何敏秀，鄺海峰，徐其功，翟鏡雄，羅沐鑫，莫志鵬，韋樹(shù)軍

（1、廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州510010；2、廣東省鋁遊家科技有限公司 廣東肇慶526200）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，鋁合金材料相比鋼材具有自重輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、美觀、后期維護(hù)成本低等特點(diǎn)，且可重復(fù)利用［1-3］、現(xiàn)場(chǎng)裝配、施工方便快捷，在城市人行天橋的應(yīng)用中具有很好的發(fā)展前景［4］，已在鋁合金天橋工程中得到實(shí)際應(yīng)用［3］。但因其熱變形大、熱穩(wěn)定性差，焊接會(huì)降低鋁合金母材的強(qiáng)度［5］，不能通過(guò)熱處理來(lái)提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，因此采用螺栓連接的方式在鋁合金連接中的應(yīng)用范圍多用于鋼結(jié)構(gòu)［6］。在現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50429-2007》［7］中只給出了鋁合金板材與鋁合金板材連接（見(jiàn)圖1）的螺栓承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式，而在實(shí)際工程中，一般都是采用型材如鋁合金方管、鋁槽通過(guò)螺栓來(lái)裝配連接（見(jiàn)圖2）、李欣宜［8］以某跨街鋁合金人行天橋工程為實(shí)例研究其結(jié)構(gòu)安全性，該橋上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用的型材為鋁合金方管和鋁槽裝配，但文獻(xiàn)［7］中未給出這種構(gòu)件連接螺栓的承載力計(jì)算公式，而在相關(guān)文獻(xiàn)［9-12］中也只是給出了鋁板和鋁板通過(guò)普通螺栓連接同時(shí)抗拉和抗剪承載性的一些研究。因此，本文主要通過(guò)計(jì)算規(guī)范中螺栓的承載力設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)測(cè)試鋁合金方管（或鋁合金板）與鋁槽型材裝配連接中螺栓的承載力，分析兩者的差異。為在工程實(shí)際運(yùn)用中提供一些參考。

圖1 鋁合金板材件螺栓連接Fig.1 Bolt Connection of Aluminum Alloy Sheet

1 試驗(yàn)用構(gòu)件和螺栓

1.1 按規(guī)范計(jì)算單個(gè)螺栓承載力

圖2 鋁合金方管螺栓連接示意圖Fig.2 Bolt Connection Diagram of Aluminum Alloy Rectangular Pipe

每個(gè)普通螺栓的承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)取受剪和承壓承載力設(shè)計(jì)值中的較小值，因此，在螺栓抗剪承載力控制的情況下，單個(gè)螺栓的承載力設(shè)計(jì)值分別為44.25 kN（直徑為φ12）和82.99 kN（直徑為φ16）。

1.2 試驗(yàn)構(gòu)件性能

本次試驗(yàn)鋁合金材料采用6082-T6，力學(xué)性能［13］如下：抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度f(wàn)=215 N/mm2，抗剪強(qiáng)度f(wàn)v=125 N/mm2，極限承載力為310 MPa，屈服強(qiáng)度為260 MPa。

2 螺栓承載力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)1：螺栓群承載力試驗(yàn)

本組試驗(yàn)為測(cè)試鋁合金方管與鋁槽型材通過(guò)3根長(zhǎng)不銹鋼螺栓連接長(zhǎng)不銹鋼螺栓的抗剪承載性能。試驗(yàn)中3個(gè)長(zhǎng)不銹鋼螺栓均尺寸為M16×215 mm，A4-70，包括螺母、彈簧、墊圈及1根120 mm×100 mm×9 mm的鋁合金方管、2 件290 mm×90 mm×45 mm×25 mm 鋁槽及若干鋁板裝配連接。螺栓群試驗(yàn)方案如圖3所示。

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

液壓泵、壓力千斤頂、壓力感測(cè)器及其顯示器、輔助支架等。

2.1.2 測(cè)試方法及程式

⑴把試件安裝在輔助支架上，將鋁方管垂直于鋁槽對(duì)齊，然后用3根M16螺栓將桿件連接起來(lái)；

⑵將液壓泵、壓力千斤頂，感測(cè)器等安裝在輔助支架上；試驗(yàn)的裝置如圖3所示；

⑶進(jìn)行加載前首先在水平方向施加20 kN 的拉力10 s 使所有連接件的空隙消除。并檢查所有儀器設(shè)備是否處于一條直線上。

⑷分別按照200 kN、250 kN、300 kN 持續(xù)1 min加荷，觀察螺栓及桿件變形，并記錄。如果荷載增至300kN并保持1min沒(méi)有出現(xiàn)功能破壞，則繼續(xù)以10kN/級(jí)繼續(xù)對(duì)試件施加荷載并每級(jí)保持1 min，直到目測(cè)觀察到螺栓發(fā)生變形為止。

圖3 螺栓群試驗(yàn)裝置Fig.3 Bolt Group Test Device

⑸試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)荷載為200 kN、250 kN、300 kN 時(shí)都沒(méi)有出現(xiàn)螺栓和桿件發(fā)生變形及破壞，當(dāng)荷載增至最大值310.12 kN 時(shí)，試件也沒(méi)有出現(xiàn)功能破壞。由于試驗(yàn)設(shè)備限制，在肉眼可見(jiàn)構(gòu)件未出現(xiàn)變形破壞的情況下，終止了試驗(yàn)。測(cè)試后的試件如圖4所示。

圖4 測(cè)試后的試件Fig.4 Test Piece after Test

2.2 試驗(yàn)2：?jiǎn)胃菟ㄟB接承載力試驗(yàn)

本組試驗(yàn)為通過(guò)測(cè)試文獻(xiàn)［7］中單根螺栓在板件的抗剪承載力和鋁方管的抗剪承載力。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)A（見(jiàn)圖5）和試驗(yàn)B（見(jiàn)圖6）2 組試驗(yàn)。試驗(yàn)A 不銹鋼長(zhǎng)螺栓為M12×215 mm，A4-70，包括螺母、彈簧和墊圈及1 根120 mm×100 mm×9 mm 的鋁方管與2 件290 mm×90 mm×45 mm×25 mm 鋁槽裝配連接。試驗(yàn)B 不銹鋼螺栓為M12×113 mm，A4-70，包括螺母、彈簧和墊圈，其它均與試驗(yàn)1相同。

圖5 試驗(yàn)A裝置Fig.5 Test A Device

圖6 試驗(yàn)B裝置Fig.6 Test B Device

試驗(yàn)A：A 型樣品裝配形式（鋁方管與2 件鋁槽裝配連接）；試驗(yàn)B：B 型樣品裝配形式（鋁板與2 根鋁槽裝配連接）。

測(cè)試方法及程式：

⑴選用的試驗(yàn)儀器及安裝步驟同試驗(yàn)1；

⑵試驗(yàn)A、試驗(yàn)B中每種裝配類型樣品同時(shí)制作了3 個(gè)試樣，每個(gè)試樣分別按照50 kN、60 kN 持續(xù)1 min 加荷，觀察螺栓及桿件的變形，并記錄。如果荷載增至60 kN并保持1 min沒(méi)有出現(xiàn)功能破壞，則繼續(xù)以10 kN/級(jí)繼續(xù)對(duì)試件施加荷載并每級(jí)保持1 min，直到目測(cè)觀察到螺栓發(fā)生變形為止。

⑶試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)期間，在所有試件樣品中加載到110 kN時(shí)，沒(méi)有觀察到試樣出現(xiàn)明顯的變形或破壞。為了達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，我們?duì)試樣加載到破壞才終止試驗(yàn)。試驗(yàn)A、試驗(yàn)B加載階段的位移感測(cè)器讀數(shù)如表1所示，位移曲線如圖7所示，測(cè)試后螺栓變形情況如圖8所示。

表1 試驗(yàn)A和試驗(yàn)B的位移讀數(shù)Tab.1 Displacement Reading of Test A and Tset B（mm）

圖7 荷載位移曲線Fig.7 Load Displacement Curve

2.3 結(jié)果分析

試驗(yàn)1 的3 根M16 的不銹鋼長(zhǎng)螺栓抗剪試驗(yàn)，試驗(yàn)荷載加到310 kN時(shí)試件仍完好，由于受加載設(shè)備的限制未加載到破壞。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，3 根M16 螺栓承載力設(shè)計(jì)值249 kN，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明材料分項(xiàng)系數(shù)能達(dá)到1.25。試驗(yàn)2 的B 型試樣適用文獻(xiàn)［7］的計(jì)算公式，3 根試樣抗剪破壞力與按文獻(xiàn)［7］的計(jì)算承載力設(shè)計(jì)值之比分別達(dá)到3.16、3.16、2.94，且第3根試件加載鋁合金板螺栓孔的局部承壓破壞先于螺栓剪斷。試驗(yàn)2的A 型試樣模擬實(shí)際工程節(jié)點(diǎn)，不適用文獻(xiàn)［7］的計(jì)算公式，3根試樣抗剪破壞力與按文獻(xiàn)［7］的計(jì)算承載力設(shè)計(jì)值之比分別達(dá)到3.16、3.16、3.39，均不小于試驗(yàn)2的B型；但變形比試驗(yàn)2的B型略大。

圖8 測(cè)試后螺栓變形情況Fig.8 Bolt Deformation after Test

3 結(jié)論

本文主要通過(guò)計(jì)算文獻(xiàn)［7］中螺栓承載力的設(shè)計(jì)值以及通過(guò)設(shè)計(jì)2 組試驗(yàn)，測(cè)試鋁合金人行天橋工程中常見(jiàn)節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接螺栓的抗剪承載力，通過(guò)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

⑴鋁合金桁架人行天橋鋁合金方管與鋁合金方管或鋁槽連接采用螺栓連接時(shí)，螺栓承載力的計(jì)算直接套用文獻(xiàn)［7］中的公式，結(jié)構(gòu)是偏于安全的。

⑵連接鋁合金方管的螺栓變形比文獻(xiàn)［7］給出的板與板連接螺栓變形略大。