轻钢结构的全螺栓连接形式力学性能*

解立远

(成都理工大学 工程技术学院， 四川 乐山 614007)

近年来，随着土木工程日益增多，具有抗震性强、易于安装和拆卸、自重轻、可持续发展等优点的轻钢结构在我国建筑工程中的应用越来越多[1].在钢结构中，连接节点受力最为复杂，其性能对整体结构、工程造价、施工进度及工程质量都有重要影响.一般要求连接节点需要具有刚度和强度高、易加工安装、能保证内力传递明确及经济实用等特点[2-4].目前最普遍的连接形式是焊接连接和螺栓连接[5-6]，前者不仅需要大量特殊工种，而且还受限于施工人员的技术水平，规模化生产程度较低；后者较好地弥补了前者的不足，但由于螺栓连接形式具有多样性，故在施工难度、性能和造价等方面存在一定差异[7-8].为此，本文设计了一种新型全螺栓连接形式，以钢管管壁焊贴附上钢板攻丝来替代螺母，并进行了抗压性受力性能试验，研究了全螺栓连接的力学性能，为进一步深入研究提供科学依据.

1 抗压试验

1.1 试件设计

本试验设计了8个全螺栓试件，其中钢板材料选用Q345，尺寸为80 mm×80 mm，单板厚度有三种：5、7、9 mm，由其中任意两个单板进行组合，得到的组合板厚度分别为：10、12、14、16 mm.螺栓选用10.9的高强度螺栓，直径分别有16、20 mm两种，抗拉强度不低于1 000 N/mm3，其力学性能指标如表1所示，试件设计参数如表2所示.

表1 试件力学性能指标Tab.1 Mechanical property indexes of specimens

表2 试件设计参数Tab.2 Design parameters and experimentalresults of specimens

1.2 试验装置

本次试验严格按照《GB/T228-2002金属材料拉伸试验室温试验方法》的相关规范在实验室中进行，所有试件采用5 000 kN压力试验机(海威尔/YEW-5000D，济南海威尔仪器有限责任公司)进行轴心受压试验，试验装置模型示意图如图1所示.试验中采用孔径大小一致的卡托(30 mm)，使卡托内边界到组合板底部丝孔外边界形成10～15 mm的空区间.另外，为了保障试验顺利进行以及试验的可靠性，试验之前应先进行预控制，排除试件螺纹牙间空隙造成的位移，使螺栓螺纹牙与组合板螺纹牙之间紧密咬合[9-10]，同时采用应力速率控制试验加载速率，直至试件出现脱口破坏方结束试验.

图1 试验装置模型示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

1.3 螺栓承载力理论计算方法

螺栓失效的一个重要原因是螺纹破坏，而螺纹强度在很大程度上由螺纹的受力或荷载分布决定，螺纹脱口破坏时其强度不易计算得到，精确地分析螺纹受力分布是一个十分复杂的接触力问题[11-13].本文对螺纹牙荷载分布和承载的理论计算先假设作用于某段螺纹[x，x+dx]上的轴压力为dF，则其力学和几何关系式为

(1)

wcos ∂cotβdx=dF

(2)

(3)

式中：Fz为螺栓轴心的受力总和；F为各圈螺纹牙轴向分布力；h为组合钢板的厚度；w为螺纹牙单位宽度上的斜面垂直力；∂、β分别为螺纹牙半角和螺旋线升角.

螺栓、组合板弹性变形总量为

(4)

式中：δz1、δn1为外、内螺纹牙的弯曲弹性变量；δz2、δn2为外、内螺纹牙的剪切弹性变量；δz3、δn3为外、内螺纹牙的倾斜弹性变量；δz4、δn4为外、内螺纹牙牙根的剪切弹性变量；δz5、δn5为螺纹牙径向收缩、径向扩展引起的弹性变量；Kz、Kn为外、内螺纹牙的弹性变量综合系数.

将式(3)代入式(4)中，得到

(5)

由材料的力学性质及变形协调条件可知

(6)

σz+σn=(δz+δn)x=x-(δz+δn)x=0

(7)

式中：σz、σn分别为x处螺栓、组合板螺纹的伸缩形变；Sz、Sn分别为螺栓和组合板螺纹的垂直截面面积.

将式(5)、(6)代入式(7)中，并对x进行微分可得

(8)

得到通解为

f=C1eλx+C2e-λx

(9)

得到双曲线函数为

f=C1coshλx+C2sinhλx

(10)

根据边界条件即可确定常数C1、C2，再将式(9)代入式(1)中，可得到螺纹连接承受的总轴力为

(11)

由于高强度螺栓的刚度远大于Q345钢材料的刚度，本次全螺栓承载力Fz近似为螺纹破坏时所受到的所有剪应力，考虑螺栓直径与组合板厚度为试件抗压承载力的主要影响因素，故令

Fz=πRKrhA0P

(12)

式中：R为内外螺纹小径；Kr为螺纹完整系数，公制取值0.87；A0为螺纹圈间荷载不均匀分布时的塑性形变系数，均匀分布时值为1；P为组合板剪切强度，一般取值0.65.

2 试验结果及力学性能分析

2.1 全螺栓组合板的抗压承载力位移关系

图2 抗压承载力位移关系曲线Fig.2 Relationship curves of compressivebearing capacity and displacement

2.2 厚度和螺栓直径对承载力与位移的影响

由表2可知，当螺栓的直径为16 mm，组合板厚度以步长为2 mm，由10 mm增加到16 mm时，全螺栓试件的极限抗压值分别增加了22.3%、28.2%、14.7%；当螺栓的直径为20 mm，而组合板厚度以步长为2 mm，由10 mm增加到16 mm时，螺栓极限抗压值分别增加了19.5%、25.3%、10.4%.由此可知，对于螺栓直径分别为16、20 mm的组合板试件，其抗压承载力随组合板加厚均呈现出先增大后减小的变化趋势，如图3所示.

从图3还可以看出，当组合板厚度相同，螺栓直径对承载力的影响较为明显，直径大的其抗压承载力较大.另外，从其中曲线走势来看，当板厚从10 mm增大到12 mm时，2条曲线的斜率基本相同，即二者增加幅度相等，说明在螺纹牙遭到破坏时，螺栓承载力与螺孔周长呈正比关系；当板厚从12 mm增大到14 mm时，螺栓直径16 mm的曲线斜率较大，但2条曲线在逐渐接近，说明螺栓逐渐由钢板螺纹破坏转变到螺栓破坏；板厚从14 mm增大到16 mm时，螺栓直径20 mm的曲线斜率略大，但2条曲线逐渐分开，说明直径为16 mm的试件由钢板螺纹破坏转变为全螺栓栓杆破坏，而直径为20 mm的试件螺栓接近螺栓破坏状态.由此可知，当组合板厚度相同时，螺栓的直径越大，全螺栓试件螺栓的承载力越大.

图3 抗压承载力组合板厚度变化曲线Fig.3 Change curves of compressive bearing capacitywith thickness of composite plate

2.3 螺栓承载力试验值与计算值比较

结合表2中轴心受压作用下全螺栓试件的试验数据，依据式(12)进行理论计算.另外为安全考虑，A0取值0.86，螺栓和组合板的抗压强度分别为1 024、508.5 MPa.承载力试验结果数据与理论计算结果对比情况如表3所示，二者的最小相对误差为0.85%，最大相对误差为6.67%，误差范围较小，验证了本次试验结果的可靠性.

表3 试验结果与计算结果比较Tab.3 Comparison between experimentaland calculated results

3 结 论

本文对8个不同设计参数全螺栓连接形式试件的轴心受压进行试验，对试件的力学性能及其主要影响因素进行了分析与总结，并将试验结果与计算结果进行了比较，从而验证试验的可靠性，得出以下几点结论：

1) 全螺栓试件抗压承载力与位移的关系曲线是随着压力的增大呈逐渐上升的趋势，但由于螺纹牙受力不均匀，会出现一段平缓上升的阶段；

2) 在抗压试验过程中，全螺栓组合板试件的抗压承载力随组合板厚度的增大呈先增大后减小的趋势，并且当组合板厚度相同时，全螺栓试件的螺栓直径与其承载力成正比关系.

3) 通过理论推导和轴心受压试验验证可知，试验结果与理论计算结果的相对误差范围较小，本次试验结果可靠.

4) 这种全螺栓连接形式可用于各种截面的轻钢结构，相比普通钢结构刚性连接而言，更加简便、更易于安装、适用性强，具有广阔的应用前景.

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