段留省，周天華，蘇明周，李 慧

(1. 長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061；2. 西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；3. 恒大地產(chǎn)集團西安有限公司，陜西 西安 710000)

高強鋼芯筒-螺栓連接副裝配式鋼管柱節(jié)點通過一種新型單邊張緊高強螺栓連接副完成連接，該連接副由高強鋼板和高強螺栓配合而成，鋼板攻絲后替代螺母.裝配時將鋼板焊接成芯筒并攻絲，插入鋼管柱節(jié)點位置，高強螺栓由外向內(nèi)穿過鋼管柱壁板，旋入柱內(nèi)的鋼板絲孔并擰緊.關于這種新型單邊連接副的研究較少，尤其是抗拉性能.傳統(tǒng)單邊螺栓可用于鋼管柱螺栓連接，但存在錨固不足的缺陷[1]，為改善單邊螺栓抗拔能力，有學者提出帶擴大端單邊螺栓[2]，抗拉試驗表明混凝土強度對錨固效果影響顯著[3-4].也有學者將鋼板貼焊于鋼管柱外側，開孔攻絲后再與高強螺栓連接，試驗表明這種連接方式容易出現(xiàn)鋼板變形、螺紋脫扣、螺栓拔出的問題[5-8].原因可能是鋼板抗拉強度不足和板厚較小.當降低螺栓強度等級并加大鋼板厚度時，鋼板螺紋脫扣現(xiàn)象消失，能夠達到等效剛接[9-10].當高強螺栓擰入長度比原設計減少2個嚙合數(shù)時，螺栓球節(jié)點發(fā)生螺栓拔出破壞[11].關于高強螺栓抗拉承載力計算，劉秀麗等[12]通過有限元分析提出考慮撬力的高強螺栓抗拉承載力計算公式，陳紹蕃[12]建議高強螺栓抗拉承載力設計值取螺桿極限抗拉荷載的70%，需試驗驗證.

本文高強螺栓等級為10.9級，選用Q460高強鋼板替代螺母，并與螺母常用材質45號鋼、低合金高強鋼Q345鋼進行對比，以期獲得現(xiàn)有高強螺栓的最優(yōu)配合鋼材牌號和厚度.

1 試驗概況

1.1 試驗設計與材料性能

根據(jù)《螺母設計指南》(GB/Z32564-2016)[13]的設計原則，靜態(tài)拉力下連接副不應發(fā)生脫扣，原因是這種破壞不易發(fā)現(xiàn).故鋼板攻絲孔內(nèi)螺紋脫扣荷載FSn應高于螺栓最小拉力荷載Pn.影響鋼板內(nèi)螺紋脫扣荷載的主要因素是鋼板厚度和鋼材抗拉強度.鋼板內(nèi)螺紋脫扣荷載FSn可按(1)公式估算，初步選取鋼板厚度.但鋼板不能完全等同于螺母，原因是鋼板內(nèi)螺紋由工廠簡易加工，機械精度不及標準螺母，且鋼板尺寸也遠大于螺母外輪廓尺寸，計算結果的可靠性須經(jīng)試驗進一步驗證.

Fsn=0.6RmnASnC1C3

(1)

其中：C1為鋼板(螺母)擴張的修正系數(shù)；C3為螺紋彎曲影響螺母脫扣強度的影響系數(shù)；Rmn為鋼板(螺母)抗拉強度；ASn為內(nèi)螺紋承剪面積；選取45鋼、Q460C、Q345B三種鋼材作為研究對象，其中45鋼是螺母常用鋼材，后二者為低合金高強鋼；選后二者是為了克服45鋼焊接性較差的缺點，有利于鋼板芯筒焊接連接.鋼板材料性能見表1.

表1 鋼板材料性能

1.2 試驗裝置與試件編號

鋼板-連接副單調(diào)拉伸試驗裝置見圖1(a).安裝時將連接副的鋼板通過安裝螺栓固定于T形連接件，再將10.9級高強螺栓旋入攻絲孔，穿鋼板后露2～3個絲扣；螺桿和T形件分別在萬能試驗機的上下夾頭處夾緊，完成安裝.連接副的鋼板尺寸均為200×200，中心開孔攻絲，絲孔應滿足10.9級高強螺栓的配合精度，T形件詳圖見圖1(b).

圖1 螺栓拉伸試驗裝置Fig.1 Bolt tensile test setup

對于10.9級M16螺栓，鋼板厚度參照《鋼結構用高強度大六角螺母》(GB/T 1229-2006)[14]給定的螺母厚度16.4～17.1 mm，結合公式(1)計算結果取最小厚度為16 mm.對于45鋼，按“略厚(Thick)、標準(Standard)、略薄(Thin)”的原則選取三種厚度：20 mm、16 mm、14 mm.將20 mm和16 mm鋼板分為兩批，其中一批進行調(diào)質處理，另一批不做處理，考察材質處理對連接副抗拉承載力的影響.Q460C和Q345B鋼材均參照文獻[14]取標準厚度.連接副試件編號見表2.

1.3 測量內(nèi)容與試驗方法

為測定不同牌號鋼板-高強螺栓連接副的抗拉極限承載力，采用單調(diào)拉伸試驗方法，加載制度采用荷載控制方式，加載速度為1 kN/s.整個試驗在100 t萬能實驗機上完成，螺栓拉力荷載由試驗機自帶荷載傳感器測量，連接副的變形量由儀器內(nèi)部位移計測量.觀測項目為螺栓拉斷、脫扣拔出或鋼板變形等破壞現(xiàn)象.

表2 試件編號

注：14、16、18、20、22、25代表鋼板公稱厚度，-1、-2代表連接副編號；T代表調(diào)質處理；*代表組合鋼板厚度，即20=16+4.

2 試驗結果與分析

2.1 破壞模式

在調(diào)質45鋼板-螺栓連接副系列中，連接副M16-16-T、M16-20-T的螺栓在螺紋處發(fā)生斷裂，斷裂后螺桿可以從絲孔中取出，即絲孔完好可以重復使用.連接副M16-20、M16-16的破壞模式與調(diào)質系列相同，說明不調(diào)質也可滿足螺栓要求，為降低成本，45號鋼板不進行調(diào)質.

在45鋼板-螺栓連接副系列中，連接副M16-16、M20-20、M24-25的螺栓被拉斷圖2(a)，螺栓拉斷前存在明顯變形，屬于延性破壞；螺栓拉斷后取出，發(fā)現(xiàn)鋼板螺紋完好.連接副M16-14、M20-16、M24-20發(fā)生鋼板內(nèi)螺紋脫扣破壞圖2(b)，鋼板出現(xiàn)面外凸起變形圖2(c)，螺栓未被拉斷，破壞突然發(fā)生.

在Q460C鋼板-螺栓連接副系列中，連接副M16-16、M24-25的螺栓被拉斷，螺栓拉斷前變形明顯；M20-20連接副破壞時鋼板內(nèi)螺紋發(fā)生脫扣，這與預期不符.主要原因是連接副中20 mm厚鋼板并非一塊整板，而是由16 mm厚和4 mm兩塊鋼板貼焊而成的疊合板；雖一同鉆孔攻絲，但兩部分螺紋在板間并不連續(xù)，外側的螺紋承擔大部分拉力，相當于單張板厚度，面外剛度較小，鋼板內(nèi)螺紋承載力低，疊合板逐一脫扣滑牙.

在Q345B鋼板-螺栓連接副系列中，連接副M16-18、M16-22、M24-25的螺栓被拉斷的延性破壞，螺栓拉斷前的存在明顯變形.鋼板-螺栓連接副典型破壞現(xiàn)象見圖2.

圖2 鋼板-螺栓連接副抗拉試驗破壞現(xiàn)象Fig.2 Failure modes of steel plate-bolt assemblies in tensile test

2.2 極限承載力

45鋼板連接副單調(diào)拉伸試驗P-Δ曲線見圖3(a)、圖3(b)，其中P代表拉力荷載、Δ代表軸向變形.由圖3a可知，連接副M16-16-1、M16-16-T、M16-20-1、M16-20-T的極限荷載Pmax均超過10.9級M16螺母的最小拉力荷載Pn.由圖3(b)可知，連接副M16-16、M20-20、M24-25的極限荷載Pmax大于對應的螺母最小拉力荷載Pn，螺栓被拉斷；連接副M16-14、M20-16、M24-20的極限荷載Pmax略小于螺母的最小拉力荷載Pn，鋼板內(nèi)螺紋脫扣破壞.

圖3 45鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線Fig.3 45 grade steel plate-bolt assemblies P-Δ curves

45鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線分析見表3，表中t為鋼板厚度，F(xiàn)Sn為鋼板內(nèi)螺紋理論承載力，Pn為螺母最小拉力荷載，Pb為螺栓極限荷載，Pmax為連接副極限荷載.

由表可知，對于M16、M20和M24三種規(guī)格螺栓，略厚板和標準鋼板的內(nèi)螺紋承載力FSn大于螺母最小拉力荷載Pn，且大于螺栓極限荷載Pb，螺栓最終被拉斷；薄鋼板內(nèi)螺紋承載力FSn接近螺母最小拉力荷載Pn，小于螺栓極限荷載Pb，螺栓未被拉斷，破壞時鋼板內(nèi)螺紋脫扣.對比薄鋼板內(nèi)螺紋承載力的理論值FSn與試驗值Pmax發(fā)現(xiàn)，M16螺栓理論值比試驗值略大而M20、M24的偏小，差值在10%以內(nèi)，表明45號鋼螺紋承載力的理論公式較準確.

Q460C鋼板連接副的P-Δ曲線見圖4(a)，由圖可知，連接副M16-16、M24-25的極限荷載Pmax大于對應的螺母最小拉力荷載Pn，螺栓被拉斷.M20-20標準板連接副的極限荷載Pmax接近螺母最小拉力荷載Pn，但小于螺栓極限荷載Pb，發(fā)生鋼板內(nèi)螺紋發(fā)生脫扣破壞.表明理論計算會高估疊合板內(nèi)螺紋承載力.P-Δ曲線分析見表4，由表可知，M16、M20和M24三種規(guī)格螺栓，標準鋼板的內(nèi)螺紋承載力FSn大于螺母最小拉力荷載Pn，且大于螺栓極限荷載Pb，M16、M24的FSn比Pb分別高出9.21%、12.47%，螺栓最終被拉斷；M20由于鋼板加工問題未發(fā)生螺栓斷裂，不具有代表性.

表3 45鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線分析

Q345B鋼板連接副的P-Δ曲線見圖4(b)，由圖可知，連接副M16-18、M16-22、M24-25極限荷載Pmax大于對應的螺母最小拉力荷載Pn，故螺栓被拉斷.P-Δ曲線分析見表5，由表可知，M16、M20和M24三種規(guī)格螺栓，標準鋼板的內(nèi)螺紋承載力FSn大于螺母最小拉力荷載Pn，且大于螺栓極限荷載Pb，三者FSn比Pb分別高出18.88%、7.74%、7.45%，螺栓最終被拉斷.以上表明Q345B鋼板-螺栓連接副的鋼板厚度應不小于螺栓直徑d+(1～2) mm，即取常用鋼板厚度中比螺栓公稱直徑高一個規(guī)格的厚度.

圖4 高強度鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線Fig.4 High strength steel plate-bolt assemblies P-Δ curves

編號t/mmFSn/kNPb/kNPmax/kN(FSn- Pb)· P-1b/%破壞形式M16-16-116.3419217217111.43拉斷M16-16-216.091881721719.21拉斷M20-20-120.153032942472.79脫扣M20-20-220.123022942802.59脫扣M24-25-125.1144839739712.76拉斷M24-25-225.0644739739312.47拉斷

2.3 分析與討論

(1)45號鋼是高強螺母常用材質，能夠被低合金高強度鋼材替代的原因是二者抗拉強度接近.當采用強度較低的合金鋼時，需要增加一定鋼板厚度；若鋼材抗拉強度進一步降低，雖增加鋼板厚度可能也達不到螺母的最小拉力荷載，原因是螺紋嚙合部位最大應力出現(xiàn)在前三扣[15]，連接副在拉斷前就出現(xiàn)解扣式滑牙脫扣破壞，而不會出現(xiàn)螺栓拉斷破壞.

表5 Q345B鋼板-螺栓連接副P-Δ曲線分析

(2)不同厚度高強鋼板貼焊成疊合板，攻絲后與高強螺栓連接，破壞模式與整張板完全不同.原因是疊合板中兩部分螺紋緊貼但無有效連接措施，螺紋不連續(xù)，無法共同工作，外側的螺紋承擔大部分拉力，相當于單張板厚度，面外剛度較小，疊合板逐一被拉脫滑牙.

(3)考察45鋼、Q460C、Q345B不同厚度鋼板與M16、M20、M24的組合連接副極限抗拉承載力，為便于分析，采用無量綱化處理各組螺栓的承載力，各組合連接副的極限承載力對比見圖5.由圖可知，采用標準厚度的高強鋼板-螺栓組合連接副的承載力與螺桿極限承載力比值不小于0.85；考慮到加工和安裝誤差，折減15%，因而建議標準厚度高強鋼板-螺栓組合連接副抗拉承載力設計值Nbt=0.7Aeftb，其中Ae為螺栓有效面積，ftb為螺栓極限抗拉強度，這與文獻[8]一致.為謹慎起見，仍需擴大樣本數(shù)量進一步試驗驗證.

圖5 高強度鋼板-螺栓連接副抗拉承載力Fig.5 High strength steel plate-bolt assemblies tensile strength

(4)試驗未考慮鋼板攻絲孔與安裝螺栓孔的孔距對抗拉承載力的影響，即攻絲鋼板約束邊界范圍內(nèi)的有效寬厚比，擬通過試驗和有限元分析進一步探討該因素下連接副的破壞模式和抗拉承載力變化規(guī)律.

3 結論

(1)Q460C和Q345B均可作為45鋼的替代材料，滿足高強螺栓的強度要求和鋼結構的焊接要求.

(2)采用強度較高鋼材可減少連接副用鋼量，并為高強鋼芯筒-螺栓連接梁柱節(jié)點提供數(shù)設計參考.

(3)為保證鋼板-螺栓連接副不發(fā)生鋼板滑牙破壞，建議對于Q460C鋼板厚度不宜小于螺栓的公稱直徑d；Q345B鋼板厚度不宜小于螺栓直徑d+(1～2) mm.