蔡玉軍,高志宏

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043；2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(鐵一院),西安 710043)

普通鋼材螺栓連接的性能已比較成熟，現(xiàn)行規(guī)范[1-2]對此己有明確的設(shè)計理論和方法，而有關(guān)國產(chǎn)高強鋼材螺栓連接性能方面的研究卻較少，還沒有形成普遍可以接受的高強度鋼材螺栓連接的設(shè)計理論和構(gòu)造要求，有必要通過試驗對其進行研究。

目前，國外學(xué)者主要研究了幾何參數(shù)及高強度鋼材性能對連接接頭承載性能的影響，討論了不同規(guī)范設(shè)計方法對高強度鋼材螺栓連接的適用性。如，Wallaert和Fisher[3]分析了高強度鋼材螺栓連接設(shè)計方法與幾何參數(shù)關(guān)系，認為端距、邊距和螺栓間距對試件破壞模式有一定影響；Aalberg和Larsen[4]將高強度鋼材與普通鋼材的螺栓連接承載性能進行對比，發(fā)現(xiàn)普通鋼材的破壞模式多為凈截面破壞，材料屈強比對變形能力沒有影響；Kim和Yura[5]分析了不同材料屈強比下，螺栓端距、邊距和螺栓間距對試件承載性能的影響；Moze和Beg[6-7]進行了高強度鋼材螺栓連接試驗，將試驗結(jié)果與理論模擬對比，發(fā)現(xiàn)EUROCODE 3規(guī)范在預(yù)測試件極限承載力和破壞模式上有偏差，提出了修正公式。

國內(nèi)清華大學(xué)石永久[8-10]等學(xué)者對高強度鋼材螺栓連接的抗剪性能進行了試驗，分析了連接板厚、幾何參數(shù)等因素對抗剪連接性能的影響，并探討了各國規(guī)范的適用性與準確性，開始了對高強度鋼材螺栓連接的研究。

本文結(jié)合嚴寒地區(qū)高鐵站房鋼材的特點，對Q460D高強度鋼材螺栓抗剪連接試件進行了靜力拉伸試驗，并與中國規(guī)范GB50017—2003[1](簡稱GB50017)、歐洲規(guī)范EUROCODE3[11-12](簡稱EC3)及美國規(guī)范ANSI/AISC360-05[13](簡稱ANSI)的理論計算值進行對比，為國產(chǎn)高強度鋼材螺栓連接的設(shè)計方法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗設(shè)計了Ⅰ、Ⅱ兩組高強度鋼板螺栓連接試件，每組各10件，其中鋼板采用Q460D高強度鋼材，連接螺栓為承壓型高強度螺栓，試件示意如圖1所示。

圖1 試件示意

Ⅰ組SPE1～10為螺栓橫向布置，Ⅱ組SPE11～20為螺栓縱向布置，通過高強度螺栓將鋼板A和鋼板B連接在一起，研究螺栓布置方式對Q460D鋼板高強度鋼板螺栓連接承載性能及破壞模式的影響。連接螺栓采用10.9級M20高強度螺栓，鋼板選用8 mm厚Q460D軋制鋼，鋼材應(yīng)滿足GB/T1591—2008《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》及GB/T19879—2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》的各項性能要求。Q460D鋼材的力學(xué)性能和應(yīng)力-應(yīng)變曲線如表1、圖2所示。

表1 Q460D鋼材的力學(xué)性能

圖2 Q460D鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試件幾何尺寸及板件開孔參數(shù)如表2、圖3所示，其中端距e1、邊距e2、螺栓間距p2，各數(shù)值均應(yīng)滿足規(guī)范GB50017—2003的規(guī)定，即e1≥2.0d0，e2≥1.5d0，p2≥3.0d0。

表2 試件幾何尺寸

圖3 板件開孔參數(shù)示意

1.2 加載裝置

采用500 kN MTS試驗機對連接板件進行靜力拉伸試驗，加載裝置和儀表布置如圖4、圖5所示。按相關(guān)技術(shù)標準[14]規(guī)定的加載方法，標準加載前先預(yù)加載至5 kN后卸載至零，以確保各儀表及加載裝置正常運行，正式加載的速率為1 kN/s。位移和應(yīng)變通過TDS-303采集儀記錄，作動器施加的力和位移由MTS伺服加載系統(tǒng)記錄。

圖4 加載裝置

圖5 測點布置

1.3 螺栓預(yù)拉力

采用扭矩扳手對高強度螺栓施加預(yù)拉力，按現(xiàn)行規(guī)程[15]規(guī)定，高強螺栓的施工終擰扭矩由式(1)確定，初擰扭矩取0.5Tc，順序沿中間向兩端逐個進行。

Tc=kPcd=0.15×170×20=510 N·m

(1)

式中，Tc為終擰扭矩；k為高強度螺栓連接扭矩系數(shù)平均值，建議取0.11～0.15；Pc為高強度螺栓施工預(yù)拉力，取170 kN；d為高強度螺栓公稱直徑，mm。

2 試驗結(jié)果及破壞模式

2.1 試驗現(xiàn)象

SPE2、SPE12試驗過程及加載曲線如圖6所示。加載初期，連接板接觸面沒有發(fā)生滑動，試件主要靠板間接觸面的摩擦力傳遞荷載，處于摩擦階段。當作用在連接板上的剪力超過摩擦力時，試件有輕微響聲，繼續(xù)加載后有較大水平滑移段，側(cè)面可看到板間的相對位移顯著增大，如圖7所示?；浦饕煽妆谂c螺桿的間隙及孔壁變形產(chǎn)生，伴有較大響聲。螺栓桿與孔壁緊密接觸后，進入承壓階段，試件主要依靠鋼板承壓和螺栓抗剪傳遞水平荷載，栓孔附近的鋼材開始擠壓變形，伴隨巨大響聲，鋼板表面的氧化皮層脫落，該階段水平位移增量遠大于荷載增量。加載后期試件變形量較大，曲線斜率逐漸放緩，曲線下降，試件喪失承載能力，試驗結(jié)束。兩試件均經(jīng)歷了摩擦、滑移、承壓及破壞階段。SPE2和SPE12的極限承載力分別比規(guī)范理論計算值提高28.21%和13.37%。

圖6 荷載-位移曲線

2.2 破壞模式

20組試件主要破壞模式有以下幾種。

SPE1～4的螺栓間距由3.5d0減小到2d0，破壞模式由孔前擠推變?yōu)榛旌掀茐?；SPE5、SPE2、SPE6、SPE7邊距由2d0減小至1.0d0，破壞模式由孔前擠推變?yōu)榛旌掀茐模瑴p小為d0時發(fā)生凈截面破壞；SPE8、SPE2、SPE9、SPE10端距由2.5d0減小至1.0d0，破壞模式由凈截面破壞變?yōu)榛旌掀茐?，減小為1.0d0時發(fā)生端部撕裂破壞。SPE11～20荷載位移曲線與圖6類似，孔被拉長后，鋼板在延展最小截面處斷裂，發(fā)生圖8所示凈截面破壞。SPE1-SPE20試件中螺栓孔典型的破壞形式如圖9所示。

圖7 試件滑移

圖8 破壞形式

通過對20組Q460D高強度鋼板螺栓抗剪連接試件的靜力承載力試驗可得出，端距、邊距及螺栓間距等幾何參數(shù)對試件極限承載力有較大影響，且?guī)缀螀?shù)在限定范圍內(nèi)時，破壞模式之間存在一定的關(guān)聯(lián)。

圖9 破壞模式

3 理論設(shè)計方法分析

目前，各國規(guī)范對普通鋼材螺栓抗剪連接的設(shè)計思路略有不同，但都基本包含螺栓抗剪強度驗算和鋼板承壓強度驗算兩部分內(nèi)容，而對高強度鋼材的螺栓抗剪連接均沒有明確的設(shè)計方法。故本文在借鑒普通鋼材承壓型抗剪連接計算方法的基礎(chǔ)上，與試驗數(shù)值進行對比分析，找出各國規(guī)范與試驗數(shù)值和破壞模式的差異。

3.1 GB50017規(guī)范

我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范并未涉及Q460D及以上高強度鋼材連接的具體強度指標和設(shè)計方法，承壓型連接仍沿用現(xiàn)有規(guī)范計算公式。

螺栓抗剪

(2)

鋼板承壓

(3)

3.2 EC3規(guī)范

抗剪承載力設(shè)計值

(4)

鋼板承壓設(shè)計值

(5)

式(4)、式(5)中，F(xiàn)v，Rd為螺栓抗剪承載力設(shè)計值；Fb，Rd為鋼板承壓承載力設(shè)計值；γM2=1.25；αb為是否過螺紋的調(diào)整系數(shù)值0.5；A為螺栓截面積；fub為螺栓抗拉強度，10.9級螺栓取1 000 MPa；fu為鋼板抗拉強度，由材性得知為591.97 MPa；d為螺栓直徑；t為鋼板厚度。

(6)

(7)

其中，e1≥1.2d0，e2≥1.2d0，p2≥2.4d0。

3.3 ANSI規(guī)范

抗剪承載力設(shè)計值

Rn=φFnAb

(8)

鋼板承壓設(shè)計值

Rb=φ1.2LctFu≤φ2.4dtFu

(9)

式中，Rn為螺栓抗剪承載力設(shè)計值；Rb為鋼板承壓承載力設(shè)計值；φ=0.75；Fn為螺栓抗剪強度；Ab為螺栓有效截面積；Lc為鋼板端部到螺栓孔凈距；d為螺栓直徑；t為鋼板厚度；Fu為鋼板抗拉強度。

3.4 理論與試驗數(shù)值對比分析

采用各國規(guī)范計算值與試驗數(shù)值對比情況如圖10所示，圖中橫坐標FR為規(guī)范計算的承壓承載力設(shè)計值，縱坐標為試驗試件的極限承載力P。EC3規(guī)范認為鋼板承壓強度與螺栓連接構(gòu)造及鋼材抗拉強度有關(guān)，綜合考慮了螺栓端距和邊距的影響，并給出了具體的計算公式，較好的反映了參數(shù)對承載性能的影響，理論計算值基本符合試驗結(jié)果，但對破壞模式的預(yù)估與實際有所差異，且理論計算值偏保守；ANSI規(guī)范僅考慮了端距對承載能力的影響，未考慮螺栓邊距和間距的影響。對螺栓橫向布置的連接，規(guī)范的適用性較強，而對于螺栓縱向布置的連接，理論計算值均偏大，偏于不安全；GB50017規(guī)范中對于螺栓間距等參數(shù)通過構(gòu)造要求進行限定，未直接反映到計算公式中。高強度鋼材承壓強度設(shè)計值仍沿用普通鋼材的規(guī)定，其值明顯偏低，不利于高強度鋼材性能的發(fā)揮，其理論計算值相對其他規(guī)范更偏于保守。

圖10 規(guī)范計算值與試驗數(shù)值對比

4 結(jié)論

通過對20組Q460D高強度鋼板螺栓抗剪連接試件的靜力承載力試驗及理論設(shè)計方法分析，可得出以下結(jié)論。

(1)螺栓的排列方式，螺栓孔端距、邊距及螺栓間距等幾何參數(shù)對試件極限承載力有較大影響，且?guī)缀螀?shù)在限定范圍內(nèi)時，破壞模式之間存在一定關(guān)聯(lián)。

(2)EC3規(guī)范能較真實地反映試件隨端距和邊距的變化；ANSI規(guī)范僅考慮了端距對承載能力的影響，但未考慮螺栓邊距和間距的影響。

(3)對于Q460D高強鋼材螺栓抗剪連接承載力計算，EC3規(guī)范和ANSI規(guī)范都不能很好地反映其破壞模式和承載力。EC3規(guī)范理論計算值偏保守，ANSI規(guī)范對螺栓橫向布置的連接適用性較強，而對于螺栓縱向布置的連接計算偏于不安全。

(4)GB50017規(guī)范的理論計算值相對其他規(guī)范更偏于保守，為了全面地得到高強度鋼材螺栓抗剪連接性能，須進行系列的參數(shù)化分析，以完善規(guī)范設(shè)計方法，便于高強度鋼材的推廣應(yīng)用。

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