裝配式鋼結構不同安裝連接方式試驗研究

譚煜州

（貴州金鼎建筑科技有限責任公司，貴州 六盤水 553000）

0 引言

具有輕質和良好抗震性能的裝配式冷彎型鋼（CFS）結構因其適用于模塊化設計、工業生產和機械化組裝[1]，在裝配式建筑的工業化中得到了重視和推廣。裝配式冷彎型鋼構件的強度和組裝效率在很大程度上取決于緊固件。因此，最佳連接技術可以顯著提高裝配式冷彎型鋼結構在建筑市場的競爭力[2-3]。如今，自鉆螺釘和焊接是裝配式冷彎型鋼結構組件中常用的傳統連接。盲鉚釘、螺栓、鉚接和自穿孔鉚接（SPR）是機械和汽車工程領域的主要連接技術。特別是，鉚接和自穿孔鉚接用于連接多種材料的工業生產線[4-5]。

最簡單和最經濟的連接是無需任何額外緊固件的鉚接，屬于機械連接[6-7]。通過具有最高硬度的特殊鉚接工具，使板材產生局部冷變形，直到實現互鎖投影。張九營[8]研究了鉚接連接的優點和缺點，并分析了不同的成型技術和加載方向對接頭強度的影響。建筑領域中最常用的連接技術是盲鉚釘，這需要在板材中預先鉆孔和定位。鉚釘插入鉆孔中，使用專用鉚釘槍將鉚釘芯軸拉入鉚釘體。但會使鉚釘體膨脹，從而使鉚釘芯軸折斷[9]。這樣的連接僅可以從元件或結構的一側插入。基于此，本文對裝配式冷彎薄壁型鋼的四種連接方式的力學性能和施工特點進行了比較研究。觀察了板厚和厚度比對所考慮連接的失效模式和力學性能的影響。根據裝配式冷彎薄壁型鋼結構的試驗結果和施工特點，綜合評價了裝配式冷彎薄壁型鋼結構四種連接方式的可行性。

1 試驗方法與材料

1.1 材料特性

試驗樣品采用鍍鋅冷彎薄壁鋼。研究中使用了五種不同的厚度（0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm 和2.0 mm）冷彎薄壁鋼，并通過測試確定了材料性能。根據《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB/T228:2002，2002），對每種厚度的三個樣品進行了測試，參數平均值計算結果如表1 所示。

表1 冷彎薄壁鋼性能

1.2 試樣設計和加載方案

通過所考慮的緊固件連接0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm和2.0 mm 兩條板帶的組合厚度，進行一系列搭接剪切試驗。所有由DX51D+Z25 制成的鍍鋅冷彎薄壁鋼長200mm× 寬60mm，重疊長度為30mm，如圖2 所示。t1和 t2分別是頂板的厚度值和底板的厚度值。對于自穿孔鉚接、鉚接、自鉆螺釘和盲鉚釘的尺寸選擇，選擇了工程中常用的類型。通過大量的強度試驗，確定了與試驗鋼板性能相匹配的緊固件尺寸，如表2所示。L1是鉚釘長度。dw和ds分別是自穿孔鉚接頭部和尾部的直徑。dp和dd是內徑和外徑。L2和dz是自鉆螺釘的長度和直徑。L3和db是盲鉚釘的長度和直徑。

表2 接頭緊固件主要尺寸

如圖1 所示，在100 mm 長標距的Zwick Roell Z10 拉伸試驗機上進行剪切試驗之前，檢查并校準了測量設備和自動伸長儀。機器施加的載荷（最大拉力30kN）由位移模式控制。為了使執行的試樣保持在靜態載荷條件下，拉伸試驗機的速度為3mm/min。在剪切試驗中，通過支撐自動伸長儀測量接頭變形。

圖1 剪切試驗加載系統

2 測試結果和分析

2.1 失效模式

2.1.1 自穿孔鉚釘

失效模式的類型會影響搭接剪切試驗的剪切響應。在裝配式冷彎薄壁型鋼結構體系中，厚度比（t2/t1）對SPR 接頭的失效模式可以概括為：（SPR1）在t2/t1=1.0 期間時，鉚釘尾部從底部鋼材拉出，如圖2（a）所示，（SPR2）頂部鋼材的支承和鉚釘頭在t2/t1≥1.5 時期從頂部板材上拔出，如圖2（b）所示。（SPR1+SPR2）混合失效模式時，鉚釘尾部從底部鋼材拉出，部分鉚釘頭在1.0＜t2/t1＜1.5 時從頂部拉出，如圖2（c）所示。SPR1 的失效機理是聯鎖機構首先失效，因為其抗剪能力小于鉚釘頭和頂板之間的承載能力，整個鉚釘仍然與頂板連接。對于SPR2，鉚釘頭擠壓頂板并導致頂板孔壁膨脹，其中聯鎖機構的剪切能力大于頂板的承載能力。

圖2 自穿孔鉚釘接頭的失效模式

2.1.2 鉚接

厚度比（t2/t1）對鉚接接頭的破壞模式影響較小。且可觀察到，在剪切測試期間，不同的鉚接破壞機制取決于聯鎖形狀和參數值（壓花厚度，上片聯鎖寬度和下板互鎖寬度）。在鉚接搭接剪力試驗中，觀察到以下破壞模式：（C1）頸部斷裂，如圖3（a）所示，在水平剪切力的作用下頸部厚度發生斷裂。（C2）頂板與底板分離，如圖3（b）所示，由于兩片之間互鎖不足而發生失效模式。

圖3 鉚接接頭失效模式

2.1.3 自鉆螺釘

在由自鉆螺釘制成的冷彎剪切連接中，通常會出現三種基本類型的失效模式。（SDS1）t2/t1=1.0 時的傾斜和支承如圖4（a）所示，（SDS2）緊固件的剪切，如圖4（b）所示，以及（SDS3）t2/t1≥1.5 時頂板的剪切，如圖4（c）所示。對于失效模式SDS1，自鉆螺桿發生了嚴重的撕裂，頂板被螺桿頭擠壓。對于失效模式SDS2，當組合厚度為2.0+2.0mm 時，自鉆螺桿被剪切。這是由于鋼板的剪切強度比自鉆式螺釘高。在失效模式SDS3 中，鋼板的承載能力較低，頂板被螺絲頭沿鋼板長度方向剪斷。

圖4 自鉆螺釘接頭的失效模式

2.1.4 盲鉚釘

在不同的厚度比（t2/t1）下，盲鉚釘接頭的失效模式可以總結為以下三種類型。（BR1）在t2/t1=1.0 時，盲鉚釘抽出并承載，如圖5（a）所示，（BR2）在2.0+2.0mm 時，鉚釘被剪切如圖5（b）所示，（BR3）在t2/t1≥1.5 時，盲鉚釘頭從頂板上拉出如圖5（c）所示。失效模式BR1 和BR2 的機制分別與自鉆螺釘的失效模式SDS1 和SDS2 相似。對于失效模式BR3，鉚釘發生傾斜，鉚釘頭從頂板拉出。這是由于頂板的承載能力較低造成的。

圖5 盲鉚釘接頭的失效模式

綜上所述，厚度比（t2/t1）對鉚接接頭的破壞模式影響較小，但對自穿孔鉚釘、自鉆螺釘和盲鉚接接頭的影響較大。由此可知，上述3 種類型的破壞模式主要表現為厚度比t2/t1=1，厚度比t2/t1≥1.5，剪切破壞模式出現在自鉆螺釘和盲鉚釘接頭上，其組合厚度為2.0+2.0 mm，其中緊固件被剪斷。這種模式屬于脆性破壞，即緊固件在板材之前突然失效，導致接頭不能充分利用其力學性能。因此，緊固件需要考慮與鋼材的性能匹配。

2.2 荷載-變形曲線

圖6 為相同板材厚度和不同厚度組合下剪切荷載-變形響應之間的比較。對于SPR 連接件的剪切試樣，可以得出如下結論：荷載-變形曲線可分為四個階段：彈性階段（荷載和變形之間的線性關系）、彈性-塑性階段（荷載與變形之間的非線性增加關系）、塑性階段（荷載與滑移之間的非線性緩慢下降關系），以及破壞階段（荷載和變形之間的急劇下降關系）。與自穿孔鉚釘的剪切響應相比，鉚接具有更短的塑性階段，自鉆螺釘和盲鉚釘具有更長的彈塑性階段。

從圖6 中可以看出，自穿孔鉚釘和自鉆螺釘連接的剪切能力隨著板材厚度的增加而增加，并且自穿孔鉚釘的剪切能力優于其他三種。自穿孔鉚釘和鉚接都具有很高的剛度，提供了比其他兩種更大的斜率。然而，自鉆螺釘和盲鉚釘都顯示出較高的變形能力，并且它們在剪切響應中的最終變形大于自穿孔鉚釘和鉚接。四個連接的抗剪承載力隨著板厚比的減小而增加。與測試的所有其他連接類型相比，自穿孔鉚釘的增量最大。

圖6 載荷-變形曲線

2.3 耗散能

根據上述分析，自穿孔鉚釘和鉚接接頭的形成機理與自鉆螺釘和盲鉚釘不同。自穿孔鉚釘或鉚接接頭中具有出色剪切剛度的聯鎖機構使兩塊鋼結構具有更強的連接性和更好的整體性。然而，聯鎖機構具有較低的變形性，導致剪切試驗中的分離能量相對較差。對于自鉆螺釘和盲鉚釘的連接，鋼板與緊固件之間的完整性較差。當施加載荷時，緊固件開始傾斜并擠出使這種連接的板材產生低剛度，但變形性和分離能量很大。綜上所述，與自鉆螺釘和盲鉚釘相比，自穿孔鉚釘和鉚接連接具有較高的剪切剛度。自鉆螺釘和盲鉚釘具有突出的變形性和耗散能。

圖7 相同板材組合耗散能

3 結論

厚度比（t2/t1）對鉚接連接的失效模式影響較小，但對自穿孔鉚釘、自鉆螺釘和盲鉚連接的影響較大。當厚度比t2/t1＝1，自穿孔鉚釘、自鉆螺釘、盲鉚接的失效模式主要表現為緊固件傾斜和拉出。當厚度比t2/t1≥1.5，通常會出現頂板的承重。

與自鉆螺釘和盲鉚釘相比，自穿孔鉚釘連接表現出更高的剪切強度，但其變形性和耗能值較小。