冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪性能研究

郭俊杰， 朱 华， 周 安

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院 ，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

冷弯薄壁型钢因为轻质、高强等优势被大量应用于工业厂房、民用建筑中[1,2]。冷弯薄壁型钢的常见连接方式有普通螺栓连接、自攻螺钉连接等。高强螺栓在受到外荷载作用前被施加了很大的预紧力，接触面间会产生很大的摩擦力，能够阻止接触面相对滑移，进而提升结构的整体工作性能[3]。目前，高强螺栓连接主要用于普通钢结构，若将高强螺栓连接应用于冷弯薄壁型钢加固等工程实践，则对冷弯薄壁型钢结构体系的抗剪承载能力会有一定的提升。同时，对于冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪性能的研究较少，相关参数包括扭矩系数、扭矩值、预紧力等并没有相关规定。本文采用试验与模拟相结合方法，对冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪性能进行了研究。

1 冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪性能试验

1.1 试件设计

本文抗剪试件规格基本按照《钢结构工程施工质量验收规范》(GB 50205-2001)[4]，《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(JGJ 82-2011)[5]内高强螺栓连接抗滑移试验的要求和方法进行设计，构件的主要组成部分是盖板、芯板及12.9级M8高强螺栓，以及配套的高强螺栓垫片。每套试件(图1)有2块芯板，2块盖板，4颗高强螺栓以及8个高强螺栓垫片，并且芯板与芯板(图2)、盖板与盖板(图3)尺寸均相同。螺孔与垫片内孔直径均大于螺杆直径2 mm。垫片直径为20 mm。

图1 冷弯薄壁型钢高强螺栓连接件实物图

图2 芯板尺寸示意图

图3 盖板尺寸示意图

1.2 试件制作

本次试验考虑主要因素是施加预紧扭矩，螺栓的预紧力通过扭矩扳手施加，试件组装时按照施加不同扭矩进行分组。分组见表1。

表1 不同扭矩值试件分组

1.3 试件加载

本次抗剪试验加载设备为万能试验机，利用位移进行控制。试验过程中力与位移数据由试验机直接采集获得。加载初期弹性阶段加载速度0.05 mm/min,线弹性阶段过后加载速度改为0.5 mm/min，图像平稳后采用1.0 mm/min加载速度，直至试件破坏。

1.4 试验现象

所有试件在加载初期均有弹性阶段，且近乎相同，即加载位移与剪力呈线性关系。线弹性阶段过后，施加不同扭矩的试件的力位移图开始出现差别。施加扭矩小于等于5 N·m的试件，即试件Z2.5、Z3.5、Z5，弹性阶段后开始出现明显滑移，剪力无明显变化，然后螺杆开使承压，剪力随着位移的增加而增大直至达到峰值，试件破坏；施加扭矩大于5 N·m的试件,即试件Z7、Z9、Z13、Z15、Z18、Z20、Z30，弹性阶段后,随着位移的增大，剪力仍上升，且不同试件上升幅度不一样，没有一定规律，直至破坏。连接件的破坏形式都是芯板被螺栓杆剪断破坏。本文抗剪构件主要破坏形态如图4所示。

图4 试件主要破坏形式

2 冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪性能有限元模拟

2.1 模型的建立

利用ABAQUS建立抗剪连接件半结构模型，包括螺栓、芯板、盖板，其中将螺栓垫片以及螺母视为一体，尺寸与试验试件尺寸相同，单元采用C3D8R。板材屈服强度为235 MPa,抗拉强度380 MPa；高强螺栓屈服强度为1 080 MPa,抗拉强度为1 200 MPa，弹性模量E都为2.06×105N/mm2，泊松比v=0.3。网格划分为2 mm。对上下盖板左边横断面固定，对芯板右边横断面进行位移加载，螺栓预紧力用螺栓荷载加载。试件接触面主要包括盖板与芯板、螺栓与盖板和孔壁接触。相互作用中,切向库仑摩擦系数根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018-2002)取0.25[6]，法相为硬接触。

2.2 有限元模拟主要内容

本次有限元模拟的主要内容是对抗剪试验中施加扭矩值小于等于5 N·m的试件进行抗剪试验模拟，对其进行位移加载。本次有限元模拟试件主要分组见表2，如图5所示。

表2 有限元模型分组

图5 抗剪试件

3 冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪承载能力分析

3.1 试验结果分析

不同扭矩下冷弯薄壁型钢高强螺栓抗剪连接件抗剪试验力位移图像如图6所示。

图6 不同扭矩下连接件抗剪试验力位移图

由图6可知，对于施加扭矩小于5 N·m的试件，即试件Z2.5、Z3.5和试件Z5具有明显的滑移段；而对于施加力矩大于5 N·m试件，即试件Z7、Z9、Z13、Z15、Z18、Z20和试件Z30，力位移曲线倾斜段随着施加扭矩的增大而有所波动，没有一定规律，但是最大值在32 kN到35 kN范围内稳定；20 N·m为本试验抗剪试件极限扭矩，更大的扭矩值对试件抗剪性能影响不明显。

现对试件Z2.5、Z3.5和试件Z5图像进行分析，该组试件力位移图如图7所示。

图7 试件Z2.5，Z3.5和Z5力位移图

对该组试件曲线进行分析，发现施加扭矩小于等于5 N·m时，冷弯薄壁型钢高强螺栓抗剪连接件抗剪全过程的图像基本与普通高强螺栓连接厚板的抗剪过程相同，分别为摩擦传力阶段、相对滑移阶段、螺栓杆与螺栓孔壁承压传力阶段、破坏阶段。

3.2 有限元模型计算结果与试验结果对比分析

将有限元模拟抗剪曲线与试验曲线进行抗剪性能对比分析。对比曲线如图8～图10所示。

图8 Z 2.5试件曲线

图9 Z3.5试件曲线

图10 Z5试件曲线

对该组曲线分析可知，摩擦传力阶段有限元曲线与试验曲线基本吻合；滑移阶段二者位移量有所差别，主要是因为有限元模拟的是半结构，位移量也减半；螺杆与螺孔壁承压传力阶段位移量差值主要是因为有限元模拟较理想，位移为净值，而试验曲线位移影响因素较多，包括夹具的滑移：破坏阶段曲线二者基本吻合；有限元模拟与试验的摩擦阶段抗剪承载力与承压阶段抗剪承载力大小基本一致，说明抗剪试验模拟准确。

4 冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪承载能力计算

根据抗剪试验与有限元计算结果综合分析，结合相关规范，现对施加扭矩值小于5 N·m情况下的抗剪连接提出对应承载能力计算公式。

(1) 摩擦型冷弯薄壁型钢高强螺栓抗剪承载力计算公式：

(1)

式中:k1为调整系数，取0.9；k2是孔型系数,标准孔为1.0，大圆孔为0.85，当荷载和孔长方向垂直时取值0.7，当荷载平行于孔长方向时取值0.6；nf是传力摩擦面个数；μ摩擦系数，取0.25。

(2)承压型冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪承载力计算公式：

(2)

表3 摩擦型连接抗剪承载力对比表

表4 承压型连接抗剪承载力对比表

由表3和表4可知，摩擦型与承压型冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪承载能力计算公式基本满足要求，计算可靠。

5 结 论

(1)施加扭矩值小于等于5 N·m时，抗剪连接件抗剪性能曲线基本与普通高强螺栓连接厚板的抗剪性能曲线相同，分别为摩擦传力阶段、相对滑移阶段、螺栓杆与螺栓孔壁承压传力阶段、破坏阶段四个阶段；20 N·m为本试验抗剪试件极限扭矩，更大的扭矩值对试件抗剪性能影响不明显。

(2)使用有限元分析软件ABAQUS对冷弯薄壁型钢高强螺栓连接抗剪性能试验的数值模拟结果与试验结果吻合，证明了本文有限元分析模型是可靠的。

(3)根据试验与有限元模拟结果推导出施加扭矩值小于5 N·m情况下的抗剪连接承载能力计算公式，将有限元分析计算值、试验值和公式计算值进行对比，验证了抗剪承载力公式的合理性。