馬 輝，強(qiáng)佳琪，張國恒，劉方達(dá)，劉喜洋

（1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710048；2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安 710048）

引言

面對日益嚴(yán)峻的能源安全形勢和生態(tài)環(huán)境壓力，人們越來越重視研究應(yīng)用可再生能源［1］。目前，全球各國大力倡導(dǎo)“節(jié)能環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展理念，太陽能作為一種綠色清潔能源，具有取之不盡、用之不竭的巨大優(yōu)勢，因此大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)意義重大。光伏發(fā)電作為一種可再生能源發(fā)電技術(shù)，具有安裝簡便、維修方便、無污染等優(yōu)點(diǎn)，受到各級政府的高度重視，應(yīng)用前景廣闊。光伏支架承載著光伏電站的主體結(jié)構(gòu)，選擇經(jīng)濟(jì)合理的光伏支架不但能降低工程造價，還可以減少后期養(yǎng)護(hù)成本［2］。光伏支架通常采用鋼支架，主要分為不銹鋼和冷彎薄壁鋼2種支架，如圖1和圖2所示。相較于不銹鋼光伏支架而言，冷彎薄壁鋼光伏支架具有結(jié)構(gòu)較輕、強(qiáng)度較高、節(jié)約鋼材等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用價值。

圖1 冷彎薄壁型鋼光伏支架Fig.1 Photovoltaic bracket with cold-formed thin-walled steel

圖2 鋁合金光伏支架Fig.2 Photovoltaic bracket with aluminum alloy

國內(nèi)學(xué)者主要針對冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究與理論分析［3-4］。沈祖炎等［5］參考《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002），采用二階矩概率法對屈服強(qiáng)度高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼軸心受壓構(gòu)件的可靠度進(jìn)行分析，確定其合理的計算模式、目標(biāo)可靠指標(biāo)及對應(yīng)強(qiáng)度設(shè)計指標(biāo)。盧林楓等［6］結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了中國規(guī)范及美國AISI規(guī)范對于計算單顆螺釘抗剪承載力計算公式的可靠性。謝志強(qiáng)等［7］提出了優(yōu)勢互補(bǔ)的螺釘-鉚釘混合連接，分析了現(xiàn)有承載力直接累加法的適用性，提出了改善的混合連接受剪承載力計算方法。閆維明等［8］對不同板厚組合下4種連接的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)規(guī)范計算結(jié)果過于保守，提出了基于相應(yīng)破壞模式下的設(shè)計計算方法。Dong等［9］在經(jīng)典屈曲應(yīng)力公式的基礎(chǔ)上，提出了冷彎薄壁型鋼受彎構(gòu)件簡化的扭曲屈曲應(yīng)力計算公式，并驗(yàn)證了其適用性。Dubina等［10］對冷彎薄壁型鋼構(gòu)件在單一和耦合失穩(wěn)模式下由于幾何缺陷導(dǎo)致的理論屈曲強(qiáng)度損傷進(jìn)行了評估。Xie等［11］研究了現(xiàn)有冷彎薄壁型鋼構(gòu)件自沖鉚釘連接計算方法的可行性，基于試驗(yàn)結(jié)果和分析，提出了一種新的節(jié)點(diǎn)抗拉強(qiáng)度設(shè)計方法。Zagari等［12］提出了一種基于Koiter方法的缺陷靈敏度分析方法，用以評價帶孔洞的托盤架冷彎構(gòu)件在壓縮過程中的性能，證明了該方法的可行性。Kulatunga等［13］對受壓荷載作用下帶襯砌槽截面柱構(gòu)件的承載力進(jìn)行了有限元研究，并與試驗(yàn)破壞荷載進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。目前，國內(nèi)外學(xué)者對冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架構(gòu)件連接力學(xué)性能的研究相對較少，而連接節(jié)點(diǎn)作為傳力的關(guān)鍵部位對于支架的安全至關(guān)重要，因此有必要展開相關(guān)研究。

文中將自攻螺釘和螺栓應(yīng)用于冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架構(gòu)件的連接，具有施工簡便、連接剛度好，承載力高等特點(diǎn)。為了解光伏支架構(gòu)件連接的力學(xué)性能，文中對光伏支架的連接試件進(jìn)行抗剪承載力試驗(yàn)研究，通過觀察其破壞過程及破壞現(xiàn)象，進(jìn)一步分析其荷載-位移曲線，得到其極限承載力，明確其受力破壞機(jī)理，為冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計與制作

設(shè)計制作了24個冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架構(gòu)件的連接試件，并進(jìn)行抗剪承載力試驗(yàn)研究，試驗(yàn)共分為4組，一組6個試件，長度均為350 mm，鋼板厚度均為2 mm，設(shè)計參數(shù)見表1。試驗(yàn)鋼材強(qiáng)度為G550，屈服強(qiáng)度為550 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為610 MPa，彈性模量為205 GPa，伸長率為14%，滿足《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T228.1-2010）對普通輕鋼規(guī)定的伸長率不低于10%的要求，螺栓采用M8.0，自攻螺釘采用ST4.8級，按照螺栓布置位置的不同設(shè)有2種連接方式，即試件的腹板螺栓連接和翼緣螺栓連接，自攻螺釘布置在冷彎薄壁型鋼的翼緣上，如圖3和圖4所示。

圖3 腹板螺栓連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of web bolt connection

圖4 翼緣螺栓連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of flange bolt connection

表1 試驗(yàn)設(shè)計參數(shù)Table 1 Experimental design parameters

1.2 試驗(yàn)裝置及加載制度

冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架連接件抗剪性能試驗(yàn)在西安理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載設(shè)備采用50 t MTS電液壓伺服儀，加載裝置如圖5所示。加載前檢查試件安裝及儀表等是否正常，試件安裝時進(jìn)行對中；開始加載后，采用近距離觀測、拍照及現(xiàn)場記錄等方法對試件的試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察分析。本次試驗(yàn)采用位移控制單調(diào)荷載加載，首先對試件進(jìn)行預(yù)加載，消除試件與夾具之間的滑移，然后采用1 mm/min的位移速率對試件進(jìn)行加載；當(dāng)試件的承載力下降到極限荷載的80%或不宜繼續(xù)承載時停止加載，試驗(yàn)結(jié)束，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計算機(jī)自動讀取。

圖5 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of test devices

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過程及破壞形態(tài)

本次試驗(yàn)部分典型的冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架連接件的破壞形態(tài)如圖6所示，主要描述如下：

（1）構(gòu)件翼緣螺栓連接受拉：加載初期，試件無明顯變化，隨著荷載逐漸增大，自攻螺釘發(fā)生稍許傾斜；當(dāng)加載至峰值荷載的60%左右時，端部的自攻螺釘被剪斷，與螺栓接觸的鋼板圓孔被拉長（部分鋼板孔壁被撕裂），同時伴有較小聲響，此后構(gòu)件之間的拉力通過螺栓傳遞；當(dāng)荷載增加至峰值荷載時，與螺栓連接的鋼材開始屈服，同時試件內(nèi)部發(fā)出鋼材的撕裂聲，加載至試件不宜繼續(xù)承載，試驗(yàn)結(jié)束。

（2）構(gòu)件翼緣螺栓連接受壓：加載初期，試件處于彈性，無明顯變化；當(dāng)加載至峰值荷載的40%左右時，試件中部出現(xiàn)輕微外鼓；加載至峰值荷載的65%左右時，試件中部出現(xiàn)較為明顯的鼓曲，且自攻螺釘被剪斷；當(dāng)荷載加載至峰值荷載時，與螺栓接觸的鋼材受壓屈服，直至試件不宜繼續(xù)承載。

（3）構(gòu)件腹板螺栓連接受拉：當(dāng)荷載增至峰值荷載的40%左右時，自攻螺釘被拉斜，隨后被剪斷，構(gòu)件之間的拉力通過螺栓傳遞；當(dāng)荷載增至峰值荷載時，螺栓孔受壓側(cè)首先因擠壓而發(fā)生褶皺變形，隨著荷載的持續(xù)增加，褶皺處被擠壓撕裂，螺栓被剪斷，加載至試件不宜繼續(xù)承載，試驗(yàn)結(jié)束。

（4）構(gòu)件腹板螺栓連接受壓：隨著荷載增加，自攻螺釘被壓彎；當(dāng)荷載增加至峰值荷載的40%左右時，自攻螺釘被剪斷，試件中部兩端翼緣向外鼓曲較為明顯；加載至峰值荷載時，與螺栓接觸的鋼材受壓屈服，螺栓孔逐漸變大且被撕裂，試件內(nèi)部發(fā)出鋼材撕裂聲，直至試件不宜繼續(xù)承載。

綜上所述，冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架構(gòu)件連接的破壞形態(tài)如下：在外荷載作用下，光伏支架構(gòu)件連接的自攻螺釘首先發(fā)生傾斜，然后自攻螺釘被剪斷，最后螺栓附近的冷彎薄壁鋼板被壓屈服，屬于典型的承壓破壞。

圖6 部分試件的破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of some specimens

2.2 荷載-位移曲線

通過抗剪性能試驗(yàn)，可以得到各個試件的荷載-位移曲線，如圖7～圖10所示。表2為各試件的極限承載力值。根據(jù)試件的荷載-位移曲線，可描述如下：

圖7 構(gòu)件翼緣螺栓連接受拉荷載-位移曲線Fig.7 Tension load-displacement curve of members of the bolt on the flange

圖8 構(gòu)件腹板螺栓連接受拉荷載-位移曲線Fig.8 Tension load-displacement curve of members of the bolt on the web

圖9 構(gòu)件翼緣螺栓連接受壓荷載-位移曲線Fig.9 Compression load-displacement curve of members of the bolt on the flange

圖10 構(gòu)件腹板螺栓連接受壓荷載-位移曲線Fig.10 Compression load-displacement curve of members of the bolt on the web

（1）構(gòu)件翼緣螺栓連接和構(gòu)件腹板螺栓連接的受拉荷載-位移曲線分析。由圖7和圖8可見，各試件的荷載-位移曲線變化較為相似，加載初期曲線基本呈線性增長，試件無明顯變形；當(dāng)曲線達(dá)到第一個峰值點(diǎn)時，自攻螺釘被剪斷，曲線逐漸下降，連接件之間的拉力改由螺栓承擔(dān)；繼續(xù)加載，曲線再次增長，直至出現(xiàn)第2個峰值點(diǎn)，此時與螺栓連接處的鋼材屈服，螺栓孔逐漸增大；隨后曲線呈明顯的下降趨勢。

（2）構(gòu)件翼緣螺栓連接和構(gòu)件腹板螺栓連接的受壓荷載-位移曲線分析。由圖9和圖10可見，各試件的荷載-位移曲線變化較為相似，加載初期，試件處于彈性狀態(tài)，荷載和位移基本呈正比例關(guān)系；加載至峰值荷載時，自攻螺釘被剪斷，曲線呈下降趨勢；繼續(xù)加載，曲線再次增長，與螺栓連接處的鋼材受壓屈服，螺栓孔逐漸變大；峰值過后，曲線呈明顯的波浪線形下降趨勢。

表2 試件的極限承載力值Table 2 Ultimate bearing capacity of specimens

3 連接件承載力分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，試件達(dá)到峰值荷載時，翼緣上的自攻螺釘首先被剪斷，其次是與螺栓連接處的冷彎薄壁鋼板承壓屈服，試件發(fā)生典型的承壓破壞。因此，在進(jìn)行構(gòu)件連接承載力計算時，必須考慮自攻螺釘連接抗剪和高強(qiáng)螺栓連接抗剪的共同作用。目前，針對冷彎薄壁型鋼連接的抗剪承載力設(shè)計，我國規(guī)范《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）提出了用于計算抽芯鉚釘和自攻螺釘連接抗剪承載力的計算公式如下：

當(dāng)t1/t=1時，

且

當(dāng)t1/t≥2.5時，

當(dāng)1＜t1/t＜2.5時，Nfv可由式（1）和式（3）的插值求得。

式中：Nfv為鉚釘或自攻螺釘連接抗剪承載力設(shè)計值，N；t為較薄板的厚度，mm；t1為較厚板的厚度，mm；d為鉚釘或自攻螺釘?shù)闹睆?，mm；f1為鋼板強(qiáng)度設(shè)計值（文中在計算中采用冷彎薄壁型鋼的屈服強(qiáng)度值，即f1=fy=550 MPa），N/mm2。

結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017），并參考文獻(xiàn)［14］的方法，提出承壓型冷彎薄壁型鋼螺栓連接抗剪承載力計算公式如下：

式中：Nbv為螺栓連接抗剪承載力設(shè)計值，N；d為螺栓桿的公稱直徑，mm；∑t指在不同受力方向中，其中某一方向承壓構(gòu)件總厚度的較小值，mm；α為調(diào)整系數(shù)；f2為承壓強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2，當(dāng)鋼板屈服時，取鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計值，即f2=fy=550 MPa；α取1.0；當(dāng)螺栓被剪斷時，取螺栓承壓強(qiáng)度設(shè)計值，即f2=fcb，fcb與所連構(gòu)件的鋼材牌號有關(guān)，由于規(guī)范中缺少高強(qiáng)鋼G550所對應(yīng)的螺栓承壓強(qiáng)度設(shè)計值，故基于鋼材Q460所對應(yīng)的螺栓承壓強(qiáng)度設(shè)計值，對其乘以調(diào)整系數(shù)α進(jìn)行計算，α取1.6。

由于鋼材采用高強(qiáng)度合金鋼，構(gòu)件破壞時發(fā)生的變形較小，類似于脆性破壞，為保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，需要對冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼材料強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行修正，取f=0.9fy帶入式（1）、式（2）及式（4）中計算。此外，當(dāng)連接件處于受壓狀態(tài)時，試驗(yàn)過程中構(gòu)件出現(xiàn)局部鼓曲，承載力有所下降，故考慮承載力折減，取折減系數(shù)為0.95，計算結(jié)果見表3。對比試驗(yàn)結(jié)果，試件的承載力試驗(yàn)值與計算值較接近，吻合較好。

表3 試件的承載力計算值與試驗(yàn)值的比較Table 3 Comparison between the calculated and test values of bearing capacity of specimens

4 結(jié)論

文中對冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架兩種不同連接形式的連接件抗剪力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，觀察連接件的試驗(yàn)過程及破壞形態(tài)，并分析其荷載-位移曲線，主要研究結(jié)論如下：

（1）在外荷載作用下，冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架構(gòu)件連接的自攻螺釘首先發(fā)生傾斜，然后自攻螺釘被剪斷，最后與螺栓連接處的冷彎薄壁鋼板被壓屈服，屬于典型的承壓破壞。

（2）冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架構(gòu)件連接的荷載-位移曲線分為3個階段：加載初期處于彈性階段，試件荷載與位移呈線性關(guān)系，曲線斜率基本保持不變；進(jìn)入彈塑性階段后，試件荷載-位移曲線斜率逐漸減小，荷載與位移呈非線性；達(dá)到峰值后，試件進(jìn)入破壞階段，此時荷載-位移曲線呈明顯的下降趨勢。

（3）構(gòu)件翼緣螺栓連接受拉的極限承載力平均值比受壓的極限承載力平均值高4.0%左右，在峰值荷載過后，構(gòu)件翼緣螺栓連接的荷載-位移曲線整體下降更加平緩，表現(xiàn)出更好的延性。

（4）構(gòu)件腹板螺栓連接受拉的極限承載力平均值比受壓的極限承載力平均值高53.3%左右，可見構(gòu)件腹板螺栓連接的抗拉性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗壓性能。整體而言，螺栓在腹板上的試件比在翼緣上的試件剛度大，但螺栓在翼緣上的試件比在腹板上的試件延性好。

（5）基于現(xiàn)有規(guī)范公式，提出了冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架構(gòu)件連接的承載力修正計算公式，計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差不大，吻合較好，驗(yàn)證了計算結(jié)果的正確性。