郭兵姜亦鑫呂蘊(yùn)龍孫艷文

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100048)

0 引言

按受剪極限狀態(tài)不同，傳統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓連接分為摩擦型和承壓型兩類[1-4]，相關(guān)研究資料很多[5-8]。近些年在裝配式支吊架[9-10]中出現(xiàn)了高強(qiáng)度螺栓咬合型連接，如圖1所示，連接副由螺栓、長(zhǎng)條形螺母、彈簧等組成，螺母兩側(cè)和槽鋼兩個(gè)卷邊上均設(shè)有齒，其中槽鋼齒是在槽鋼冷彎成型過程中擠壓成型的。當(dāng)連接承受剪力V時(shí)，因槽鋼和連接件均鍍鋅，抗滑移系數(shù)小，容易發(fā)生滑移，連接件通過孔壁擠壓將V傳遞給螺栓桿，再通過螺母與槽鋼的齒咬合將V傳遞給槽鋼。由于連接件無需鉆孔，且螺栓定位和緊固方便，因此咬合型連接施工速度快。

圖1 高強(qiáng)度螺栓咬合型連接示意圖

咬合型連接的可能破壞模式有螺栓桿剪斷、連接件孔壁擠壓破壞、齒剪壞等3種。前兩種破壞模式所對(duì)應(yīng)的承載力與傳統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的承載力為計(jì)算方法相同，第三種破壞模式對(duì)應(yīng)的承載力目前還暫無計(jì)算方法。

很少有學(xué)者研究高強(qiáng)度螺栓咬合型連接問題。郭小農(nóng)等[11-12]、章顏等[13]提出了一種新型高強(qiáng)度螺栓咬合式連接，但咬合方式與圖1(b)不同，板件接觸面進(jìn)行了刨槽處理。郭兵等[14]針對(duì)高強(qiáng)度螺栓咬合型連接進(jìn)行了抗拉試驗(yàn)，并給出了抗拉承載力計(jì)算方法。羅干等[15]針對(duì)抗震支吊架連接構(gòu)件進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)咬合式連接在剪力作用下容易發(fā)生滑移。

目前，支吊架中高強(qiáng)度螺栓咬合型連接的抗剪承載力只能通過試驗(yàn)[10]確定，因此，文章展開了抗剪試驗(yàn)研究，目的是給出抗剪承載力的計(jì)算方法，同時(shí)也為編制T/CECS 731—2020《裝配式支吊架系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[16]提供依據(jù)。

1 單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

單個(gè)螺栓抗剪試件包括A、B兩個(gè)系列，A系列考慮槽鋼規(guī)格、高強(qiáng)度螺栓規(guī)格的影響，而B系列考慮螺栓安裝扭矩的影響。為具有充分說服力和廣泛代表性，試件由具有一定市場(chǎng)占有率的6家國內(nèi)外企業(yè)提供，對(duì)于同一組試件，每家企業(yè)提供的試件數(shù)量≥3個(gè)。

支吊架采用槽鋼(如圖2所示)不同于普通冷彎槽鋼，有二次卷邊，其壁厚t和截面高度h是可變化的，其余尺寸不變[16]，截面規(guī)格用“C截面寬度×截面高度×壁厚”表示，其中截面寬度和高度用整數(shù)表示，試驗(yàn)選取了工程中比較常用的3種規(guī)格(見表1)，材料均為Q235鋼。

圖2 支吊架用槽鋼的截面尺寸圖/mm

高強(qiáng)度螺栓可采用8.8、10.9級(jí)，試驗(yàn)選取8.8級(jí)。因槽鋼尺寸較小，螺栓規(guī)格僅限于M10和M12兩種，安裝扭矩依據(jù)GB/T 38053—2019《裝配式支吊架通用技術(shù)要求》[10]取值，分別為19和50 N·m。A系列試件見表1，共有66個(gè)試件。

表1 A系列試件參數(shù)表

采用B系列試件研究螺栓安裝扭矩的影響，共選取4個(gè)試件，見表2。采用齒形較好的乙企業(yè)的C41×41×2.0槽鋼和M12螺栓連接副，各試件僅安裝扭矩不同。

表2 B系列試件參數(shù)表

1.2 槽鋼實(shí)測(cè)強(qiáng)度和尺寸

采用線切割方法從槽鋼腹板中部沿槽鋼縱向切取材性試驗(yàn)樣條，進(jìn)行單向靜力拉伸，測(cè)得屈服強(qiáng)度fy、抗拉強(qiáng)度fu見表3。各企業(yè)槽鋼的實(shí)測(cè)值fy均明顯高于其名義值，但綜合fu來看，仍可判定為Q235鋼。

表3 槽鋼的實(shí)測(cè)強(qiáng)度和尺寸表

表3還給出了槽鋼壁厚t、齒深和齒距，齒形如圖3所示，由于國內(nèi)還沒有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)的差異性很大，有的齒深僅為0.3 mm，甚至出現(xiàn)了同一家企業(yè)不同規(guī)格槽鋼的齒深不相同的情況，而螺母是通用的，很容易出現(xiàn)咬合不良的現(xiàn)象，勢(shì)必影響其抗剪承載力。此外，各企業(yè)提供的配套連接件板厚均為4.0 mm，材料均為Q235鋼。

圖3 各企業(yè)不同規(guī)格的槽鋼齒形圖

1.3 螺母齒形和尺寸

6家企業(yè)的螺母齒形可分為交錯(cuò)三棱齒和平行齒兩類(如圖4所示)。各企業(yè)的螺母寬度基本相同，其平均值為19 mm，與螺栓直徑無關(guān)。因?yàn)槁菽笇挾葹槎ㄖ?，所以齒距大時(shí)齒數(shù)少。

圖4 螺母的齒形圖

1.4 試件尺寸及加載裝置

試件尺寸及加載裝置如圖5所示，槽鋼總長(zhǎng)度為250 mm，槽鋼背部通過兩個(gè)螺栓固定到L形加載底座上，受測(cè)螺栓位于槽鋼1/2長(zhǎng)度處，試驗(yàn)時(shí)利用加載桿頂壓連接件，使受測(cè)螺栓受剪，加載設(shè)備為SANS萬能試驗(yàn)機(jī)。

圖5 單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)的試件及裝置圖

加載采用位移控制，GB/T 38053—2019[10]建議加載速率不應(yīng)超過12.7 mm/min，考慮到齒距較小，為便于觀察，加載速率取5 mm/min。

1.5 A系列試件的試驗(yàn)結(jié)果與分析

A系列試件的螺栓桿、連接件孔壁均未發(fā)生破壞，其破壞模式均為齒剪切破壞。

甲、丁、戊、己4家企業(yè)試件的破壞模式均為螺母齒和槽鋼齒同時(shí)剪壞，如圖6、7所示。槽鋼齒被剪壞屬于正常破壞狀態(tài)，螺母在位移過程中不斷剪壞槽鋼齒，而螺母齒一旦被剪壞，將徹底喪失承載力。當(dāng)螺母為交錯(cuò)三棱齒時(shí)，因齒的受剪面積過小，很容易被剪壞；對(duì)于采用平行齒的螺母，被剪壞的主要原因是螺母材質(zhì)為Q235或Q355鋼，其強(qiáng)度、硬度與高強(qiáng)度螺栓不匹配，屬于不合格產(chǎn)品。槽鋼齒剪壞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效，不再羅列。

圖6 不同企業(yè)單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)的螺母齒剪壞模式圖

圖7 不同企業(yè)單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)的槽鋼齒剪壞模式圖

乙、丙兩家企業(yè)的螺母為平行齒，破壞模式均為槽鋼齒被剪壞，螺母齒完好無損，試件的荷載-位移曲線如圖8所示，無屈服平臺(tái)，與槽鋼齒附近的鋼材硬化有關(guān)。試件極限荷載Vu的平均值見表4，與螺栓直徑無明顯關(guān)系；A5兩組試件的極限荷載偏低，主要是螺母齒與槽鋼齒的匹配性較差。

表4 A系列試件的極限荷載表

圖8 A系列試件的荷載-位移曲線圖

1.6 B系列試件的試驗(yàn)結(jié)果與分析

B系列試件來自同一家企業(yè)，僅是螺栓安裝扭矩不同。試件破壞模式均為槽鋼齒被剪壞，荷載-位移曲線如圖9所示，B1的極限荷載偏低，其余試件區(qū)別不大，說明安裝扭矩達(dá)到一定數(shù)值(保證齒咬合)后，對(duì)承載力的影響很小。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，安裝扭矩過大時(shí)，螺栓預(yù)拉力會(huì)壓屈槽鋼卷邊，并使卷邊和齒發(fā)生歪斜，因此安裝扭矩不應(yīng)過大。根據(jù)槽鋼卷邊受壓屈服可以計(jì)算出高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力值，進(jìn)而得到安裝扭矩，扭矩值與螺栓的級(jí)別無關(guān)。建議M10、M12高強(qiáng)度螺栓的安裝扭矩可分別取25和45 N·m。

圖9 B系列試件的荷載-位移曲線圖

2 咬合型連接整體抗剪試驗(yàn)

2.1 試件設(shè)計(jì)及加載裝置

咬合型連接整體抗剪試驗(yàn)?zāi)軌蚍从硨?shí)際工程中連接的整體受力情況，同時(shí)也可與前面單個(gè)螺栓的抗剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。整體抗剪試件為C系列，見表5，試件尺寸及裝置如圖10所示，對(duì)稱布置。C系列試件仍由6家企業(yè)提供，幾何尺寸和材性與前面相同，共30個(gè)試件。

表5 C系列試件參數(shù)表

圖10 咬合型連接整體抗剪試驗(yàn)的試件尺寸圖/mm

咬合型連接整體抗剪試驗(yàn)的加載設(shè)備、加載速率與單個(gè)螺栓的抗剪試驗(yàn)相同，加載點(diǎn)位于橫梁跨中央，兩側(cè)連接受力相同。為防止加載點(diǎn)處橫梁發(fā)生破壞，設(shè)置了加載墊塊。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

與A系列試件類似，C系列試件的螺栓桿、連接件孔壁均未發(fā)生破壞。甲、丁、戊、己4家企業(yè)試件的破壞模式均為螺母齒和槽鋼齒同時(shí)剪壞，與A系列試件相同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效。乙、丙兩家企業(yè)試件的破壞模式均為槽鋼齒剪壞，試件兩側(cè)的連接基本同步破壞，荷載-位移曲線如圖11所示，其中縱坐標(biāo)為加載值的1/2，也即一側(cè)連接承擔(dān)的荷載，實(shí)測(cè)極限荷載Vu的平均值見表6。因試件C1~C4的槽鋼、螺栓均與試件A1~A4相同，對(duì)比表4和6后不難發(fā)現(xiàn)，連接整體抗剪承載力與單個(gè)螺栓抗剪承載力的平均偏差為3.4%，最大偏差為8.5%，說明單個(gè)螺栓抗剪試驗(yàn)?zāi)軌蚍磻?yīng)整體連接中螺栓的實(shí)際受力狀況。

表6 C系列試件的極限荷載表

圖11 不同企業(yè)C系列試件荷載-位移曲線圖

3 齒形要求及抗剪承載力

從上述試驗(yàn)中可以看出，對(duì)于有效試件，當(dāng)螺栓等級(jí)≥8.8級(jí)、規(guī)格≥M10、連接件厚度≥4 mm時(shí)，螺栓的抗剪承載力由槽鋼齒控制。由JGJ 82—2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[2]可知，8.8級(jí)承壓型M10螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為18.8 kN，略高于實(shí)測(cè)極限荷載最大值，理論極限抗剪承載力更高，顯然螺栓桿和孔壁不會(huì)發(fā)生破壞。

槽鋼齒的抗剪能力與槽鋼齒的剪切面積、鋼材強(qiáng)度有關(guān)。槽鋼與螺母的齒咬合情況如圖12所示，齒距為b，螺母齒端水平寬度為b1，則一個(gè)槽鋼齒的受剪寬度b2由式(1)表示為

圖12 槽鋼與螺母的齒咬合示意圖

因b、b1為定值，螺母齒壓得再深，b2也不會(huì)變，說明安裝時(shí)無需施加過大的扭矩，只要能夠保證齒咬合即可。盡管槽鋼齒是變厚度的，但剪切面距離齒底較近，剪切面處的齒厚度不會(huì)＜0.8t。假設(shè)螺母共n個(gè)齒，槽鋼受剪總齒數(shù)為2n，則槽鋼齒被剪壞時(shí)的極限荷載Vu由式(2)表示為

式中fvu為鋼材抗剪極限強(qiáng)度，可取0.577fu。

乙、丙兩家企業(yè)的螺母齒數(shù)n分別為4和5個(gè)，槽鋼齒的受剪寬度b2分別為3.5和2.0 mm，槽鋼壁厚t和抗拉強(qiáng)度fu見表3，將上述參數(shù)代入式(2)后得到的Vu理論值見表4，扣除齒咬合較差的兩組A5試件后，極限荷載理論值均低于實(shí)測(cè)值，平均偏低13.8%，最大偏低28.1%，主要是槽鋼齒的鋼材存在硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)測(cè)值偏高，因此用式(2)計(jì)算承載力是可行且偏安全的。

根據(jù)式(2)可得到單個(gè)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值Nv，由式(3)表示為

式中fv為鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

綜合各企業(yè)尤其是丙企業(yè)的齒形情況和試驗(yàn)結(jié)果，建議齒形采用下列數(shù)值:

(1)齒距b取3.0 mm，齒深h取1.2~1.5 mm，齒的咬合深度h不應(yīng)＜1.0 mm；

(2)螺母應(yīng)采用平行齒，齒端水平寬度b1取1.0 mm，螺母一側(cè)的齒數(shù)為6個(gè)。

將上述參數(shù)代入式(3)可得到單個(gè)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值，見表7。以壁厚為2.0和2.5 mm的Q235槽鋼為例，表6中的實(shí)測(cè)值約為表7中設(shè)計(jì)值的2倍，符合工程結(jié)構(gòu)可靠度的常規(guī)性要求。表7中的抗剪承載力設(shè)計(jì)值略加修改后(表中括號(hào)內(nèi)數(shù)值)被T/CECS 731—2020[16]采納。

表7 單個(gè)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值表

4 結(jié)論

通過對(duì)國內(nèi)外6家企業(yè)提供的100個(gè)試件的抗剪試驗(yàn)研究，可以得到如下結(jié)論:

(1)各企業(yè)生產(chǎn)的高強(qiáng)度螺栓咬合式連接的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，亟待出臺(tái)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材質(zhì)、齒形等提出統(tǒng)一要求。

(2)螺母的強(qiáng)度和硬度應(yīng)與高強(qiáng)度螺栓相匹配，螺母應(yīng)采用平行齒且與槽鋼齒咬合良好，否則螺母齒容易被剪壞；螺栓的安裝扭矩不宜過大，能夠保證齒咬合即可。

(3)當(dāng)高強(qiáng)度螺栓的規(guī)格≥M10、級(jí)別≥8.8級(jí)、連接件板厚≥4 mm時(shí)，破壞模式為槽鋼齒剪壞，抗剪承載力與槽鋼齒的剪切面積、抗剪強(qiáng)度有關(guān)。

(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了單個(gè)螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式，并給出了符合齒形要求的設(shè)計(jì)推薦值。

致謝

試驗(yàn)試件由參與編制T/CECS 731—2020《裝配式支吊架系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的6家企業(yè)提供，對(duì)這些企業(yè)的支持表示衷心感謝。