解立遠

(成都理工大學 工程技術學院， 四川 樂山 614007)

近年來，隨著土木工程日益增多，具有抗震性強、易于安裝和拆卸、自重輕、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點的輕鋼結構在我國建筑工程中的應用越來越多[1].在鋼結構中，連接節(jié)點受力最為復雜，其性能對整體結構、工程造價、施工進度及工程質量都有重要影響.一般要求連接節(jié)點需要具有剛度和強度高、易加工安裝、能保證內力傳遞明確及經濟實用等特點[2-4].目前最普遍的連接形式是焊接連接和螺栓連接[5-6]，前者不僅需要大量特殊工種，而且還受限于施工人員的技術水平，規(guī)?；a程度較低；后者較好地彌補了前者的不足，但由于螺栓連接形式具有多樣性，故在施工難度、性能和造價等方面存在一定差異[7-8].為此，本文設計了一種新型全螺栓連接形式，以鋼管管壁焊貼附上鋼板攻絲來替代螺母，并進行了抗壓性受力性能試驗，研究了全螺栓連接的力學性能，為進一步深入研究提供科學依據(jù).

1 抗壓試驗

1.1 試件設計

本試驗設計了8個全螺栓試件，其中鋼板材料選用Q345，尺寸為80 mm×80 mm，單板厚度有三種：5、7、9 mm，由其中任意兩個單板進行組合，得到的組合板厚度分別為：10、12、14、16 mm.螺栓選用10.9的高強度螺栓，直徑分別有16、20 mm兩種，抗拉強度不低于1 000 N/mm3，其力學性能指標如表1所示，試件設計參數(shù)如表2所示.

表1 試件力學性能指標Tab.1 Mechanical property indexes of specimens

表2 試件設計參數(shù)Tab.2 Design parameters and experimentalresults of specimens

1.2 試驗裝置

本次試驗嚴格按照《GB/T228-2002金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》的相關規(guī)范在實驗室中進行，所有試件采用5 000 kN壓力試驗機(海威爾/YEW-5000D，濟南海威爾儀器有限責任公司)進行軸心受壓試驗，試驗裝置模型示意圖如圖1所示.試驗中采用孔徑大小一致的卡托(30 mm)，使卡托內邊界到組合板底部絲孔外邊界形成10～15 mm的空區(qū)間.另外，為了保障試驗順利進行以及試驗的可靠性，試驗之前應先進行預控制，排除試件螺紋牙間空隙造成的位移，使螺栓螺紋牙與組合板螺紋牙之間緊密咬合[9-10]，同時采用應力速率控制試驗加載速率，直至試件出現(xiàn)脫口破壞方結束試驗.

圖1 試驗裝置模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.3 螺栓承載力理論計算方法

螺栓失效的一個重要原因是螺紋破壞，而螺紋強度在很大程度上由螺紋的受力或荷載分布決定，螺紋脫口破壞時其強度不易計算得到，精確地分析螺紋受力分布是一個十分復雜的接觸力問題[11-13].本文對螺紋牙荷載分布和承載的理論計算先假設作用于某段螺紋[x，x+dx]上的軸壓力為dF，則其力學和幾何關系式為

(1)

wcos ?cotβdx=dF

(2)

(3)

式中：Fz為螺栓軸心的受力總和；F為各圈螺紋牙軸向分布力；h為組合鋼板的厚度；w為螺紋牙單位寬度上的斜面垂直力；?、β分別為螺紋牙半角和螺旋線升角.

螺栓、組合板彈性變形總量為

(4)

式中：δz1、δn1為外、內螺紋牙的彎曲彈性變量；δz2、δn2為外、內螺紋牙的剪切彈性變量；δz3、δn3為外、內螺紋牙的傾斜彈性變量；δz4、δn4為外、內螺紋牙牙根的剪切彈性變量；δz5、δn5為螺紋牙徑向收縮、徑向擴展引起的彈性變量；Kz、Kn為外、內螺紋牙的彈性變量綜合系數(shù).

將式(3)代入式(4)中，得到

(5)

由材料的力學性質及變形協(xié)調條件可知

(6)

σz+σn=(δz+δn)x=x-(δz+δn)x=0

(7)

式中：σz、σn分別為x處螺栓、組合板螺紋的伸縮形變；Sz、Sn分別為螺栓和組合板螺紋的垂直截面面積.

將式(5)、(6)代入式(7)中，并對x進行微分可得

(8)

得到通解為

f=C1eλx+C2e-λx

(9)

得到雙曲線函數(shù)為

f=C1coshλx+C2sinhλx

(10)

根據(jù)邊界條件即可確定常數(shù)C1、C2，再將式(9)代入式(1)中，可得到螺紋連接承受的總軸力為

(11)

由于高強度螺栓的剛度遠大于Q345鋼材料的剛度，本次全螺栓承載力Fz近似為螺紋破壞時所受到的所有剪應力，考慮螺栓直徑與組合板厚度為試件抗壓承載力的主要影響因素，故令

Fz=πRKrhA0P

(12)

式中：R為內外螺紋小徑；Kr為螺紋完整系數(shù)，公制取值0.87；A0為螺紋圈間荷載不均勻分布時的塑性形變系數(shù)，均勻分布時值為1；P為組合板剪切強度，一般取值0.65.

2 試驗結果及力學性能分析

2.1 全螺栓組合板的抗壓承載力位移關系

圖2 抗壓承載力位移關系曲線Fig.2 Relationship curves of compressivebearing capacity and displacement

2.2 厚度和螺栓直徑對承載力與位移的影響

由表2可知，當螺栓的直徑為16 mm，組合板厚度以步長為2 mm，由10 mm增加到16 mm時，全螺栓試件的極限抗壓值分別增加了22.3%、28.2%、14.7%；當螺栓的直徑為20 mm，而組合板厚度以步長為2 mm，由10 mm增加到16 mm時，螺栓極限抗壓值分別增加了19.5%、25.3%、10.4%.由此可知，對于螺栓直徑分別為16、20 mm的組合板試件，其抗壓承載力隨組合板加厚均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，如圖3所示.

從圖3還可以看出，當組合板厚度相同，螺栓直徑對承載力的影響較為明顯，直徑大的其抗壓承載力較大.另外，從其中曲線走勢來看，當板厚從10 mm增大到12 mm時，2條曲線的斜率基本相同，即二者增加幅度相等，說明在螺紋牙遭到破壞時，螺栓承載力與螺孔周長呈正比關系；當板厚從12 mm增大到14 mm時，螺栓直徑16 mm的曲線斜率較大，但2條曲線在逐漸接近，說明螺栓逐漸由鋼板螺紋破壞轉變到螺栓破壞；板厚從14 mm增大到16 mm時，螺栓直徑20 mm的曲線斜率略大，但2條曲線逐漸分開，說明直徑為16 mm的試件由鋼板螺紋破壞轉變?yōu)槿菟ㄋU破壞，而直徑為20 mm的試件螺栓接近螺栓破壞狀態(tài).由此可知，當組合板厚度相同時，螺栓的直徑越大，全螺栓試件螺栓的承載力越大.

圖3 抗壓承載力組合板厚度變化曲線Fig.3 Change curves of compressive bearing capacitywith thickness of composite plate

2.3 螺栓承載力試驗值與計算值比較

結合表2中軸心受壓作用下全螺栓試件的試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)式(12)進行理論計算.另外為安全考慮，A0取值0.86，螺栓和組合板的抗壓強度分別為1 024、508.5 MPa.承載力試驗結果數(shù)據(jù)與理論計算結果對比情況如表3所示，二者的最小相對誤差為0.85%，最大相對誤差為6.67%，誤差范圍較小，驗證了本次試驗結果的可靠性.

表3 試驗結果與計算結果比較Tab.3 Comparison between experimentaland calculated results

3 結 論

本文對8個不同設計參數(shù)全螺栓連接形式試件的軸心受壓進行試驗，對試件的力學性能及其主要影響因素進行了分析與總結，并將試驗結果與計算結果進行了比較，從而驗證試驗的可靠性，得出以下幾點結論：

1) 全螺栓試件抗壓承載力與位移的關系曲線是隨著壓力的增大呈逐漸上升的趨勢，但由于螺紋牙受力不均勻，會出現(xiàn)一段平緩上升的階段；

2) 在抗壓試驗過程中，全螺栓組合板試件的抗壓承載力隨組合板厚度的增大呈先增大后減小的趨勢，并且當組合板厚度相同時，全螺栓試件的螺栓直徑與其承載力成正比關系.

3) 通過理論推導和軸心受壓試驗驗證可知，試驗結果與理論計算結果的相對誤差范圍較小，本次試驗結果可靠.

4) 這種全螺栓連接形式可用于各種截面的輕鋼結構，相比普通鋼結構剛性連接而言，更加簡便、更易于安裝、適用性強，具有廣闊的應用前景.

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