陳學森， 施 剛， 陳玉峰

(1 土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，清華大學土木工程系， 北京 100084；2 北京市鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，清華大學土木工程系， 北京 100084)

0 引言

高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)工程的重要發(fā)展方向之一[1]。由于鋼材屈服強度提高，高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)對連接承載力要求也相應(yīng)提高。高強度螺栓抗剪連接是鋼結(jié)構(gòu)中一種重要連接形式，根據(jù)承載能力極限狀態(tài)的不同可分為摩擦型抗剪連接和承壓型抗剪連接[2]；其中，高強度螺栓摩擦型抗剪連接利用連接板間的摩擦傳力，以板件出現(xiàn)相對滑動作為承載能力極限狀態(tài)，具有構(gòu)件變形小、連接密實、疲勞荷載作用下不易滑動等優(yōu)點，是我國相關(guān)規(guī)范要求在承重構(gòu)件及主要連接接頭處使用的連接形式[2-4]。由于高強度螺栓摩擦型抗剪連接的承載能力與接觸面的抗滑移系數(shù)密切相關(guān)，為提高其抗剪承載力以滿足高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用需求，需改進接觸面處理方式以提高其抗滑移系數(shù)。

目前，國內(nèi)外學者對鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接中的接觸面抗滑移系數(shù)已開展了一定研究。20世紀五六十年代，以Lehigh大學Fisher為代表的一批學者通過系列試驗研究得到了高強度螺栓摩擦型抗剪連接在不同接觸面處理方式下的抗滑移系數(shù)[5-13]；20世紀80年代以來，王伯琴[14]、侯兆欣[15]等國內(nèi)學者也開展了大量高強度螺栓摩擦型和承壓型抗剪連接的試驗研究，得到了不同接觸面處理方式的抗滑移系數(shù)。隨著高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，近年來國內(nèi)外學者也對應(yīng)用高強度鋼材的螺栓連接抗滑移系數(shù)進行了試驗研究。李友志等[16]針對Q345，Q460，Q550，Q690四種鋼材和拋丸、噴砂兩種接觸面處理方式的螺栓連接進行了試驗研究，表明高強度鋼材的抗滑移系數(shù)低于Q345鋼材；潘斌[17]、胡鵬天[18]開展了Q460，Q550，Q690三種高強度鋼材的高強度螺栓摩擦型抗剪連接試驗研究，探究了噴砂、噴砂后涂無機富鋅漆、未經(jīng)處理的干凈軋制表面三種接觸面處理方式的抗滑移性能，表明高強度鋼材的抗滑移系數(shù)小于同條件下規(guī)范給出的普通鋼材的抗滑移系數(shù)值。Husson[19]和Heistermann[20]測定了風力發(fā)電塔使用的高強度鋼材兩種接觸面處理方式的抗滑移系數(shù)，提出螺栓孔壁過早屈服、鋼板厚度減小會引起螺栓預拉力損失，降低滑移荷載，而采用高強度鋼材有助于提高滑移荷載。Cruz[21]比較了S275等級普通強度鋼材和S690等級高強度鋼材在同種接觸面處理方式下的抗滑移系數(shù)，發(fā)現(xiàn)高強度鋼材拋丸處理得到的抗滑移系數(shù)略小于普通強度鋼材，而拋丸后噴涂75μm厚鋅層得到的抗滑移系數(shù)又大于普通強度鋼材，但總體上抗滑移系數(shù)受鋼材強度等級的影響并不明顯。目前，針對抗滑移系數(shù)是否受鋼材強度等級的影響尚未形成公認結(jié)論，所以有必要開展進一步研究，以論證高強度螺栓摩擦型連接應(yīng)用于高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)中時的受力性能。

高強度鋼材屈服強度的提高要求提高接觸面的抗滑移系數(shù)以保證摩擦型連接的抗剪承載能力。在橋梁工程中，結(jié)合防腐需求，常用電弧熱噴鋁的方法進行接觸面處理。目前國內(nèi)外學者對這一接觸面處理方式已開展了初步研究[22-28]，見表1。

由于電弧熱噴鋁表面抗滑移系數(shù)的試驗方法、接觸面處理具體工藝等差異，已有試驗研究得到的接觸面抗滑移系數(shù)離散性較大。但相應(yīng)研究仍可表明，電弧熱噴鋁的接觸面處理方式可較為顯著地提高鋼材接觸面的抗滑移系數(shù)。

電弧熱噴鋁表面的抗滑移系數(shù)文獻匯總 表1

綜上所述，本文結(jié)合《高強鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》的編制，選取Q460C，Q460D，Q890C三種牌號的高強度鋼材，主要針對電弧熱噴鋁接觸面處理方法的抗滑移系數(shù)進行試驗研究，同時也對軋制表面砂輪除銹和軋制表面鋼絲刷除銹兩種接觸面處理方式應(yīng)用于高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)時的性能開展研究，以期為高強度鋼材高強度螺栓摩擦型連接設(shè)計方法的制定提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)[3]，采用雙蓋板對稱連接接頭形式，設(shè)計了7組共19個高強度螺栓摩擦型抗剪連接兩栓試驗試件，試件參數(shù)及編號見圖1和表2。其中，電弧熱噴鋁試件共15個，其制備如圖2所示；同批次未經(jīng)處理干凈軋制表面的Q460鋼材試件生赤銹后，采用鋼絲刷清除浮銹和砂輪打磨除銹兩種方式處理鋼板表面，并分別制作了兩個連接接頭試件；在采用鋼絲刷或砂輪除銹時，沿與試件軸向呈45°的兩正交方向交錯打磨，直至接觸面范圍內(nèi)均露出帶金屬光澤的軋制表面。

圖1 高強度螺栓摩擦型連接試件尺寸

圖2 電弧熱噴鋁試件的制備

表2

為保證電弧熱噴鋁試件接觸面處理的規(guī)范性，試件的制備參照《鐵路鋼橋保護涂裝及涂料供貨技術(shù)條件》(TB/T 1527—2011)[29]進行：先進行Sa3等級噴砂，噴砂后表面粗糙度達到RZ50-100μm要求；然后在4h內(nèi)進行熱噴涂作業(yè)，金屬涂層厚度控制為200±50μm(噴涂至少兩遍以上，盡量相互垂直)；鋁絲材質(zhì)符合《變形鋁及鋁合金化學成分》(GB/T 3190—2008)[30]中5A02的規(guī)定；具體技術(shù)要求符合《熱噴涂金屬和其他無機覆蓋層 鋅、鋁及其合金》(GB/T 9793—2012)[31]的相關(guān)規(guī)定。

1.2 加載裝置及測量

試驗裝配時，采用扭矩扳手對10.9級高強度螺栓施加預拉力；按照《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)[3]要求，10.9級M16螺栓預拉力設(shè)計值為100kN，10.9級M20螺栓預拉力設(shè)計值為155kN。在試件每顆螺栓上安裝壓力傳感器以檢測并控制螺栓預拉力，各試件預拉力施工誤差控制在±2%以內(nèi)。雙蓋板接頭處的高強度螺栓施擰時，由中間向兩端逐個施擰，分初擰和終擰兩次完成。

試件裝配后，安裝在液壓萬能試驗機上，并保證試件與夾具中心對中，然后進行豎向單調(diào)拉伸加載，如圖3所示。滑移前按力控制加載，加載速率不大于0.5kN/s；滑移后按位移控制加載，加載速率不大于1.5mm/min。試驗過程中利用軸力檢測儀監(jiān)測試件各螺栓的預拉力變化。通過萬能試驗機力傳感器輸出并記錄施加在接頭兩端的荷載，試驗機拉力數(shù)值每增加50kN時停止加載并保持10s以上，待軸力檢測儀示值穩(wěn)定后記錄各螺栓實時預拉力數(shù)值，用于監(jiān)測螺栓的預拉力損失。

圖3 試驗裝置示意圖

1.3 材料性質(zhì)

試驗試件中使用的鋼板包括6mm厚Q890鋼材(Q890-6)、10mm厚Q460鋼材(Q460-10)和12mm厚Q460鋼材(Q460-12)，針對每種高強鋼板材，在與試驗試件同一批次的鋼板上分別取樣加工3個標準材性試件并進行拉伸試驗，得到的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4，得到的主要材性指標結(jié)果見表3，其中fy為Q460鋼材的屈服強度或Q890鋼材0.2%塑性應(yīng)變的條件屈服強度；εu為抗拉強度對應(yīng)的應(yīng)變，εst為Q460鋼材的屈服平臺末端應(yīng)變。

高強鋼材料性能試驗結(jié)果 表3

圖4 試件鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 試驗結(jié)果

2.1 試件破壞形式

試件滑移時，側(cè)面的標示線發(fā)生明顯錯動，可用于滑移荷載的判定。如圖5所示，試驗后各接觸面在螺栓孔周邊的板材表面都呈現(xiàn)亮白色的磨擦痕跡，但各螺栓孔周圍的磨損程度不均勻，這是因為試件在達到滑移荷載時，板面的平整度、清潔度及涂層粗糙度存在差異，并且各螺栓孔處受力狀態(tài)不同。

圖5 試件加載后的概貌(M20-460-12-A)

2.2 荷載-位移曲線

試驗獲得的各組試件的荷載-位移曲線見圖6。荷載-位移曲線可明顯區(qū)分摩擦型連接接頭的摩擦階段和滑移階段，其中位移Δ是試驗機夾具間實測位移，由芯板與蓋板的伸長、夾具與芯板間的滑移兩部分組成；荷載為試驗機傳感器的實測荷載。由于試件安裝時需要手動調(diào)整試件位置并確保夾具夾緊芯板端頭，所以在安裝完成后試件內(nèi)已產(chǎn)生一定內(nèi)力，即圖6各曲線在零位移時已有較小荷載；但由于試驗機傳感器給出的荷載為真實荷載，所以曲線中的荷載初值不會影響滑移荷載的精度。彈性階段試件的剛度基本一致；滑移時，位移變化顯著，并有明顯的拐點。試驗中依據(jù)曲線在彈性段峰值處的拐點來確定滑移荷載。圖6(h)對比了三種牌號鋼材的9個電弧熱噴鋁試件，其中Q890-6試件滑移荷載最大，Q460-12試件滑移荷載最小，表明鋼材強度的提高并未降低連接接頭的受剪承載力，板厚較小時接頭的承載力相對較高。

圖6 典型的荷載-位移曲線

2.3 滑移荷載及抗滑移系數(shù)

依據(jù)試驗結(jié)果，可按下式計算各試件抗滑移系數(shù)：

(1)

式中：μ為抗滑移系數(shù)；Nv為實測滑移荷載；nf為接觸面?zhèn)€數(shù)(此處取為2)；Pt為螺栓初始預拉力。

試驗結(jié)果匯總見表4，其中高強度鋼材電弧熱噴鋁接觸面處理方法的抗滑移系數(shù)結(jié)果范圍為0.60～0.80，平均值為0.71。與表1中匯總的已有試驗結(jié)果相比，本次試驗得到的抗滑移系數(shù)范圍與大部分已有試驗得到的電弧熱噴鋁接觸面抗滑移系數(shù)范圍相似，且普遍明顯高于現(xiàn)行規(guī)范中常規(guī)表面處理方法的抗滑移系數(shù)值。雖然試驗方法及涂層厚度、具體工藝等參數(shù)存在差異，但通過試驗得到的抗滑移系數(shù)結(jié)果普遍較高，且除文獻[24]中的少量結(jié)果外，表1匯總的其余電弧熱噴鋁接觸面抗滑移系數(shù)均高于本文試驗中得到的最小值0.60。所以，盡管本次試驗的試件數(shù)量相對較少，但得到的抗滑移系數(shù)范圍具有一定的代表性，因此建議在設(shè)計中可依據(jù)本次試驗得到的最小值進行抗滑移系數(shù)取值，即在高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)中，電弧熱噴鋁接觸面抗滑移系數(shù)取為0.60。

試驗結(jié)果 表4

此外，本文試驗得到的軋制面鋼絲刷除銹的接觸面抗滑移系數(shù)平均值為0.55，最小值為0.47；軋制面砂輪除銹的接觸面抗滑移系數(shù)平均值為0.27，最小值為0.23?；谠囼灲Y(jié)果，高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)中，高強度螺栓連接的摩擦面不宜采用砂輪除銹方式；建議對軋制面鋼絲刷除銹的接觸面抗滑移系數(shù)取值為0.45。

2.4 預拉力損失

已有研究表明，高強度螺栓的預拉力施加完成后，未進行其他加載的情況下，預拉力松弛導致的預拉力損失一般不超過2.5%[32]。本次試驗中預拉力施加后立即進行加載，所以預拉力松弛的影響會更小[33-34]。但是，由于板件的泊松比效應(yīng)，試件受力后，板件的實際厚度減小，導致高強度螺栓的長度減小，從而引起預拉力損失。針對電弧熱噴鋁抗滑移試驗中的兩組試件M20-460-10-A和M20-460-12-A，分別以試驗機拉力50～350kN區(qū)間范圍內(nèi)實測的7個數(shù)據(jù)點擬合得到了加載過程中10.9級高強度螺栓的實測預拉力和試驗機拉力之間的線性關(guān)系，見圖7。結(jié)果表明，在試件發(fā)生滑移前，預拉力隨荷載的增大呈線性下降，最大預拉力損失可達10%以上；試件發(fā)生滑移后，螺栓預拉力則迅速下降。

圖7 螺栓預拉力的損失

需要說明的是，按照式(1)計算抗滑移系數(shù)時，螺栓預拉力是實測的初始螺栓預拉力，而不是滑移荷載對應(yīng)的螺栓預拉力，所以試驗得到的抗滑移系數(shù)并不能完全代表相應(yīng)表面的摩擦系數(shù)。由于實際工程設(shè)計中也僅能控制螺栓的初始預拉力而無法控制螺栓的實際預拉力，所以基于初始預拉力得到的抗滑移系數(shù)可能會隨著螺栓規(guī)格、初始預拉力大小和板件受力狀態(tài)發(fā)生一定的變化，因此對不同狀態(tài)下高強度螺栓抗滑移系數(shù)的準確取值還需要開展進一步的研究。盡管如此，由于高強度螺栓施工過程中已進行一定程度(約10%)的超張拉[3]，而預拉力松弛導致的預拉力損失又相對較小[32]，所以以本研究結(jié)果為依據(jù)進行設(shè)計可得到偏于安全的結(jié)果。

3 結(jié)論

本文進行了7組高強度鋼材高強度螺栓摩擦型抗剪連接試件的試驗研究，得到了電弧熱噴鋁接觸面處理方法的抗滑移系數(shù)，并與軋制面砂輪除銹、軋制面鋼絲刷除銹的抗滑移系數(shù)進行比較，主要結(jié)論如下：

(1)高強度螺栓摩擦型連接接頭的拉伸荷載-位移曲線可以清楚反映承載的兩個階段，即摩擦階段和滑移階段；摩擦階段接頭發(fā)生整體彈性變形，試驗后可以觀察到摩擦面的磨損。

(2)根據(jù)螺栓的初始預拉力計算了接觸面抗滑移系數(shù)，采用電弧熱噴鋁、軋制面鋼絲刷除銹和軋制面砂輪除銹的高強度鋼材試件的抗滑移系數(shù)平均值分別為0.71，0.55和0.27；未發(fā)現(xiàn)采用電弧熱噴鋁接觸面處理方式抗滑移系數(shù)與鋼材強度等級間的直接關(guān)系。

(3)高強度螺栓連接的接觸面不宜采用砂輪除銹方式；在設(shè)計中可依據(jù)本次試驗得到的最小值進行抗滑移系數(shù)取值，建議在高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)中，電弧熱噴鋁接觸面的抗滑移系數(shù)取為0.60，軋制面鋼絲刷除銹接觸面的抗滑移系數(shù)取為0.45。

(4)監(jiān)測了10.9級高強度螺栓預拉力的損失，表明荷載作用下高強度螺栓摩擦型連接接頭的螺栓預拉力損失可達10%以上；對不同狀態(tài)下高強度螺栓抗滑移系數(shù)的準確取值還需要開展進一步的研究，但以本研究結(jié)果為依據(jù)進行設(shè)計可得到偏于安全的計算結(jié)果。