試驗結果進行對比。整體抗剪試件為C系列，見表5，試件尺寸及裝置如圖10所示，對稱布置。C系列試件仍由6家企業提供，幾何尺寸和材性與前面相同，共30個試件。

表5 C系列試件參數表

圖10 咬合型連接整體抗剪試驗的試件尺寸圖/mm

咬合型連接整體抗剪試驗的加載設備、加載速率與單個螺栓的抗剪試驗相同，加載點位于橫梁跨中央，兩側連接受力相同。為防止加載點處橫梁發生破壞，設置了加載墊塊。

2.2 試驗結果與分析

與A系列試件類似，C系列試件的螺栓桿、連接件孔壁均未發生破壞。甲、丁、戊、己4家企業試件的破壞模式均為螺母齒和槽鋼齒同時剪壞，與A系列試件相同，試驗數據無效。乙、丙兩家企業試件的破壞模式均為槽鋼齒剪壞，試件兩側的連接基本同步破壞，荷載-位移曲線如圖11所示，其中縱坐標為加載值的1/2，也即一側連接承擔的荷載，實測極限荷載Vu的平均值見表6。因試件C1~C4的槽鋼、螺栓均與試件A1~A4相同，對比表4和6后不難發現，連接整體抗剪承載力與單個螺栓抗剪承載力的平均偏差為3.4%，最大偏差為8.5%，說明單個螺栓抗剪試驗能夠反應整體連接中螺栓的實際受力狀況。

表6 C系列試件的極限荷載表

圖11 不同企業C系列試件荷載-位移曲線圖

3 齒形要求及抗剪承載力

從上述試驗中可以看出，對于有效試件，當螺栓等級≥8.8級、規格≥M10、連接件厚度≥4 mm時，螺栓的抗剪承載力由槽鋼齒控制。由JGJ 82—2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》[2]可知，8.8級承壓型M10螺栓的抗剪承載力設計值為18.8 kN，略高于實測極限荷載最大值，理論極限抗剪承載力更高，顯然螺栓桿和孔壁不會發生破壞。

槽鋼齒的抗剪能力與槽鋼齒的剪切面積、鋼材強度有關。槽鋼與螺母的齒咬合情況如圖12所示，齒距為b，螺母齒端水平寬度為b1，則一個槽鋼齒的受剪寬度b2由式(1)表示為

圖12 槽鋼與螺母的齒咬合示意圖

因b、b1為定值，螺母齒壓得再深，b2也不會變，說明安裝時無需施加過大的扭矩，只要能夠保證齒咬合即可。盡管槽鋼齒是變厚度的，但剪切面距離齒底較近，剪切面處的齒厚度不會＜0.8t。假設螺母共n個齒，槽鋼受剪總齒數為2n，則槽鋼齒被剪壞時的極限荷載Vu由式(2)表示為

式中fvu為鋼材抗剪極限強度，可取0.577fu。

乙、丙兩家企業的螺母齒數n分別為4和5個，槽鋼齒的受剪寬度b2分別為3.5和2.0 mm，槽鋼壁厚t和抗拉強度fu見表3，將上述參數代入式(2)后得到的Vu理論值見表4，扣除齒咬合較差的兩組A5試件后，極限荷載理論值均低于實測值，平均偏低13.8%，最大偏低28.1%，主要是槽鋼齒的鋼材存在硬化現象，導致實測值偏高，因此用式(2)計算承載力是可行且偏安全的。

根據式(2)可得到單個螺栓的抗剪承載力設計值Nv，由式(3)表示為

式中fv為鋼材抗剪強度設計值，MPa。

綜合各企業尤其是丙企業的齒形情況和試驗結果，建議齒形采用下列數值:

(1)齒距b取3.0 mm，齒深h取1.2~1.5 mm，齒的咬合深度h不應＜1.0 mm；

(2)螺母應采用平行齒，齒端水平寬度b1取1.0 mm，螺母一側的齒數為6個。

將上述參數代入式(3)可得到單個螺栓的抗剪承載力設計值，見表7。以壁厚為2.0和2.5 mm的Q235槽鋼為例，表6中的實測值約為表7中設計值的2倍，符合工程結構可靠度的常規性要求。表7中的抗剪承載力設計值略加修改后(表中括號內數值)被T/CECS 731—2020[16]采納。

表7 單個螺栓的抗剪承載力設計值表

4 結論

通過對國內外6家企業提供的100個試件的抗剪試驗研究，可以得到如下結論:

(1)各企業生產的高強度螺栓咬合式連接的產品質量參差不齊，亟待出臺產品標準，對材質、齒形等提出統一要求。

(2)螺母的強度和硬度應與高強度螺栓相匹配，螺母應采用平行齒且與槽鋼齒咬合良好，否則螺母齒容易被剪壞；螺栓的安裝扭矩不宜過大，能夠保證齒咬合即可。

(3)當高強度螺栓的規格≥M10、級別≥8.8級、連接件板厚≥4 mm時，破壞模式為槽鋼齒剪壞，抗剪承載力與槽鋼齒的剪切面積、抗剪強度有關。

(4)根據實驗結果，給出了單個螺栓抗剪承載力設計值的計算公式，并給出了符合齒形要求的設計推薦值。

致謝

試驗試件由參與編制T/CECS 731—2020《裝配式支吊架系統應用技術規程》的6家企業提供，對這些企業的支持表示衷心感謝。