冷弯薄壁型钢板自攻螺钉连接抗剪性能研究

丁凤鸣， 刘 浩， 周 安， 朱 华

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑设计院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着我国现代化进程和可持续发展的开发建筑模式要求，冷弯薄壁型钢结构体系作为一种工业化程度高、力学性能优越、综合经济效益突出、耐久性良好、符合当前“绿色建筑”环保要求的结构形式愈发受到国内建筑业的关注，符合我国建筑产业化的发展方向[1-5]。

自攻螺钉以外形美观、施工便利、安装简易、耐用性强等优点在冷弯薄壁型钢体系中得到了广泛的应用。相比较于普通螺钉，其抗拔力和与被紧固材料的整体性都较好，所以常被用来连接冷弯薄壁型钢结构构件[6-7]。

自攻螺钉适用于薄板之间的连接，然而只有在《冷弯薄壁型钢技术规范》(GB 50018—2002) 中提到了其在压型钢板之间以及压型钢板和冷弯型钢构件之间的连接强度，并没有规范提到其在冷弯薄壁型钢构件之间连接时的极限状态情况。因此，本文将以外六角法兰面自钻自攻螺钉为代表，研究其在连接冷弯薄壁型钢时的抗剪极限状态。

1 材性实验

根据《金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[8]设计试件并完成试验。试验结束后的试件破坏形态如图1所示，得到的应力-应变曲线如图2所示，材性参数见表1。

图1 试件破坏

图2 应力-应变曲线

表1 材性参数平均值

2 自攻螺钉连接抗剪性能试验

2.1 试件设计

为研究冷弯薄壁钢板自攻螺钉连接抗剪性能，对24组冷弯薄壁钢板单个自攻螺钉连接试件进行了试验，每组重复试件2个，共有48个试件，考虑了自攻螺钉材质、直径、不同钢板厚度比值、端距等因素对自攻螺钉抗剪连接破坏形态的影响。连接件采用的自攻螺钉材质规格分别为碳钢M4.8×32、不锈钢M4.8×32及碳钢M5.5×32。相同厚度或不同厚度的2个冷弯薄壁钢板通过单个自攻螺钉连接，连接件尺寸示意图如图3所示，连接完成试件如图4所示。试验前对试件进行分组编号，编号规定如图5所示。

图3 试件尺寸示意图

图4 冷弯薄壁型钢单个自攻螺钉连接试件

图5 试件编号规定

试件设计考虑了自攻螺钉材质(不锈钢材质和碳钢材质)、直径 (4.8 mm和5.5 mm)、端距 (15 mm和25 mm) 以及不同组合钢板厚度 (1--1 mm，2--2 mm，3--3 mm，1--2 mm，2--3 mm及1--3 mm) 四种因素。

2.2 试验现象

加载过程中，试验现象为：随着拉力增大，螺钉发生倾斜，若钢板厚度相同，则螺钉尖端向试验机固定夹持端倾斜，若钢板厚度不同，螺钉尖端向较厚钢板一侧倾斜。在倾斜过程中，螺帽与钢板的接触由面及点。同时，相同厚度钢板连接试件，1 mm、2 mm钢板端部会发生翘曲，3 mm钢板没有发生翘曲现象，而对于不同厚度钢板连接试件，较薄钢板端部翘曲明显，较厚钢板几乎不发生翘曲。试件破坏模式可以分为三类：①钉孔逐渐拉长，螺钉发生严重倾斜，出现明显滑移，螺钉有拔出趋势，钢板间出现明显空隙，如图6(a)所示；②螺钉未发生明显滑移，螺钉发生了一定倾斜角度，最后螺钉被剪断，如图6(b)所示；③螺钉未发生滑移，略微倾斜，最后螺钉被剪断，如图6(c)所示。

图6 破坏模式

由试验结果可知，试件的破坏模式呈现一定的规律，板件承压破坏是自攻螺钉倾斜期间主要连接破坏形式，但若自攻螺钉几乎不发生倾斜，则会发生紧固件的抗剪破坏。试件破坏模式类型主要和钢板的厚度有关，而与螺钉的材质、直径关系不大。存在1 mm钢板的试件破坏模式都是钉孔拉长，螺钉发生滑移、严重倾斜，有拔出趋势，发生板件承压破坏，变形时间较长，例如ZG--T--4.8--1--1--1，ZG--T--4.8--1--2--1等，其他试件，即以2mm和3mm板件组合的试件螺钉几乎不发生倾斜，以螺钉突然剪断作为其极限状态。

2.3 荷载-位移曲线

不同的自攻螺钉抗剪连接试件的荷载-位移曲线如图7所示。

图7 自攻螺钉抗剪连接试件荷载-位移曲线

由图7可以看出，曲线大致可以分为两类：第一类，随着荷载的增加，位移也随之增加，两者呈现为线性关系，随后到达顶点，然后曲线立即下降；第二类，加载初期位移随着荷载的增大而增大，随后曲线进入平缓波动阶段，在经历一段变形之后，曲线才开始呈现下降的趋势。结合试件的破坏模式来看：破坏模式为螺钉未发生滑移、一般或略微倾斜，螺钉被剪断的试件的荷载-位移曲线为第一类曲线，这是因为试件破坏主要由于螺钉突然剪断，属于脆性破坏，例如ZG--T--4.8--3--3--1；破坏模式为钉孔拉长，螺钉发生滑移、严重倾斜，有拔出趋势的试件的荷载-位移曲线为第二类曲线，这是因为试件破坏主要由于钢板钉孔处变形过大，螺钉倾斜严重，即构件在相当长一段时间内处于荷载稳定而变形不断加剧的阶段，最后由于变形严重无法承担荷载，例如ZG--T--4.8--1--1--1。

3 极限状态预测模型

基于上述试验结果，本部分依托理论将介绍一种关于预测冷弯薄壁型钢对钢单个自攻螺钉抗剪连接的极限状态模型。结果表明：自攻螺钉倾斜对连接会产生动力学影响；可以根据板件厚度、螺纹间距来预测自攻螺钉的倾斜状态；板件承压破坏是自攻螺钉倾斜期间主要连接破坏形式，但若自攻螺钉不发生倾斜，则会发生紧固件的抗剪破坏。

模型突出了“螺帽-叠合板件-螺纹”接触连接在该理论研究中的重要地位，强调了不同板件厚度和螺纹间距对预测自攻螺钉抗剪连接件极限状态(构件屈服后达到荷载-位移曲线的第一个峰值载荷时连接处发生的变形)的重要作用。在该模型中，认为自攻螺钉都是由有固定间距P的螺纹组成的(不考虑垫圈)，本次以M4.8×32的自攻螺钉为例，钢板厚度考虑市场最为常见的冷弯薄壁钢板厚度，即1～3 mm。其中，1号板(螺帽接触侧的板件)和2号板(远离螺帽侧的板件)由于和螺钉的接触情况不同会有不同的力学性能，假定1号板位于螺帽和第一条螺纹之间，而2号板位于螺纹之间。

本次模型中，考虑四种不同的构件配置，如图8所示，包括：

(1)t1/P<0.75且t2/P<1.25[1号板是薄板且2号板是薄板，如图8(a)所示]。

(2)t1/P>0.75且t2/P<1.25[1号板是厚板且2号板是薄板，如图8(b)所示]。

(3)t1/P<0.75且t2/P>1.25[1号板是薄板且2号板是厚板，如图8(c)所示]。

(4)t1/P>0.75且t2/P>1.25[1号板是厚板且2号板是厚板，如图8(d)所示]。

图8 冷弯薄壁钢对钢自攻螺钉抗剪连接极限状态预测模型不同构件配置

以第一种情况(1号板、2号板均是薄板)为例分析构件受力情况。1号板和2号板被固定在螺帽和螺纹之间，1号板被认为是约束在螺帽和第一个螺纹之间，而2号板被认为是约束在第一个和第二个螺纹之间。在所提出的连接件抗剪模型中，2块板件中心线上的抗剪力偶Ms会导致螺钉发生倾斜，并且由“螺帽-叠合板件-螺纹”接触产成的抵抗力偶Mr来平衡。因为自攻螺钉发生倾角时，自攻螺钉与1号板之间的接触部分会对1号板产生压力Fc，同时与2号板接触的螺杆部分会受到由于螺纹与2号板的接触所产生的拉力Ft。Ft的产生是因为螺纹接触抑制了螺钉被拉出。总之，因为“螺帽-叠合板件-螺纹”之间的接触所产生的拉力和压力抵抗了外力在连接件上所施加的抗剪力偶。受力示意图如图9～图11所示。

图9 总体受力示意图

图10 自攻螺钉受力示意图

图11 冷弯薄壁板件受力示意图

Mr在板件上的反作用力偶会对1号板造成局部承压变形，这个变形也会加剧螺钉发生倾斜，2号板可能也会发生局部承压变形。然而，由于螺帽与1号板件的接触面积大约是2号板与螺纹接触面积的6倍(对于大多数螺钉而言)，那么对于相同厚度的板件，1号板的抵抗力矩大于2号板的抵抗力矩。由于主要承压变形发生在1号板件上，假定螺钉保持其自身刚度不变，2号板会相对于1号板发生位移。要想知道1号板和2号板要多薄才会发生上述板件局部承压变形和板件相对位移情况，就需要将螺纹间距作为设计变量。其他三种情况分析类似。随着板件厚度的增加，螺钉在峰值荷载下的倾斜角度会减小，当板件足够厚时，会发生螺钉的抗剪破坏。

因为螺帽和1号板的接触面积大于2号板与螺纹的接触面积，所以“螺帽-1号板-螺纹”接触会比“螺纹-2号板-螺纹”接触提供一个更大的抵抗力矩。因此，对于所提出的模型，建议1号板厚度要超过螺距的75%以提供足够的厚度抵抗螺钉倾斜，而完全与螺纹接触的2号板厚度应该要超过螺距的125%以限制螺钉倾斜。现在将上述突出的四种情况进行相关的极限状态预测。

(1) 若1号板是薄板且2号板也是薄板 (t1/P<0.75且t2/P<1.25)，螺钉将发生倾斜。认为对于该类型冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接情况下，连接件的极限状态应为螺钉倾斜及钢板螺孔处发生承压破坏。1号板将会发生局部承压变形，2号板相对于1号板发生滑移，这导致自攻螺钉发生倾斜 (θ>10°)。由于紧固件的倾斜，1号板和2号板的孔处截面会产生承压力，另外2号板与螺纹的接触处也会产生拉力用以阻止紧固件被拉出。

(2) 若1号板是厚板，2号板是薄板 (t1/P>0.75且t2/P<1.25)，螺钉不会发生倾斜旋转。认为对于该类型冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接情况下，连接件的极限状态应为2号板承压和撕裂破坏。“螺帽-1号板-螺纹”接触处的抵抗力矩会阻止螺钉发生倾斜。预计极限状态时螺钉仍接近竖直状态，略微倾斜 (θ>10°)，较薄板(2号板)会发生承压和撕裂破坏。

(3) 若1号板是薄板，2号板是厚板 (t1/P<0.75且t2/P>1.25)，螺钉不会发生倾斜旋转。认为对于该类型冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接情况下，连接件的极限状态应为1号板承压和撕裂破坏。“螺纹-2号板-螺纹”接触处的抵抗力矩会阻止螺钉发生倾斜。预计极限状态时螺钉仍接近竖直状态，略微倾斜 (θ>10°)，较薄板(1号板)会发生承压和撕裂破坏。此外，由于1号板被固定于螺帽和2号板件之间，1号板与螺帽处的承压应力较大，除非螺钉被剪断，1号板孔处会发生承压变形。

(4) 若1号板是厚板且2号板也是厚板 (t1/P>0.75且t2/P>1.25)，螺钉不会发生倾斜旋转。认为对于该类型冷弯薄壁型钢自攻螺钉连接情况下，连接件的极限状态应为螺钉的抗剪破坏。

4 结束语

在《冷弯薄壁型钢结构设计规范》(GB/J 50018—2002) 中，没有提及自攻螺钉抗剪连接时明确的分类极限状态，相关研究内容在文献当中也相对贫乏。本文依据试验研究结果和理论受力状态分析，提出了冷弯薄壁型钢自攻螺钉抗剪连接的极限状态预测初步模型，该模型以钢板厚度、螺纹间距和螺钉倾斜状态的不同为突破口进行了分类预测。