郭俊杰， 朱 華， 周 安

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院 ，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

冷彎薄壁型鋼因為輕質、高強等優(yōu)勢被大量應用于工業(yè)廠房、民用建筑中[1,2]。冷彎薄壁型鋼的常見連接方式有普通螺栓連接、自攻螺釘連接等。高強螺栓在受到外荷載作用前被施加了很大的預緊力，接觸面間會產生很大的摩擦力，能夠阻止接觸面相對滑移，進而提升結構的整體工作性能[3]。目前，高強螺栓連接主要用于普通鋼結構，若將高強螺栓連接應用于冷彎薄壁型鋼加固等工程實踐，則對冷彎薄壁型鋼結構體系的抗剪承載能力會有一定的提升。同時，對于冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪性能的研究較少，相關參數包括扭矩系數、扭矩值、預緊力等并沒有相關規(guī)定。本文采用試驗與模擬相結合方法，對冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪性能進行了研究。

1 冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪性能試驗

1.1 試件設計

本文抗剪試件規(guī)格基本按照《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》(GB 50205-2001)[4]，《鋼結構高強度螺栓連接技術規(guī)程》(JGJ 82-2011)[5]內高強螺栓連接抗滑移試驗的要求和方法進行設計，構件的主要組成部分是蓋板、芯板及12.9級M8高強螺栓，以及配套的高強螺栓墊片。每套試件(圖1)有2塊芯板，2塊蓋板，4顆高強螺栓以及8個高強螺栓墊片，并且芯板與芯板(圖2)、蓋板與蓋板(圖3)尺寸均相同。螺孔與墊片內孔直徑均大于螺桿直徑2 mm。墊片直徑為20 mm。

圖1 冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接件實物圖

圖2 芯板尺寸示意圖

圖3 蓋板尺寸示意圖

1.2 試件制作

本次試驗考慮主要因素是施加預緊扭矩，螺栓的預緊力通過扭矩扳手施加，試件組裝時按照施加不同扭矩進行分組。分組見表1。

表1 不同扭矩值試件分組

1.3 試件加載

本次抗剪試驗加載設備為萬能試驗機，利用位移進行控制。試驗過程中力與位移數據由試驗機直接采集獲得。加載初期彈性階段加載速度0.05 mm/min,線彈性階段過后加載速度改為0.5 mm/min，圖像平穩(wěn)后采用1.0 mm/min加載速度，直至試件破壞。

1.4 試驗現象

所有試件在加載初期均有彈性階段，且近乎相同，即加載位移與剪力呈線性關系。線彈性階段過后，施加不同扭矩的試件的力位移圖開始出現差別。施加扭矩小于等于5 N·m的試件，即試件Z2.5、Z3.5、Z5，彈性階段后開始出現明顯滑移，剪力無明顯變化，然后螺桿開使承壓，剪力隨著位移的增加而增大直至達到峰值，試件破壞；施加扭矩大于5 N·m的試件,即試件Z7、Z9、Z13、Z15、Z18、Z20、Z30，彈性階段后,隨著位移的增大，剪力仍上升，且不同試件上升幅度不一樣，沒有一定規(guī)律，直至破壞。連接件的破壞形式都是芯板被螺栓桿剪斷破壞。本文抗剪構件主要破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件主要破壞形式

2 冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪性能有限元模擬

2.1 模型的建立

利用ABAQUS建立抗剪連接件半結構模型，包括螺栓、芯板、蓋板，其中將螺栓墊片以及螺母視為一體，尺寸與試驗試件尺寸相同，單元采用C3D8R。板材屈服強度為235 MPa,抗拉強度380 MPa；高強螺栓屈服強度為1 080 MPa,抗拉強度為1 200 MPa，彈性模量E都為2.06×105N/mm2，泊松比v=0.3。網格劃分為2 mm。對上下蓋板左邊橫斷面固定，對芯板右邊橫斷面進行位移加載，螺栓預緊力用螺栓荷載加載。試件接觸面主要包括蓋板與芯板、螺栓與蓋板和孔壁接觸。相互作用中,切向庫侖摩擦系數根據《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》(GB50018-2002)取0.25[6]，法相為硬接觸。

2.2 有限元模擬主要內容

本次有限元模擬的主要內容是對抗剪試驗中施加扭矩值小于等于5 N·m的試件進行抗剪試驗模擬，對其進行位移加載。本次有限元模擬試件主要分組見表2，如圖5所示。

表2 有限元模型分組

圖5 抗剪試件

3 冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪承載能力分析

3.1 試驗結果分析

不同扭矩下冷彎薄壁型鋼高強螺栓抗剪連接件抗剪試驗力位移圖像如圖6所示。

圖6 不同扭矩下連接件抗剪試驗力位移圖

由圖6可知，對于施加扭矩小于5 N·m的試件，即試件Z2.5、Z3.5和試件Z5具有明顯的滑移段；而對于施加力矩大于5 N·m試件，即試件Z7、Z9、Z13、Z15、Z18、Z20和試件Z30，力位移曲線傾斜段隨著施加扭矩的增大而有所波動，沒有一定規(guī)律，但是最大值在32 kN到35 kN范圍內穩(wěn)定；20 N·m為本試驗抗剪試件極限扭矩，更大的扭矩值對試件抗剪性能影響不明顯。

現對試件Z2.5、Z3.5和試件Z5圖像進行分析，該組試件力位移圖如圖7所示。

圖7 試件Z2.5，Z3.5和Z5力位移圖

對該組試件曲線進行分析，發(fā)現施加扭矩小于等于5 N·m時，冷彎薄壁型鋼高強螺栓抗剪連接件抗剪全過程的圖像基本與普通高強螺栓連接厚板的抗剪過程相同，分別為摩擦傳力階段、相對滑移階段、螺栓桿與螺栓孔壁承壓傳力階段、破壞階段。

3.2 有限元模型計算結果與試驗結果對比分析

將有限元模擬抗剪曲線與試驗曲線進行抗剪性能對比分析。對比曲線如圖8～圖10所示。

圖8 Z 2.5試件曲線

圖9 Z3.5試件曲線

圖10 Z5試件曲線

對該組曲線分析可知，摩擦傳力階段有限元曲線與試驗曲線基本吻合；滑移階段二者位移量有所差別，主要是因為有限元模擬的是半結構，位移量也減半；螺桿與螺孔壁承壓傳力階段位移量差值主要是因為有限元模擬較理想，位移為凈值，而試驗曲線位移影響因素較多，包括夾具的滑移：破壞階段曲線二者基本吻合；有限元模擬與試驗的摩擦階段抗剪承載力與承壓階段抗剪承載力大小基本一致，說明抗剪試驗模擬準確。

4 冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪承載能力計算

根據抗剪試驗與有限元計算結果綜合分析，結合相關規(guī)范，現對施加扭矩值小于5 N·m情況下的抗剪連接提出對應承載能力計算公式。

(1) 摩擦型冷彎薄壁型鋼高強螺栓抗剪承載力計算公式：

(1)

式中:k1為調整系數，取0.9；k2是孔型系數,標準孔為1.0，大圓孔為0.85，當荷載和孔長方向垂直時取值0.7，當荷載平行于孔長方向時取值0.6；nf是傳力摩擦面?zhèn)€數；μ摩擦系數，取0.25。

(2)承壓型冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪承載力計算公式：

(2)

表3 摩擦型連接抗剪承載力對比表

表4 承壓型連接抗剪承載力對比表

由表3和表4可知，摩擦型與承壓型冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪承載能力計算公式基本滿足要求，計算可靠。

5 結 論

(1)施加扭矩值小于等于5 N·m時，抗剪連接件抗剪性能曲線基本與普通高強螺栓連接厚板的抗剪性能曲線相同，分別為摩擦傳力階段、相對滑移階段、螺栓桿與螺栓孔壁承壓傳力階段、破壞階段四個階段；20 N·m為本試驗抗剪試件極限扭矩，更大的扭矩值對試件抗剪性能影響不明顯。

(2)使用有限元分析軟件ABAQUS對冷彎薄壁型鋼高強螺栓連接抗剪性能試驗的數值模擬結果與試驗結果吻合，證明了本文有限元分析模型是可靠的。

(3)根據試驗與有限元模擬結果推導出施加扭矩值小于5 N·m情況下的抗剪連接承載能力計算公式，將有限元分析計算值、試驗值和公式計算值進行對比，驗證了抗剪承載力公式的合理性。