碳鋼材質(zhì)自攻自鉆螺釘與鋁合金基材連接的抗拉拔試驗(yàn)研究

潘步新 辛志勇 汪大洋，3，* 張永山 朱 勇 向晏侖

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006；2.珠海安維特工程檢測(cè)有限公司，珠海 519120；3.廣東省建筑金屬?lài)o(hù)系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，廣州 510006）

0 引言

近年來(lái)臺(tái)風(fēng)及非臺(tái)風(fēng)地區(qū)均出現(xiàn)不同程度的金屬屋面風(fēng)揭破壞工程。自攻自鉆螺釘連接在鋁合金基材的工況在金屬屋面系統(tǒng)中被大量使用，螺釘連接處失效而引起金屬屋面系統(tǒng)破壞案例不在少數(shù)。自攻自鉆螺釘屬自攻螺釘?shù)囊活?lèi)，自帶鉆尾。連接時(shí)，自鉆自攻螺釘在連接時(shí)將鉆孔和攻絲兩道工序合并一次完成，節(jié)約施工時(shí)間。

風(fēng)荷載作用逐級(jí)傳遞到金屬屋面系統(tǒng)螺釘連接處，螺釘連接處受到豎向拉力。對(duì)于自攻自鉆螺釘?shù)氖芾茐哪Ｊ剑醒芯浚?］提出連接基材的自攻自鉆螺釘受拉時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下三種破壞模式：①抗拉拔破壞，即釘尖從連接的基材板中拔出；②抗拉脫破壞，即釘頭從連接的鋼板中拉脫；③拉斷破壞，即自攻螺釘釘桿本身被拉斷而失效。如圖1 所示。抗拉拔破壞比較普遍存在于固定支座和檁條的連接處以及龍骨與裝飾板的連接處。

圖1 連接件受拉破壞模式Fig.1 Tensile failure pattern of connection specimen

目前，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者有研究自攻螺釘連接在鋼基材的抗拉拔［1-5］、抗拉脫［6］、受剪性能［7］。其中，對(duì)于連接件抗拉拔的研究，李元齊等［1］，對(duì)自攻螺釘在冷彎薄壁型鋼連接抗拉的不同破壞模式影響因素進(jìn)行了探討，關(guān)注到螺紋間距對(duì)其影響，并與國(guó)內(nèi)規(guī)范值對(duì)比驗(yàn)證。于敬海等［2］研究進(jìn)行屋面系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的抗拉拔試驗(yàn)，以檁條翼緣板厚、檁條材質(zhì)、自攻螺釘直徑、自攻螺釘數(shù)量以及固定支座底板厚度為變量基材，得出幾種變量對(duì)結(jié)果的影響，并對(duì)國(guó)內(nèi)規(guī)范的計(jì)算公式進(jìn)行了修正，該研究的試件基材材料為Q235 鋼材。Mahendran 和Mayooran Sivapathasundaram 等［4-5］對(duì)自攻螺釘緊固件型金屬屋面系統(tǒng)的連接節(jié)點(diǎn)（屋面薄板與檁條連接）進(jìn)行抗拉拔試驗(yàn)研究，設(shè)置了不同參數(shù)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，擬合出新的自攻螺釘在鋼基材連接的計(jì)算公式，該文獻(xiàn)試驗(yàn)的基材厚度主要在3 mm 以下。現(xiàn)階段對(duì)自攻自鉆螺釘在鋁合金基材連接的抗拉拔性能的研究較少，而且對(duì)支座與檁條連接這種基材厚度較大的連接關(guān)注較少。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)［8-9］也缺少對(duì)自攻自鉆螺釘在鋁合金基材連接的抗拉拔承載力的相關(guān)計(jì)算方法，并且比較少關(guān)注到螺距對(duì)結(jié)果的影響。本文主要關(guān)注抗拉拔破壞，通過(guò)進(jìn)行碳鋼材質(zhì)自攻自鉆螺釘在鋁合金基材上連接的抗拉拔試驗(yàn)，分析自攻自鉆螺釘在鋁合金基材上連接的抗拉拔性能影響因素，將試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)規(guī)范公式進(jìn)行對(duì)比擬合，得出較合理的抗拉拔承載力計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在珠海安維特工程檢測(cè)公司進(jìn)行，試驗(yàn)主要儀器如表1 所示。試驗(yàn)的試件由鋁合金基材板和自攻自鉆螺釘組成。參考了常用于金屬屋面系統(tǒng)使用的基材板厚度及材質(zhì)，試件基材板選取材質(zhì)6063-T5 鋁合金，分別是長(zhǎng)寬為140 mm×50 mm，厚度為2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm的方管以及50 mm×70 mm×6.0 mm 的平板。自攻自鉆螺釘參考了常用于金屬屋面系統(tǒng)使用的幾種螺釘，根據(jù)的螺釘直徑、螺距選取了4 種不同規(guī)格的碳鋼螺釘。

表1 試驗(yàn)儀器Table 1 Equipments of the test

4種碳鋼材質(zhì)自攻自鉆螺釘和5種鋁合金基材進(jìn)行組合，每組參數(shù)變量設(shè)計(jì)多個(gè)相同試件（至少3個(gè)），實(shí)際試驗(yàn)時(shí)由于部分試件結(jié)果具有一定離散性，故對(duì)部分試驗(yàn)組的相同試件個(gè)數(shù)進(jìn)行適當(dāng)增加，共進(jìn)行了179個(gè)自攻自鉆螺釘在鋁合金基材上連接的抗拉拔承載力試驗(yàn)，試件參數(shù)如表2所示。

表2 碳鋼螺釘試件參數(shù)Table 2 Parameters of specimens

考慮到手動(dòng)電鉆鉆入時(shí)，難以控制鉆入速度、鉆入軸向力以及保證垂直鉆入，可能會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響，一部分試件為通過(guò)手動(dòng)電鉆鉆入鋁合金基材，一部分試件采用鉆孔試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)鉆入。

運(yùn)用鉆板試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)鉆入時(shí)，參考GB/T 3098.11—2002《緊固構(gòu)件機(jī)械性能（自攻自鉆螺釘）》［10］以及實(shí)際操作，對(duì)不同厚度的鋁合金基材，鉆板試驗(yàn)機(jī)按照表3 鉆入軸向力以及鉆入檔位設(shè)置。

表3 鉆板試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Parameters of drilling machine

1.2 試驗(yàn)布置及方案

試件布置情況如圖2 所示，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上夾具夾住螺釘與鋁基材，下夾具固定基材。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加一個(gè)向上的軸向拉力，此時(shí)上夾具模擬實(shí)際案例中被連接件，鋁合金基材模擬連接件，通過(guò)這種方案進(jìn)行試驗(yàn)，能保證試件是抗拉拔破壞。

圖2 試件布置Fig.2 The setup of specimens

試件布置完畢，進(jìn)行加載。加載前，試驗(yàn)機(jī)的端部夾具應(yīng)與試件軸線找正。根據(jù)規(guī)范AISI S905［11］，以33 N/s 的加載速度對(duì)試件加載。當(dāng)螺釘從基材板中拉拔出來(lái)，停止加載，記錄試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)。

1.3 材料實(shí)測(cè)

試驗(yàn)中鋁合金板基材型號(hào)均為6063-T5 鋁合金，名義抗拉強(qiáng)度為150 MPa，均為同一批材料。取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法》［12］制備3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果取平均值，如表4所示。

表4 鋁合金板材料試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Material properties of aluminum sheet

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞模式及現(xiàn)象

試驗(yàn)中的179 個(gè)試件的破壞模式均為抗拉拔破壞。

ST-M 類(lèi)試件破壞現(xiàn)象：加載初期，試件無(wú)明顯變化。隨著荷載上升，部分基材厚度為2.0 mm、3.0 mm 的試件基材孔附近板材隨螺釘上拱。達(dá)到峰值荷載時(shí)，大部分試件螺釘被拔出，螺釘無(wú)斷裂現(xiàn)象，螺釘?shù)穆菁y完好，可見(jiàn)基材屑被卷出，基材孔內(nèi)可見(jiàn)螺紋，基材面無(wú)明顯變形。部分基材厚度為2.0 mm、3.0 mm 的試件基材孔附近有明顯上彎曲殘余變形。

FP-M 類(lèi)試件破壞現(xiàn)象：加載初期，試件無(wú)明顯變化。達(dá)到峰值荷載時(shí)，平板試件螺釘被拔出，螺釘無(wú)斷裂現(xiàn)象，螺釘?shù)穆菁y完好，可見(jiàn)基材屑被卷出，基材孔內(nèi)可見(jiàn)螺紋，基材面無(wú)明顯變形。

ST-A 類(lèi)試件破壞現(xiàn)象與ST-M 類(lèi)試件相同，F(xiàn)P-A類(lèi)試件破壞現(xiàn)象與FP-M類(lèi)試件相同。

自攻自鉆螺釘與鋁合金基材是通過(guò)螺釘?shù)穆菁y與基材的咬合進(jìn)行連接。螺釘?shù)穆菁y在基材內(nèi)部形成內(nèi)螺紋，與螺釘螺紋相互咬合，提供抗拉拔承載力。當(dāng)外荷載大于這個(gè)承載力時(shí)，咬合失效，螺釘被拔出，基材被帶出，部分基材厚度較薄的試件隨著螺釘向上拉伸，基材孔附近形成殘余變形。

2.2 荷載-位移曲線

四種類(lèi)型試件的曲線趨勢(shì)大致類(lèi)似：開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，試件的位移隨著荷載的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)，曲線趨向斜直線上升。當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)螺釘螺紋與基材的咬合失效，螺釘被拔出，荷載急劇下降，位移增長(zhǎng)漸緩。由于達(dá)到峰值荷載瞬間，螺釘瞬間從基材中拔出，會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，導(dǎo)致部分試件荷載峰值后的位移變化不穩(wěn)定。部分典型試件的抗拉拔荷載-位移曲線如圖4所示。

圖3 螺釘試件拉拔破壞Fig.3 Pull-out failure of typical specimens

圖4（a）展示了典型ST-M 類(lèi)試件的荷載位移曲線，試件基材厚度5 mm，螺距1.8 mm，螺釘直徑5.5 mm。同一組的各個(gè)試件抗拉拔較為接近，誤差較小。

圖4（b）展示了典型ST-A 類(lèi)試件的荷載位移曲線，試件基材厚度3 mm，螺距1.8 mm，螺釘直徑5.5 mm。同一組的各個(gè)試件抗拉拔較為接近，誤差較小。由于該組試件基材厚度較小，其抗拉拔承載力較典型ST-M類(lèi)試件小。

圖4（c）展示了典型FP-M 類(lèi)試件的荷載位移曲線，試件基材厚度6 mm，螺距1.8 mm，螺釘直徑5.5 mm；該組試件的抗拉拔承載力較ST-M 類(lèi)試件相比，存在一點(diǎn)誤差，但誤差屬于可接受范圍。

圖4（d）展示了典型FP-A 類(lèi)試件的荷載位移曲線，試件基材厚度6 mm，螺距1.8 mm，螺釘直徑6.3 mm。該組試件的抗拉拔承載力較ST-A 類(lèi)試件相比，存在一點(diǎn)誤差，但誤差屬于可接受范圍。

圖4 典型荷載-位移曲線Fig.4 Load versus displacement curves of typical specimens

FP類(lèi)試件存在微小誤差的原因可能與方板鋁合金基材材料不均勻有關(guān)。由于基材厚度較大，所以FP類(lèi)試件抗拉拔承載力較ST類(lèi)試件大。

2.3 抗拉拔承載力影響因素分析

2.3.1 鉆入方式影響

圖5 展示了試件抗拉拔承載力與鉆入方式關(guān)系的曲線，橫坐標(biāo)代表每組試件的編號(hào)，縱坐標(biāo)代表每組試件抗拉拔承載力均值，每個(gè)散點(diǎn)為對(duì)應(yīng)編號(hào)試件組的抗拉拔承載力平均值。通過(guò)對(duì)比ST-M 類(lèi)試件和ST-A 類(lèi)試件的結(jié)果曲線，對(duì)比FPM 類(lèi)試件和FP-A 類(lèi)試件結(jié)果曲線，得出鉆入方式對(duì)試件抗拉拔承載力的影響。

從圖5 可以看出，手動(dòng)電鉆鉆入試件與鉆板試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)鉆入試件整體結(jié)果較為接近。

圖5（a）的兩條ST 類(lèi)試件曲線之間大致趨勢(shì)相同，最大區(qū)別在于編號(hào)7～8 及編號(hào)15～16。圖5（b）的兩條FP 類(lèi)試件曲線之間大致趨勢(shì)相同，最大區(qū)別在于編號(hào)2。

圖5 抗拉拔承載力與鉆入方式的關(guān)系Fig.5 Relationship between pull-out failure load and dr

存在區(qū)別的幾組試件螺距均為1.3 mm，得出鉆入方式對(duì)螺距為1.3 mm 的試件有一定影響：螺距為1.3 mm 的ST-A 類(lèi)試件的抗拉拔承載力比ST-M 類(lèi)試件的大，螺距為1.3 mm 的FP-A 類(lèi)試件的抗拉拔承載力比FP-M 類(lèi)試件的大。鉆入方式對(duì)螺距為1.8 mm 的試件的影響較小：螺距為1.8 mm 的ST-A 類(lèi)試件和ST-M 類(lèi)試件的抗拉拔承載力相差不大，螺距為1.8 mm 的FP-A 類(lèi)試件和FPM類(lèi)試件的抗拉拔承載力相差不大。說(shuō)明螺距較小的試件，在使用手動(dòng)電鉆鉆入時(shí)容易受到影響，螺紋無(wú)法與鋁合金較好咬合，導(dǎo)致結(jié)果偏小。

2.3.2 基材厚度影響

圖6 展示了試件抗拉拔承載力與基材板厚度關(guān)系的曲線，橫坐標(biāo)代表基材厚度，縱坐標(biāo)代表每組試件抗拉拔承載力均值，每個(gè)散點(diǎn)代表一個(gè)試件組的抗拉拔承載力平均值。每一條曲線代表同一種螺釘連接在不同厚度基材的試件。以曲線“ST-M1～4”為例，橫坐標(biāo)基材厚度t=2 時(shí)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是試件ST-M1 組的抗拉拔承載力平均值，橫坐標(biāo)基材厚度t=3 時(shí)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是試件ST-M2 組的抗拉拔承載力平均值。通過(guò)對(duì)比曲線的變化趨勢(shì)，得出基材厚度對(duì)試件抗拉拔承載力的影響。

表5 典型試件抗拉拔承載力Table 5 Pull-out capacity of typical specimens

從圖6 可以看出，整體上隨著基材厚度增長(zhǎng)，各個(gè)類(lèi)型的螺釘試件抗拉拔承載力也增長(zhǎng)。

圖6（a）中ST-M類(lèi)試件曲線大致趨勢(shì)相同，最大區(qū)別在于曲線“ST-M5～8”和“ST-M13～16”的增速較另外兩條曲線小。

圖6（b）中ST-A試件曲線大致趨勢(shì)相同，最大區(qū)別在于曲線“ST-A5～8”和“ST-A13～16”的增速較另外兩條曲線小。

圖6 抗拉拔承載力與鋁合金基材板厚的關(guān)系Fig.6 Relationship between pull-out failure load and thickness of aluminum sheet

增速較小的試件螺距均為1.3 mm，可得出：螺釘種類(lèi)相同時(shí)，基材厚度越大，試件抗拉拔破壞承載力越大，螺距較小的試件抗拉拔承載力增加較緩。基材厚度對(duì)試件抗拉拔性能有著較為顯著影響。

2.3.3 螺距影響

圖7 展示了試件抗拉拔承載力與螺距關(guān)系的曲線，橫坐標(biāo)代表每組試件的編號(hào)，縱坐標(biāo)代表每組試件抗拉拔承載力均值，每個(gè)散點(diǎn)為對(duì)應(yīng)編號(hào)試件組的抗拉拔承載力平均值。如圖8（a）和圖8（b），對(duì)曲線ST-M1～4 與曲線ST-M5～8 進(jìn)行對(duì)比，曲線ST-M9～12與曲線ST-M13～16進(jìn)行對(duì)比，曲線ST-A1～4 與曲線ST-A5～8 進(jìn)行對(duì)比，曲線ST-A9～12 與曲線ST-A13～16 進(jìn)行對(duì)比。如圖8（c）和圖8（d），對(duì)散點(diǎn)FP-M1 與FP-M2 進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)P-M3 與FP-M4 進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)P-A1 與FP-A2 進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)PA3 與FP-A4 進(jìn)行對(duì)比。得出螺距對(duì)試件抗拉拔承載力的影響。

圖7 抗拉拔承載力與螺距的關(guān)系Fig.7 Relationship between pull-out failure load and thread pitch

從圖7 可以看出，整體上隨著螺距增長(zhǎng)，各個(gè)類(lèi)型試件抗拉拔承載力也增長(zhǎng)。

圖7（a）中ST-M 類(lèi)試件對(duì)比，曲線“ST-M1～4”（螺距1.8 mm）整體上大于曲線“ST-M5～8”（螺距1.3 mm），曲線“ST-M9～12”（螺距1.8 mm）整體上大于曲線“ST-M13～16”（螺距1.3 mm），說(shuō)明其他條件相同時(shí)，ST-M 類(lèi)試件抗拉拔承載力隨著螺距的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

圖7（b）中ST-A 類(lèi)試件對(duì)比，曲線“ST-A1～4”（螺距1.8 mm）整體上大于曲線“ST-A5～8”（螺距1.3 mm），曲線“ST-A9～12”（螺距1.8 mm）整體上大于曲線“ST-A13～16”（螺距1.3 mm），說(shuō)明其他條件相同時(shí)，ST-A 類(lèi)試件抗拉拔承載力隨著螺距的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

圖7（c）中FP-M 類(lèi)試件對(duì)比，F(xiàn)R-M1（螺距1.8 mm）的值大于FR-M2（螺距1.3 mm），F(xiàn)R-M3（螺距1.8 mm）的值大于FR-M4（螺距1.3 mm），說(shuō)明其他條件相同時(shí)，F(xiàn)P-M 類(lèi)試件抗拉拔承載力隨著螺距的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

圖7（d）中FP-A 類(lèi)試件對(duì)比，F(xiàn)R-A1的值大于FR-A2，F(xiàn)R-A3 的值大于FR-A4，說(shuō)明其他條件相同時(shí)，F(xiàn)P-A 類(lèi)試件抗拉拔承載力隨著螺距的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

綜上，基材厚度及螺釘直徑相同的時(shí)，螺距越大，試件抗拉拔破壞承載力越大。螺距對(duì)試件抗拉拔性能有著較為顯著影響。

2.3.4 螺釘直徑影響

圖8 展示了試件抗拉拔承載力與螺距關(guān)系的曲線，橫坐標(biāo)代表每組試件的編號(hào)，縱坐標(biāo)代表每組試件抗拉拔承載力均值，每個(gè)散點(diǎn)為對(duì)應(yīng)編號(hào)試件組的抗拉拔承載力平均值。如圖9（a）和圖9（b），對(duì)曲線ST-M1～4與曲線ST-M9～12進(jìn)行對(duì)比，曲線ST-A1～4與曲線ST-A9～12進(jìn)行對(duì)比。如圖9（c）和圖9（d），對(duì)散點(diǎn)FP-M1 與FP-M3 進(jìn)行對(duì)比，F(xiàn)P-A1 與FP-A3 進(jìn)行對(duì)比。得出螺釘直徑對(duì)試件抗拉拔承載力的影響。

圖8 抗拉拔承載力與螺釘直徑的關(guān)系Fig.8 Relationship between pull-out failure load and screw diameter

從圖8 可以看出，整體上隨著螺距增長(zhǎng)，各個(gè)類(lèi)型試件抗拉拔承載力也增長(zhǎng)。

圖8（a）中ST-M 類(lèi)試件對(duì)比，曲線“ST-M1～4”（螺釘直徑5.5 mm）整體上略微小于曲線“ST-M9～12”（螺釘直徑6.3 mm），說(shuō)明其他條件相同時(shí)，ST-M 類(lèi)試件抗拉拔承載力隨著螺釘直徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)程度較小。

圖8（b）中ST-A 類(lèi)試件對(duì)比，曲線“ST-A1～4”（螺釘直徑5.5 mm）整體上略微小于曲線“ST-A9～12”（螺釘直徑6.3 mm），說(shuō)明其他條件相同時(shí)，STA 類(lèi)試件抗拉拔承載力隨著螺釘直徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)程度較小。

圖8（c）中FP-M 類(lèi)試件對(duì)比，F(xiàn)R-M1（螺釘直徑5.5 mm）的值小于FR-M3（螺釘直徑6.3 mm），說(shuō)明其他條件相同時(shí)，F(xiàn)P-M 類(lèi)試件抗拉拔承載力隨著螺釘直徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

圖8（d）中FP-A 類(lèi)試件對(duì)比，F(xiàn)R-A1（螺釘直徑5.5 mm）的值小于FR-A3（螺釘直徑6.3 mm），說(shuō)明其他條件相同時(shí)，F(xiàn)P-A 類(lèi)試件抗拉拔承載力隨著螺釘直徑的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

綜上，基材厚度及螺釘直徑相同的時(shí)，螺釘直徑越大，試件抗拉拔破壞承載力越大。綜合考慮基材厚度以及螺距的影響，螺釘直徑對(duì)試件抗拉拔性能的影響較小。

3 計(jì)算公式方法及對(duì)比

將本次試驗(yàn)得到的自攻自鉆螺釘連接在鋁合金基材上的抗拉拔承載力，與國(guó)內(nèi)外的規(guī)范提供的公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)公式進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 現(xiàn)有的抗拉拔承載力計(jì)算方法

3.1.1 國(guó)內(nèi)外計(jì)算公式及存在問(wèn)題

根據(jù)我國(guó)規(guī)范GB 50018—2002［8］，自攻螺釘在基材中的鉆入深度tc應(yīng)大于0.9 mm，其所受的拉力應(yīng)不大于按下式計(jì)算的抗拉承載力設(shè)計(jì)值：

式中：為一個(gè)自攻螺釘抗拉拔承載力設(shè)計(jì)值（N）；d為自攻螺釘?shù)闹睆剑╩m）；tc為釘桿圓柱狀螺紋部分鉆入基材中的深度（mm）；f為基材抗拉強(qiáng)度（MPa）。

國(guó)內(nèi)規(guī)范［9］沒(méi)有對(duì)自攻自鉆螺釘連接在鋁合金基材下的抗拉拔承載力提供計(jì)算方法，式（1）主要應(yīng)用在自攻自鉆螺釘連接在鋼基材的情況下，認(rèn)為自攻螺釘抗拉拔承載力與螺釘直徑、基材厚度以及基材抗拉強(qiáng)度有關(guān)，但沒(méi)有考慮螺距的影響。

根據(jù)英國(guó)規(guī)范BS EN 1999 1-4，2007［13］，自攻螺釘、自攻自鉆螺釘在鋁合金基材連接下的抗拉拔承載力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Fo，Rd為自攻螺釘抗拉拔破壞承載力（N）；fu，sup為基材抗拉強(qiáng)度，MPa；tsup為鋁合金基材厚度，mm；d為自攻螺釘直徑，mm；γM3為局部系數(shù)取1.25。

式（2）同樣沒(méi)有考慮螺釘?shù)挠绊懬矣幸欢ǖ倪m用范圍：自攻螺釘和自鉆螺釘材質(zhì)為鋼材或不銹鋼材；螺釘直徑6.25 mm≤D≤6.5 mm；鋁合金基材厚度不大于6 mm 且基材抗拉強(qiáng)度不大于250 N/mm2；螺釘直徑不大于5.5 mm。

根據(jù)美國(guó)規(guī)范The Aluminum Design Manual2010［14］，自攻螺釘拉拔破壞承載力公式如下：

式中：Pnot為自攻螺釘抗拉拔破壞承載力，N；tc為螺釘螺入基材厚度，mm；D為螺釘公稱(chēng)直徑，mm；Fty2為基材屈服強(qiáng)度，MPa；Ftu2為基材抗拉強(qiáng)度，MPa；Asn為內(nèi)部螺紋的每單位長(zhǎng)度螺紋剝離面積，mm2；Ks為計(jì)算系數(shù)，當(dāng)1.5 mm≤tc≤2 mm 時(shí)，Ks取1.01；當(dāng)2 mm≤tc<3 mm時(shí)，Ks取1.2。

其中Asn的計(jì)算方法如下式所示：

式中：Le為螺距，mm；n為每英寸螺牙數(shù)；Dsmin為外螺紋小徑，mm；Enmax為內(nèi)螺紋大徑，mm。Dsmin、Enmax參考GB-5280《自攻螺釘用螺紋》［15］取值。

式（3）應(yīng)用于鋁合金基材板且考慮了螺距的影響，公式表明隨著螺距的增大，抗拉拔承載力也增大，與本次試驗(yàn)結(jié)果相符。但是計(jì)算方法比較繁瑣。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］的研究，自攻螺釘拉拔破壞承載力公式如下：

式中：P為自攻螺釘抗拉拔破壞承載力，N；d為自攻螺釘直徑，mm；p為螺距，mm；t為鋁合金基材厚度，mm；fu為基材抗拉強(qiáng)度，MPa）；k為修正系數(shù)，當(dāng)t<1.5 mm 時(shí)，k=0.70；1.5 mm

式（5）同樣考慮了螺距的影響，螺距與抗拉拔承載力呈正相關(guān)，與本次試驗(yàn)結(jié)果相符。但是式（3）針對(duì)的是基材厚度不大于3 mm的連接試件。

3.1.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將自攻自鉆螺釘在鋁合金基材上抗拉拔試驗(yàn)的試驗(yàn)值與根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）和式（5）的計(jì)算值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中，式（5）為文獻(xiàn)［6］的計(jì)算公式，該文獻(xiàn)研究方法同樣也是通過(guò)大量試驗(yàn)，擬合出計(jì)算公式。但該文獻(xiàn)提到的試驗(yàn)并未涉及4～6 mm 基材厚度的試件，故只確定了材料厚度3 mm 以下k值的范圍。而本文涉及更厚的基材，為保證對(duì)比數(shù)據(jù)完整，暫且按照1.5 mm

表5 試件抗拉拔承載力試驗(yàn)值Table 5 Mean pull-out capacity results

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：式（1）和式（2）得到的計(jì)算值普遍小于試驗(yàn)值，計(jì)算值偏于保守，與試驗(yàn)值的擬合效果較差；式（3）和式（5）得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較小，擬合效果較好；通過(guò)式（5）計(jì)算的比值平均值和方差略?xún)?yōu)于通過(guò)式（3）計(jì)算的。

3.2 抗拉拔承載力計(jì)算方法改進(jìn)

式（5）的擬合效果略?xún)?yōu)于式（3），而式（5）有一定適用條件，針對(duì)基材厚度在3 mm 以下的試件，抗拉拔承載力計(jì)算方法仍有改進(jìn)的空間，所以考慮參考式（5）進(jìn)行計(jì)算方法改進(jìn)。

上文對(duì)抗拉拔承載力影響因素的分析得出基材厚度抗拉拔承載力影響最大，螺距對(duì)抗拉拔承載力影響次之，螺釘直徑對(duì)抗拉拔承載力影響沒(méi)有前二者顯著。首先對(duì)基材厚度t的系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)與表5 的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比，t的系數(shù)調(diào)整為1.45，擬合的結(jié)果較為準(zhǔn)確。為使式子滿足較厚基材試件，對(duì)系數(shù)k進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過(guò)與表5 試驗(yàn)值的擬合，1.5 mm5 mm 時(shí)，k=0.95，擬合效果較好。然后對(duì)螺距p的系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，與表5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比，p的系數(shù)調(diào)整為0.8，擬合的結(jié)果較為準(zhǔn)確。最后對(duì)螺釘直徑d進(jìn)行改進(jìn)，與表5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比，p的系數(shù)調(diào)整為0.7，擬合的結(jié)果較為準(zhǔn)確。改進(jìn)后的上式如下：

式中：P為自攻螺釘抗拉拔破壞承載力（N）；d為自攻螺釘直徑（mm）；p為螺距（mm）；t為鋁合金基材厚度（mm），fu為基材抗拉強(qiáng)度（MPa）；k為修正系數(shù)，當(dāng)1.5 mm5 mm時(shí)，k=0.95。

將式（6）得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，與手動(dòng)電鉆鉆入試件的承載力之比Pu/P0的各組平均值為0.99，方差為0.01；與機(jī)器自動(dòng)鉆入試件的承載力之比Pu/P0的各組平均值為1.04，方差為0.01。雖然機(jī)器自動(dòng)鉆入試件的比值平均值略有上升，但是方差有所降低，且式（6）的計(jì)算值與手動(dòng)電鉆試件擬合程度較式（5）有所提升，說(shuō)明式（6）的計(jì)算值是合理的。

圖9 為通過(guò)式（3）、式（5）和式（6）得到的計(jì)算值與對(duì)應(yīng)試件試驗(yàn)值的對(duì)比圖。每個(gè)散點(diǎn)代表一個(gè)試件，橫坐標(biāo)的值為該試件的抗拉拔承載力試驗(yàn)值，縱坐標(biāo)的值為該試件通過(guò)各公式的計(jì)算值。圖中各點(diǎn)越接近45°線說(shuō)明擬合程度越高。從圖中得到，通過(guò)式（6）得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值更接近。

圖9 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.9 Comparison of pull-out failure loads obtained from Eq.（6）and tests.

將實(shí)測(cè)的所有試件的試驗(yàn)值與式（3）、式（5）和式（6）計(jì)算值進(jìn)行分析。通過(guò)式（6）計(jì)算得到R2=0.9663，表示擬合度較好，優(yōu)于通過(guò)式（3）計(jì)算得到的R2=0.8141 和通過(guò)式（3）計(jì)算得到的R2=0.8775，說(shuō)明式（6）較式（3）和式（5）有所改進(jìn)且與試驗(yàn)值的擬合程度較高。

4 結(jié)論

本文分析了碳鋼材質(zhì)自攻自鉆螺釘連接在鋁合金基材上的抗拉拔試驗(yàn)研究，總結(jié)了碳鋼材質(zhì)自攻自鉆螺釘連接試件的抗拉拔承載力的影響因素，進(jìn)一步對(duì)抗拉拔承載力計(jì)算方法改進(jìn)。得到以下結(jié)論：

（1）鉆入方式這一外部因素也會(huì)對(duì)自攻自鉆螺釘連接在鋁合金基材上的抗拉拔承載力產(chǎn)生一定的影響。螺距1.3 mm 的試件受到鉆入方式因素影響：機(jī)器自動(dòng)鉆入的試件，抗拉拔承載力較大。因?yàn)闄C(jī)器自動(dòng)鉆入試件時(shí)，能保證試件垂直鉆入不晃動(dòng)且能夠控制轉(zhuǎn)速及鉆入軸向力，說(shuō)明螺距1.3 mm 的試件在實(shí)際施工中容易受到影響，手動(dòng)電鉆鉆入會(huì)使連接試件的抗拉拔承載力偏小。

（2）基材板厚度、螺距以及螺釘直徑這三個(gè)自身因素影響著碳鋼材質(zhì)自攻自鉆螺釘連接在鋁合金基材上的抗拉拔性能。基材厚度越大，連接試件的抗拉拔承載力越大；螺距越大，連接試件的拉拔承載力越大；螺釘直徑越大，連接試件的拉拔承載力越大。其中，基材厚度和螺距對(duì)試件抗拉拔承載力影響較大，螺釘直徑的影響與二者相比較小。綜上，不建議在實(shí)際施工中使用螺距較小的螺釘。

（3）通過(guò)將179 個(gè)試件試驗(yàn)值與各國(guó)規(guī)范公式進(jìn)行對(duì)比擬合，得出中國(guó)規(guī)范和英國(guó)規(guī)范自攻自鉆螺釘抗拉拔承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大，中國(guó)規(guī)范和文獻(xiàn)提供算式相對(duì)較好，但是有局限性且仍有改進(jìn)空間。參考式（5）及抗拉拔承載力影響因素分析，再對(duì)179 個(gè)試件的試驗(yàn)值進(jìn)行擬合，得到擬合程度較好的式（6），作為改進(jìn)后的計(jì)算方法，可供設(shè)計(jì)檢測(cè)人員參考。