陳 偉，陳勵緯，陳盛根，張翼東，蘇意然，劉 彬

(1.公安部天津消防研究所 建筑消防工程技術公安部重點實驗室，天津 300381； 2.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點試驗室，江蘇 徐州 221116； 3.東南大學 混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096； 4.浙江建筑職業(yè)技術學院 建筑工程系，浙江 杭州 311231)

0 引 言

冷成型鋼房屋建筑結構是天然的綠色與工業(yè)化建筑，它將冷成型鋼構件相互連接形成輕鋼骨架，而后在輕鋼骨架上通過自攻螺釘連接覆面板材形成主體結構。中國人口眾多，土地資源緊張，又是世界上地震災害最為嚴重的國家之一，發(fā)展冷成型鋼房屋建筑符合中國基本國情[1]。

在冷成型鋼房屋建筑結構中，覆面板材與型鋼龍骨之間的自攻螺釘連接方式對該類結構的承載力、抗彎及抗側剛度均具有重要影響。已有研究大多針對輕鋼骨架同側單層覆板的自攻螺釘連接形式[2-11]，隨著結構層數(shù)的增加，有必要在輕鋼骨架的同側采用雙層覆板的自攻螺釘連接構造。然而，國內外對于冷成型鋼-雙層覆板自攻螺釘連接抗剪性能研究明顯不足[12-13]。此外，中國現(xiàn)行《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》[14]給出了冷成型鋼薄鋼板-薄鋼板自攻螺釘連接的抗剪強度計算公式，但尚未給出冷成型鋼-覆面板材自攻螺釘連接的抗剪強度計算公式。美國AISI規(guī)范[15]雖然給出了部分冷成型鋼-覆面板材自攻螺釘連接的抗剪強度建議值，但仍未完善。

鑒于此，本文展開冷成型鋼-石膏板自攻螺釘連接抗剪試驗研究，論證了試驗方案合理性，進而考察螺釘邊距和覆板層數(shù)對自攻螺釘連接抗剪強度的影響，并提出了相應計算公式，以供設計參考。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

本文試驗試件的組成材料包括12.5 mm厚防火石膏板、1.2 mm厚Q345冷成型鋼龍骨以及公稱直徑4.2 mm的沉頭自攻自鉆螺釘。國內外已有冷成型鋼-建筑板材自攻螺釘連接抗剪性能研究主要采用以下2種試驗方案：①多螺釘雙剪連接試驗方案(圖1)；②單螺釘單剪連接試驗方案(圖2)[12]。

在上述方案中，方案①更接近自攻螺釘在冷成型鋼結構中的實際受力狀態(tài)，但試件制作較為復雜，加工精度較難保證。相比之下，方案②優(yōu)勢在于試件制作簡單，然而，方案②試件在試驗中偏心受載，由此導致試驗結果存在一定偏差。本文將方案①進行優(yōu)化，即試件的一端規(guī)定為試驗端，對稱布置4顆自攻螺釘，試件的另一端為固定端，對稱布置16顆自攻螺釘，兩側型鋼龍骨再通過6處螺栓固定在加載用的鋼板上(圖3)。

該試驗方案的優(yōu)點在于，自攻螺釘無加載偏心，與實際受力狀態(tài)相符。同時，試件將在試驗端破壞，僅需保證試驗端的加工精度，試件制作較為簡便。

1.2 加載方式與試驗編號

試驗采用位移控制加載，對試件施加低周往復位移，如圖4所示。單層覆板和雙層覆板試件編號分別為CR-SDx-n和CR-DDx-n，其中x代表螺釘邊距，n代表同一組第n個試件，考察影響參數(shù)包括螺釘邊距(螺釘中心距石膏板邊緣的最短距離)和石膏板層數(shù)，其中，螺釘邊距選取10～30 mm，每5 mm設置1個試驗組，石膏板層數(shù)分為單層覆板和雙層覆板2種情況。試驗共計10個工況，每個工況至少重復3次試驗。

2 試驗結果

2.1 試驗現(xiàn)象

2.1.1 單層覆板連接試件

單層覆板試件當螺釘邊距較小(10 mm和15 mm)時，加載初期試件無明顯變化。隨著位移的增大，試件以螺釘為起點，在石膏板表面出現(xiàn)2條發(fā)散的水平裂縫；同時，石膏板端部出現(xiàn)裂縫，并快速發(fā)展為石膏板邊緣的局部豁口，破壞區(qū)域接近三角形狀；隨著位移進一步增大，破壞區(qū)域的石膏板發(fā)生脫落[圖5(a)]。

當螺釘邊距為20 mm和25 mm時，試件破壞過程有所改變。隨著位移的增大，螺釘上方石膏板表面出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，呈燈泡狀[圖5(b)]；在往復荷載作用下，由于螺釘?shù)耐鶑瓦\動，石膏板表面出現(xiàn)槽形缺口；同時，石膏板底部逐漸出現(xiàn)微小裂縫，且裂縫隨位移的增大逐步擴展貫通；此時，螺釘逐漸發(fā)生松動，并拔出石膏板，拔出過程伴隨有螺釘螺紋與型鋼龍骨摩擦產生的清脆響聲。

當螺釘邊距達到30 mm時，試驗試件存在少量螺釘傾斜現(xiàn)象，且石膏板在螺釘位置附近存在因螺釘傾斜擠壓而產生的彎折現(xiàn)象，如圖5(c)所示。

2.1.2 雙層覆板連接試件

試驗過程中，相同螺釘邊距的雙層覆板試件相對于單層覆板試件的破壞位移變小，且內層的石膏板一般先于外層石膏板發(fā)生破壞[圖6(a)]。螺釘邊距為10，15，20 mm時雙層覆板試件中內層石膏板底部最先出現(xiàn)裂縫。隨著位移的增大，內層石膏板逐漸開裂，外層石膏板隨后出現(xiàn)裂縫，同樣存在螺釘崩出時與龍骨摩擦產生的清脆響聲。在同側2層石膏板均發(fā)生破壞后，螺釘連接喪失抗剪承載力，如圖6(b)所示。

此外，在雙層覆板試件中，螺釘?shù)乃蓜蝇F(xiàn)象較單層覆板情況更為明顯。在邊距為25 mm和30 mm的雙層覆板試件中，由于螺釘邊距較大，致使試驗過程中出現(xiàn)較大位移。此時，自攻螺釘可能會完全脫離石膏板。此外，在石膏板背面，螺釘?shù)耐鶑鸵苿舆€通常會產生較長的槽形缺口[圖6(c)]。

2.2 試驗結果曲線

限于篇幅，圖7給出4個典型試件的荷載-位移曲線。定義試驗正向加載(荷載為正值)為試件的試驗端處自攻螺釘朝向石膏板板邊方向剪切滑動；反之，試驗負向加載(荷載為負值)為試件的試驗端處自攻螺釘朝向石膏板板內方向剪切滑動。

由圖7可知：往復加載時，試件的正向加載抗剪強度普遍小于負向加載抗剪強度，該現(xiàn)象在螺釘邊距為10 mm時尤為明顯，這是由于石膏板沿板邊方向與板內方向所具備的抗擠壓能力不同所導致。此外，部分試件在達到抗剪強度峰值后荷載-位移曲線發(fā)生突變，此時一般伴隨石膏板迅速開裂或者螺釘拔出等突發(fā)性現(xiàn)象。

表1為各試驗工況的平均試驗結果。由于試驗試件在試驗端共有4個螺釘對稱布置，因此單螺釘連接的抗剪強度為試件試驗承載力的1/4。此外，表1中試驗結果數(shù)據(jù)的變異系數(shù)平均值為0.09，試驗穩(wěn)定性良好。

3 分析與討論

3.1 螺釘邊距和覆板層數(shù)的影響

圖8為各試件單螺釘抗剪強度與螺釘邊距關系的試驗結果。由圖8和表1可知：

(1)連接試件的正向與負向抗剪強度均隨螺釘邊距增大呈增長趨勢；當螺釘邊距由25 mm變?yōu)?0mm時，單層覆板試件的正向與負向抗剪強度、雙層覆板試件的正向抗剪強度均出現(xiàn)小幅度下降。

表1 試件抗剪強度平均值Tab.1 Average Shear Strength of Specimens

(2)雙層覆板試件的抗剪強度明顯高于單層覆板試件，但尚未達到單層覆板試件抗剪強度的2倍，其中單螺釘正向抗剪強度的平均增量約為95 N，單螺釘負向抗剪強度平均增量約為324 N。

3.2 簡化公式

結合上述分析，提出冷成型鋼-石膏板自攻螺釘連接的抗剪強度簡化公式，如式(1)所示。偏于保守考慮，假定單層覆板試件的負向抗剪強度與正向抗剪強度一致。

P=αd[326+16.2(d-10)]

(1)

式中：P為冷成型鋼龍骨-石膏板連接試件的單螺釘抗剪強度；d為螺釘邊距，當螺釘邊距大于25 mm時取25 mm；αd為板層數(shù)調整系數(shù)，單層覆板螺釘連接時，αd取1.0，雙層覆板螺釘連接計算正向抗剪強度時，αd=1.5-0.02d，計算負向抗剪強度時，αd=2.2-0.02d。

圖9為簡化公式預測結果與試驗結果比較。單層覆板試件采用同一線性預測曲線；雙層覆板正向、雙層覆板負向試件采用不同的非線性抗剪強度預測曲線。圖10為簡化公式預測結果精度分析，預測結果與試驗結果比值的平均離散系數(shù)為13.3%，滿足工程精度要求。

4 結 語

(1)試驗試件主要呈現(xiàn)石膏板擠壓破壞，部分試件的自攻螺釘存在傾斜現(xiàn)象。不同螺釘邊距的試件破壞現(xiàn)象存在一定差異性。

(2)自攻螺釘連接的抗剪強度隨螺釘邊距增大呈增長趨勢，但當螺釘邊距超過25 mm時，抗剪強度增長趨勢不明顯。

(3)雙層石膏板覆面連接的抗剪強度明顯高于單層覆板情況，尤其負向抗剪強度增幅明顯，但尚未達到單層覆板試件抗剪強度的2倍。

(4)提出了冷成型鋼-石膏板自攻螺釘連接的抗剪強度簡化公式，可考慮覆板層數(shù)和螺釘邊距的影響，與試驗結果吻合良好。