高强钢板-螺栓连接副抗拉性能试验研究

2019-12-06段留省周天华苏明周

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年5期

段留省，周天华，苏明周，李慧

(1. 长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061；2. 西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；3. 恒大地产集团西安有限公司，陕西西安 710000)

高强钢芯筒-螺栓连接副装配式钢管柱节点通过一种新型单边张紧高强螺栓连接副完成连接，该连接副由高强钢板和高强螺栓配合而成，钢板攻丝后替代螺母.装配时将钢板焊接成芯筒并攻丝，插入钢管柱节点位置，高强螺栓由外向内穿过钢管柱壁板，旋入柱内的钢板丝孔并拧紧.关于这种新型单边连接副的研究较少，尤其是抗拉性能.传统单边螺栓可用于钢管柱螺栓连接，但存在锚固不足的缺陷[1]，为改善单边螺栓抗拔能力，有学者提出带扩大端单边螺栓[2]，抗拉试验表明混凝土强度对锚固效果影响显著[3-4].也有学者将钢板贴焊于钢管柱外侧，开孔攻丝后再与高强螺栓连接，试验表明这种连接方式容易出现钢板变形、螺纹脱扣、螺栓拔出的问题[5-8].原因可能是钢板抗拉强度不足和板厚较小.当降低螺栓强度等级并加大钢板厚度时，钢板螺纹脱扣现象消失，能够达到等效刚接[9-10].当高强螺栓拧入长度比原设计减少2个啮合数时，螺栓球节点发生螺栓拔出破坏[11].关于高强螺栓抗拉承载力计算，刘秀丽等[12]通过有限元分析提出考虑撬力的高强螺栓抗拉承载力计算公式，陈绍蕃[12]建议高强螺栓抗拉承载力设计值取螺杆极限抗拉荷载的70%，需试验验证.

本文高强螺栓等级为10.9级，选用Q460高强钢板替代螺母，并与螺母常用材质45号钢、低合金高强钢Q345钢进行对比，以期获得现有高强螺栓的最优配合钢材牌号和厚度.

1 试验概况

1.1 试验设计与材料性能

根据《螺母设计指南》(GB/Z32564-2016)[13]的设计原则，静态拉力下连接副不应发生脱扣，原因是这种破坏不易发现.故钢板攻丝孔内螺纹脱扣荷载FSn应高于螺栓最小拉力荷载Pn.影响钢板内螺纹脱扣荷载的主要因素是钢板厚度和钢材抗拉强度.钢板内螺纹脱扣荷载FSn可按(1)公式估算，初步选取钢板厚度.但钢板不能完全等同于螺母，原因是钢板内螺纹由工厂简易加工，机械精度不及标准螺母，且钢板尺寸也远大于螺母外轮廓尺寸，计算结果的可靠性须经试验进一步验证.

Fsn=0.6RmnASnC1C3

(1)

其中：C1为钢板(螺母)扩张的修正系数；C3为螺纹弯曲影响螺母脱扣强度的影响系数；Rmn为钢板(螺母)抗拉强度；ASn为内螺纹承剪面积；选取45钢、Q460C、Q345B三种钢材作为研究对象，其中45钢是螺母常用钢材，后二者为低合金高强钢；选后二者是为了克服45钢焊接性较差的缺点，有利于钢板芯筒焊接连接.钢板材料性能见表1.

表1 钢板材料性能

1.2 试验装置与试件编号

钢板-连接副单调拉伸试验装置见图1(a).安装时将连接副的钢板通过安装螺栓固定于T形连接件，再将10.9级高强螺栓旋入攻丝孔，穿钢板后露2～3个丝扣；螺杆和T形件分别在万能试验机的上下夹头处夹紧，完成安装.连接副的钢板尺寸均为200×200，中心开孔攻丝，丝孔应满足10.9级高强螺栓的配合精度，T形件详图见图1(b).

图1 螺栓拉伸试验装置Fig.1 Bolt tensile test setup

对于10.9级M16螺栓，钢板厚度参照《钢结构用高强度大六角螺母》(GB/T 1229-2006)[14]给定的螺母厚度16.4～17.1 mm，结合公式(1)计算结果取最小厚度为16 mm.对于45钢，按“略厚(Thick)、标准(Standard)、略薄(Thin)”的原则选取三种厚度：20 mm、16 mm、14 mm.将20 mm和16 mm钢板分为两批，其中一批进行调质处理，另一批不做处理，考察材质处理对连接副抗拉承载力的影响.Q460C和Q345B钢材均参照文献[14]取标准厚度.连接副试件编号见表2.

1.3 测量内容与试验方法

为测定不同牌号钢板-高强螺栓连接副的抗拉极限承载力，采用单调拉伸试验方法，加载制度采用荷载控制方式，加载速度为1 kN/s.整个试验在100 t万能实验机上完成，螺栓拉力荷载由试验机自带荷载传感器测量，连接副的变形量由仪器内部位移计测量.观测项目为螺栓拉断、脱扣拔出或钢板变形等破坏现象.

表2 试件编号

注：14、16、18、20、22、25代表钢板公称厚度，-1、-2代表连接副编号；T代表调质处理；*代表组合钢板厚度，即20=16+4.

2 试验结果与分析

2.1 破坏模式

在调质45钢板-螺栓连接副系列中，连接副M16-16-T、M16-20-T的螺栓在螺纹处发生断裂，断裂后螺杆可以从丝孔中取出，即丝孔完好可以重复使用.连接副M16-20、M16-16的破坏模式与调质系列相同，说明不调质也可满足螺栓要求，为降低成本，45号钢板不进行调质.

在45钢板-螺栓连接副系列中，连接副M16-16、M20-20、M24-25的螺栓被拉断图2(a)，螺栓拉断前存在明显变形，属于延性破坏；螺栓拉断后取出，发现钢板螺纹完好.连接副M16-14、M20-16、M24-20发生钢板内螺纹脱扣破坏图2(b)，钢板出现面外凸起变形图2(c)，螺栓未被拉断，破坏突然发生.

在Q460C钢板-螺栓连接副系列中，连接副M16-16、M24-25的螺栓被拉断，螺栓拉断前变形明显；M20-20连接副破坏时钢板内螺纹发生脱扣，这与预期不符.主要原因是连接副中20 mm厚钢板并非一块整板，而是由16 mm厚和4 mm两块钢板贴焊而成的叠合板；虽一同钻孔攻丝，但两部分螺纹在板间并不连续，外侧的螺纹承担大部分拉力，相当于单张板厚度，面外刚度较小，钢板内螺纹承载力低，叠合板逐一脱扣滑牙.

在Q345B钢板-螺栓连接副系列中，连接副M16-18、M16-22、M24-25的螺栓被拉断的延性破坏，螺栓拉断前的存在明显变形.钢板-螺栓连接副典型破坏现象见图2.

图2 钢板-螺栓连接副抗拉试验破坏现象Fig.2 Failure modes of steel plate-bolt assemblies in tensile test

2.2 极限承载力

45钢板连接副单调拉伸试验P-Δ曲线见图3(a)、图3(b)，其中P代表拉力荷载、Δ代表轴向变形.由图3a可知，连接副M16-16-1、M16-16-T、M16-20-1、M16-20-T的极限荷载Pmax均超过10.9级M16螺母的最小拉力荷载Pn.由图3(b)可知，连接副M16-16、M20-20、M24-25的极限荷载Pmax大于对应的螺母最小拉力荷载Pn，螺栓被拉断；连接副M16-14、M20-16、M24-20的极限荷载Pmax略小于螺母的最小拉力荷载Pn，钢板内螺纹脱扣破坏.

图3 45钢板-螺栓连接副P-Δ曲线Fig.3 45 grade steel plate-bolt assemblies P-Δ curves

45钢板-螺栓连接副P-Δ曲线分析见表3，表中t为钢板厚度，FSn为钢板内螺纹理论承载力，Pn为螺母最小拉力荷载，Pb为螺栓极限荷载，Pmax为连接副极限荷载.

由表可知，对于M16、M20和M24三种规格螺栓，略厚板和标准钢板的内螺纹承载力FSn大于螺母最小拉力荷载Pn，且大于螺栓极限荷载Pb，螺栓最终被拉断；薄钢板内螺纹承载力FSn接近螺母最小拉力荷载Pn，小于螺栓极限荷载Pb，螺栓未被拉断，破坏时钢板内螺纹脱扣.对比薄钢板内螺纹承载力的理论值FSn与试验值Pmax发现，M16螺栓理论值比试验值略大而M20、M24的偏小，差值在10%以内，表明45号钢螺纹承载力的理论公式较准确.

Q460C钢板连接副的P-Δ曲线见图4(a)，由图可知，连接副M16-16、M24-25的极限荷载Pmax大于对应的螺母最小拉力荷载Pn，螺栓被拉断.M20-20标准板连接副的极限荷载Pmax接近螺母最小拉力荷载Pn，但小于螺栓极限荷载Pb，发生钢板内螺纹发生脱扣破坏.表明理论计算会高估叠合板内螺纹承载力.P-Δ曲线分析见表4，由表可知，M16、M20和M24三种规格螺栓，标准钢板的内螺纹承载力FSn大于螺母最小拉力荷载Pn，且大于螺栓极限荷载Pb，M16、M24的FSn比Pb分别高出9.21%、12.47%，螺栓最终被拉断；M20由于钢板加工问题未发生螺栓断裂，不具有代表性.

表3 45钢板-螺栓连接副P-Δ曲线分析

Q345B钢板连接副的P-Δ曲线见图4(b)，由图可知，连接副M16-18、M16-22、M24-25极限荷载Pmax大于对应的螺母最小拉力荷载Pn，故螺栓被拉断.P-Δ曲线分析见表5，由表可知，M16、M20和M24三种规格螺栓，标准钢板的内螺纹承载力FSn大于螺母最小拉力荷载Pn，且大于螺栓极限荷载Pb，三者FSn比Pb分别高出18.88%、7.74%、7.45%，螺栓最终被拉断.以上表明Q345B钢板-螺栓连接副的钢板厚度应不小于螺栓直径d+(1～2) mm，即取常用钢板厚度中比螺栓公称直径高一个规格的厚度.

图4 高强度钢板-螺栓连接副P-Δ曲线Fig.4 High strength steel plate-bolt assemblies P-Δ curves

编号t/mmFSn/kNPb/kNPmax/kN(FSn- Pb)· P-1b/%破坏形式M16-16-116.3419217217111.43拉断M16-16-216.091881721719.21拉断M20-20-120.153032942472.79脱扣M20-20-220.123022942802.59脱扣M24-25-125.1144839739712.76拉断M24-25-225.0644739739312.47拉断

2.3 分析与讨论

(1)45号钢是高强螺母常用材质，能够被低合金高强度钢材替代的原因是二者抗拉强度接近.当采用强度较低的合金钢时，需要增加一定钢板厚度；若钢材抗拉强度进一步降低，虽增加钢板厚度可能也达不到螺母的最小拉力荷载，原因是螺纹啮合部位最大应力出现在前三扣[15]，连接副在拉断前就出现解扣式滑牙脱扣破坏，而不会出现螺栓拉断破坏.

表5 Q345B钢板-螺栓连接副P-Δ曲线分析

(2)不同厚度高强钢板贴焊成叠合板，攻丝后与高强螺栓连接，破坏模式与整张板完全不同.原因是叠合板中两部分螺纹紧贴但无有效连接措施，螺纹不连续，无法共同工作，外侧的螺纹承担大部分拉力，相当于单张板厚度，面外刚度较小，叠合板逐一被拉脱滑牙.

(3)考察45钢、Q460C、Q345B不同厚度钢板与M16、M20、M24的组合连接副极限抗拉承载力，为便于分析，采用无量纲化处理各组螺栓的承载力，各组合连接副的极限承载力对比见图5.由图可知，采用标准厚度的高强钢板-螺栓组合连接副的承载力与螺杆极限承载力比值不小于0.85；考虑到加工和安装误差，折减15%，因而建议标准厚度高强钢板-螺栓组合连接副抗拉承载力设计值Nbt=0.7Aeftb，其中Ae为螺栓有效面积，ftb为螺栓极限抗拉强度，这与文献[8]一致.为谨慎起见，仍需扩大样本数量进一步试验验证.