李靜堯,聶詩(shī)東,曾 佳,戴國(guó)欣

(1.重慶大學(xué)a.土木工程學(xué)院;b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,重慶 400045;2.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610093)

隨著高強(qiáng)鋼在建筑工程中的大量應(yīng)用,高強(qiáng)鋼 高強(qiáng)螺栓抗剪連接的研究越來越深入?，F(xiàn)有研究主要集中在高強(qiáng)鋼 高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)造、受力性能和承載力等方面。Chen等[1]開展了460 MPa和890 MPa高強(qiáng)鋼雙剪連接試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鋼材強(qiáng)度對(duì)破壞模式有較大影響,建議調(diào)整構(gòu)造要求充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼的優(yōu)勢(shì)。Puthli等[2]研究了邊距和中距對(duì)S460板承壓強(qiáng)度的影響,認(rèn)為應(yīng)放寬歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)中距和邊距的限值。Wang等[3]通過550 MPa、690 MPa、890 MPa高強(qiáng)鋼單顆螺栓雙剪連接拉伸試驗(yàn),研究了端距、邊距、鋼材強(qiáng)度等級(jí)對(duì)抗剪連接破壞模式、承載力、峰值位移的影響。郭宏超等[4]研究了高強(qiáng)鋼材料強(qiáng)度和螺栓布置方式對(duì)連接承載力和變形的影響,認(rèn)為螺栓預(yù)拉力對(duì)抗剪強(qiáng)度和變形沒有影響。Winter[5]將螺栓抗剪連接的破壞模式歸納為以下4種:端部撕裂、孔壁承壓破壞、凈截面拉斷和螺栓剪斷。石永久等[6]通過9組Q460高強(qiáng)鋼雙剪連接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范都不能較好地預(yù)測(cè)其破壞模式和極限承載力。Mo?e等[7]對(duì)帶孔S690鋼板的拉伸試驗(yàn)表明,所有的凈截面破壞都是延性的,綜合Kim、Rex和Puthli的試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了發(fā)生承壓破壞與凈截面破壞的端距與邊距比值的界限值[2,8-10]。Wang等[3]基于Rex[10]、Mo?e[7,9]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范背景文件中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性回歸了試件剪出破壞承載力、撕裂破壞承載力與端距的關(guān)系,給出了發(fā)生剪出破壞和撕裂破壞的端距與邊距比值的界限值(該界限值與鋼材的屈強(qiáng)比有關(guān))。有學(xué)者對(duì)滑移系數(shù)與鋼材強(qiáng)度的關(guān)系[11]、長(zhǎng)連接時(shí)鋼材的局部變形能力[12]、塊剪破壞[13]、帶填板的雙剪連接[14]等進(jìn)行研究。

目前,高強(qiáng)鋼 高強(qiáng)螺栓抗剪連接的研究對(duì)象集中于雙剪連接,鋼材主要為國(guó)產(chǎn)Q460、歐洲S690高強(qiáng)鋼材,螺栓主要為8.8級(jí)和10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓,少有更高等級(jí)高強(qiáng)鋼 高強(qiáng)螺栓抗剪連接的相關(guān)研究成果。大多數(shù)的高強(qiáng)螺栓抗剪連接研究中未施加螺栓預(yù)拉力,缺乏預(yù)拉力對(duì)高強(qiáng)螺栓抗剪連接承載力、變形的相關(guān)研究。文中通過國(guó)產(chǎn)690 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼—10.9級(jí)、12.9級(jí)高強(qiáng)螺栓抗剪連接試驗(yàn),分析了螺栓、預(yù)拉力和連接構(gòu)造對(duì)承壓型抗剪連接承載力和變形的影響,考慮Q690高強(qiáng)鋼的局部變形能力,并對(duì)剪出破壞和撕裂破壞模式的幾何界限進(jìn)行討論。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件設(shè)計(jì)主要考慮了螺栓強(qiáng)度等級(jí)、螺栓布置形式、螺栓直徑、有無預(yù)拉力以及試驗(yàn)板幾何尺寸的影響,幾何尺寸包括端距、邊距和中距。設(shè)計(jì)了32組雙剪切面試件,其中,25組Q690+12.9M20試件,3組Q690+10.9M20試件,4組Q690+10.9M16試件。試件由試驗(yàn)板、蓋板、高強(qiáng)螺栓和夾板組成,同一試件的試驗(yàn)板和蓋板采用相同的幾何尺寸(端距、邊距、中距),如圖1所示,螺栓的布置形式包括單顆螺栓、兩顆螺栓縱向布置、兩顆螺栓橫向布置3類布置形式,分別以字母“A”、“B”和“C”表示。試件試驗(yàn)板實(shí)際尺寸如表1所示,試件編號(hào)中“n”表示不施加預(yù)拉力。為了便于觀察試件破壞之后試驗(yàn)板的局部變形,在試驗(yàn)板與蓋板的接觸面上繪制了1 cm×1 cm的網(wǎng)格。

表1 試驗(yàn)板實(shí)際尺寸Table 1 Actual dimensions of test plates mm

圖1 抗剪連接試件示意圖Fig.1 Shear connection specimens schematic

1.2 材料性能試驗(yàn)

試件所用鋼材和高強(qiáng)螺栓的材料性能,如表2和表3所示,表中fy和fu分別為鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度;分別為螺栓的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

表2 Q690鋼材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Mechanical properties of Q690 steel

表3 高強(qiáng)螺栓材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Mechanical properties of high strength bolts

1.3 高強(qiáng)螺栓副扭矩系數(shù)

為了準(zhǔn)確對(duì)螺栓施加預(yù)拉力,測(cè)定了采用的6種規(guī)格高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)。各批次高強(qiáng)螺栓的扭矩系數(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示,各組扭矩系數(shù)平均值為0.110～0.150,扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差小于0.01,滿足《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角頭螺母、墊圈技術(shù)條件》(GB/T 1231—2006)規(guī)范要求。

表4 螺栓實(shí)測(cè)扭矩系數(shù)和施工預(yù)拉力Table 4 Measured torque coefficient and construction pretension of high strength bolts

1.4 試驗(yàn)裝置與加載制度

試驗(yàn)在1 000 k N萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載裝置和測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示,在試件兩側(cè)各布置1個(gè)量程為50 mm的位移計(jì),在試驗(yàn)機(jī)下夾具與試件上測(cè)量點(diǎn)之間布置位移計(jì),以監(jiān)測(cè)夾具與板件之間的滑移。萬能試驗(yàn)機(jī)施加的拉力由試驗(yàn)機(jī)的力傳感器記錄,位移計(jì)和應(yīng)變片數(shù)據(jù)由DH3816 N采集儀記錄。

圖2 加載裝置和測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Loading device and measuring point

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞模式

試驗(yàn)中觀察到鋼板剪出破壞、撕裂破壞、承壓破壞、凈截面破壞和螺栓剪切破壞共5種破壞模式。試驗(yàn)板發(fā)生剪切破壞時(shí),螺栓向前擠壓鋼板,螺栓孔被拉長(zhǎng)直至破壞,可明顯觀察到試驗(yàn)板上的剪切線和螺栓孔前的“剪出塊”,如圖3(a)所示;試驗(yàn)板發(fā)生撕裂破壞時(shí),試驗(yàn)板的螺栓孔正前方板件邊緣被撕裂,裂縫從試驗(yàn)板邊緣斜向發(fā)展至被拉長(zhǎng)螺栓孔的一側(cè),如圖3(b)所示;發(fā)生承壓破壞的試件僅觀察到螺栓孔被拉長(zhǎng)的現(xiàn)象,如圖3(c)所示;在凈截面破壞的試件中,可以觀察到試件削弱截面有較明顯“頸縮”現(xiàn)象,如圖3(d)所示;發(fā)生螺栓剪切破壞的試件,螺桿沿剪切面被光滑剪斷,破壞時(shí)螺栓孔變形較小,如圖3(e)所示。各破壞模式對(duì)應(yīng)數(shù)量,如表5所示,試驗(yàn)中存在個(gè)別混合態(tài)破壞的試件,統(tǒng)計(jì)時(shí)以最終的破壞模式統(tǒng)計(jì)。

表5 試件破壞模式統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of failure mode

圖3 破壞模式Fig.3 Failure modes

2.2 抗剪連接試驗(yàn)結(jié)果

抗剪連接試件的極限承載力和變形如表6所示,Pc是施工預(yù)拉力,Fs是滑移荷載,Δs是滑移位移,Fu是極限承載力,Δp是峰值位移?；莆灰迫≈翟瓌t:對(duì)于有螺栓預(yù)拉力試件,取試件滑移前后的位移差;對(duì)于無預(yù)拉力試件,取試件受荷后,對(duì)應(yīng)荷載為10 k N時(shí)的位移。文中峰值位移和極限位移已扣除了滑移位移。

表6 試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results

續(xù)表6

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 Q690鋼材料

鋼材的變形能力對(duì)高強(qiáng)鋼 高強(qiáng)螺栓連接有重要影響,承壓型抗剪連接是通過螺栓與孔壁的承壓接觸傳遞荷載,螺栓孔導(dǎo)致的板材凈截面削弱和加載初期螺栓與孔壁之間的擠壓會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,鋼材很快進(jìn)入塑性,如果鋼材有較高延性,就能夠有效地進(jìn)行應(yīng)力重分布,提高連接的極限承載力。圖4展示了3種螺栓布置形式下發(fā)生承壓破壞試驗(yàn)板的變形,3個(gè)試件的端距相近,破壞形態(tài)也相近,均是最外側(cè)螺栓孔擠壓變形,端部發(fā)生撕裂破壞造成試件失效。表7給出了部分撕裂破壞試件的承載力和變形。由表可知,B系列試件與C系列試件的承載力相近,是A系列試件的2倍;B系列試件的失效方式與A系列、C系列失效方式相同,認(rèn)為B系列試件破壞時(shí),里側(cè)螺栓孔壁與外側(cè)螺栓孔壁貢獻(xiàn)了相同的承壓承載力,里側(cè)螺栓孔處的鋼板變形能滿足外側(cè)螺栓孔破壞時(shí)的位移需求,認(rèn)為試驗(yàn)采用的Q690高強(qiáng)鋼材局部變形能力良好,應(yīng)用于兩顆螺栓沿受力方向布置的雙剪連接中能較好地實(shí)現(xiàn)內(nèi)力的重分布。

表7 不同螺栓布置形式試件的承載力和變形比較Table 7 Comparison of load and deformation of specimens with different arrangements

圖4 不同螺栓布置形式的試驗(yàn)板變形圖Fig.4 The deformation diagram of test plates with different bolt arrangement

3.2 高強(qiáng)螺栓

3.2.1 螺栓等級(jí)和規(guī)格的影響

由表6可知,配置12.9級(jí)螺栓試件的破壞模式差異較大,配置10.9級(jí)螺栓的試件均發(fā)生了螺栓剪切破壞。表8中列出了滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)》端距、邊距和中距的要求而螺栓不同的對(duì)比試件。由表8可知,發(fā)生螺栓剪切破壞的試件,其承載力與螺栓直徑和螺栓強(qiáng)度等級(jí)正相關(guān);試件的變形能力和承載力正相關(guān),其變形能力與螺栓直徑和螺栓強(qiáng)度等級(jí)正相關(guān)。

表8 配置不同螺栓試件發(fā)生剪切破壞的承載力和變形Table 8 Bearing capacity of specimens with bolt shear failure

3.2.2 預(yù)拉力影響

圖5展示了預(yù)拉力在螺栓剪切破壞和撕裂破壞模式下對(duì)試件承載力的影響,可以看出,預(yù)拉力對(duì)發(fā)生螺栓剪切破壞的試件承載力有明顯提升,B系列試件和C系列試件承載力提升為滑移荷載的14.7%和12.5%;而對(duì)發(fā)生鋼板撕裂破壞的試件影響并不明顯,原因在于發(fā)生撕裂破壞的試件臨近破壞時(shí),有預(yù)拉力試件的蓋板和試驗(yàn)板之間的摩擦力已經(jīng)很小,可以忽略螺栓預(yù)拉力對(duì)撕裂破壞試件極限承載力的影響。圖6顯示了預(yù)拉力對(duì)撕裂破壞和螺栓剪切破壞試件變形能力的影響,可以看出,施加預(yù)拉力會(huì)使發(fā)生撕裂破壞的試件峰值位移變小,發(fā)生螺栓剪切破壞的試件峰值位移增大。實(shí)際上,試驗(yàn)滑移位移的取值原則將導(dǎo)致有預(yù)拉力試件的峰值位移偏小。有螺栓預(yù)拉力試件滑移之后,螺栓桿與孔壁的沖擊產(chǎn)生了一定的螺栓孔變形,而按照上述取值原則得到有螺栓預(yù)拉力試件的滑移位移實(shí)際上已包含了這部分變形,文中給出的有螺栓預(yù)拉力試件的峰值位移偏低。對(duì)于發(fā)生螺栓剪切破壞的試件,預(yù)拉力提高了試件的承載力,而承載力越大,螺栓孔的變形也越大,造成了有螺栓預(yù)拉力試件的峰值位移比無螺栓預(yù)拉力試件的峰值位移更大的現(xiàn)象。

圖5 預(yù)拉力對(duì)不同破壞模式試件承載力的影響Fig.5 Effect of pretension on the bearing capacity of specimens with different failure modes

圖6 預(yù)拉力對(duì)不同破壞模式試件變形的影響Fig.6 Effect of pretension on the deformation of specimens with different failure modes

3.3 連接構(gòu)造

3.3.1 螺栓布置形式的影響

表9列舉了不同螺栓布置形式下發(fā)生不同破壞模式試件的承載力和峰值位移,表中,Fu,A代表對(duì)應(yīng)A系列試件的承載力。對(duì)于發(fā)生撕裂破壞的試件,同一組內(nèi)3個(gè)試件的端距相近,B系列試件與C系列試件的承載力差異不大,偏差最大為2.2%,且均為A系列試件極限承載力的2倍,即螺栓布置形式對(duì)兩顆螺栓抗剪連接試件的承壓承載力影響不大。對(duì)于螺栓剪切破壞的試件,試件B-10.9-1的承載力比試件A-10.9-1承載力的2倍小5.6%,比試件C-10.9-3的承載力小5.9%。而采用12.9級(jí)高強(qiáng)螺栓的試件中,B系列試件比C系列試件的承載力略小2%。這主要是螺栓與鋼材的級(jí)配引起的,在螺栓沿受力方向(縱向)布置的抗剪連接中,螺栓較弱而鋼板較強(qiáng)時(shí),螺栓孔的變形較小導(dǎo)致螺栓受力不均勻。所以,螺栓抗剪承載力與連接承壓承載力相差較大時(shí),多顆螺栓連接節(jié)點(diǎn)中螺栓受力不均勻,降低連接的抗剪承載力。對(duì)試件的變形影響方面,B系列試件都比C系列試件的位移大,且大于A系列試件的位移。沿受力方向布置螺栓的抗剪連接比垂直受力方向布置螺栓的連接變形大。

表9 不同螺栓布置形式試件的承載力和變形比較Table 9 Comparison of load and deformation of specimens with different arrangements

3.3.2 端距和邊距的影響

為了方便分析,將承載力無量綱化為

式中:Fu是試件承載力;fu是鋼材抗拉強(qiáng)度;t是試驗(yàn)板厚度;d是螺栓公稱直徑;An是試件削弱截面的截面積;A是螺栓的受剪截面積,當(dāng)剪切面經(jīng)過螺紋段時(shí),取螺栓的有效截面積Ae。

圖7、圖8分別展示了試件承載力與端距、邊距的變化關(guān)系,連線表示僅端距變化的點(diǎn)。端距和邊距對(duì)試件變形的影響,如圖9和圖10所示。在承載力影響方面,如圖7(a)所示,對(duì)剪出破壞和撕裂破壞試件,在試驗(yàn)的端距范圍內(nèi),隨著端距的增大,試件的破壞模式由剪出破壞向撕裂破壞過渡,承壓應(yīng)力比線性增長(zhǎng)。圖8(a)表明,在試驗(yàn)的邊距范圍內(nèi),承壓應(yīng)力比與邊距無明顯的相關(guān)關(guān)系。發(fā)生凈截面破壞的試件的凈截面應(yīng)力比分布均在1.00～1.10,如圖7(b)和圖8(b)所示,試件的承載力與端距無相關(guān)關(guān)系;但根據(jù)式(2)計(jì)算凈截面應(yīng)力比時(shí),包含了邊距的影響,說明其承載力與邊距有明顯的正相關(guān)關(guān)系。如圖7(c)和圖8(c)所示,發(fā)生螺栓剪切破壞的試件的螺栓剪切應(yīng)力比大都大于,即0.577,與端距、邊距均未呈現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖7 端距對(duì)試件承載力的影響Fig.7 Effect of end distance on bearing capacity of specimens

圖8 邊距對(duì)試件承載力的影響Fig.8 Effect of edge distance on bearing capacity of specimens

在變形影響方面,如圖9(a)和圖10(a)所示,對(duì)發(fā)生剪出破壞和撕裂破壞的試件,隨著端距增大,試件的峰值位移不斷增加,表明發(fā)生撕裂破壞的試件較發(fā)生剪出破壞的試件有更好的延性;而未見變形與邊距有明顯相關(guān)關(guān)系。當(dāng)端距較大時(shí),發(fā)生撕裂破壞試件的承壓變形伴隨著一定的鋼板拉伸塑性變形,出現(xiàn)了試件變形增加較快的現(xiàn)象。試件發(fā)生凈截面破壞的位移如圖9(b)和圖10(b)所示,端距變化范圍不大,但峰值位移波動(dòng)較大,這主要是凈截面破壞時(shí)試件的螺栓孔變形引起的。圖10(b)中連線表示配置有相同螺栓,可以看出,試件的峰值位移隨邊距增大而增大。如圖9(c)和圖10(c)所示,發(fā)生螺栓剪切破壞試件的變形與端距和邊距均無明顯關(guān)系,這是由于發(fā)生螺栓剪切破壞的試件變形主要來自螺栓孔的擠壓變形,擠壓變形大小與螺栓抗剪極限承載力相關(guān),即與螺栓規(guī)格和等級(jí)相關(guān),而與試驗(yàn)板幾何尺寸無關(guān)。

圖9 端距對(duì)試件變形的影響Fig.9 Effect of end distance on deformation of specimens

圖10 邊距對(duì)試件變形的影響Fig.10 Effect of edge distance on deformation of specimens

4 破壞模式幾何界限分析

試驗(yàn)中存在混合破壞形態(tài)的試件,部分撕裂破壞試件伴隨著鋼板拉伸變形,部分凈截面破壞試件伴隨著螺栓孔的變形。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為在保證螺栓可靠的情況下,破壞模式與鋼材的強(qiáng)度等級(jí)無關(guān);文中對(duì)預(yù)拉力影響分析認(rèn)為,可以忽略螺栓預(yù)拉力對(duì)剪出破壞、撕裂破壞試件極限承載力的影響。為了研究剪出破壞、撕裂破壞和凈截面破壞發(fā)生的幾何尺寸界限,收集多篇文獻(xiàn)[2,3,6,9,15]中單一破壞類型的試驗(yàn)數(shù)據(jù),按凈截面應(yīng)力比統(tǒng)一繪制于圖11中?？梢钥闯?撕裂破壞、剪切破壞和凈截面破壞有較明顯的破壞界限。隨著e1/e2的增大,剪出破壞向撕裂破壞和承壓破壞過渡,兩者的界限范圍為(0.7～0.9)e1/e2;當(dāng)凈截面應(yīng)力比αn達(dá)到1時(shí),試件的破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮艚孛嫫茐?在此之后,隨著e1/e2的增大,凈截面應(yīng)力比不再增加;在統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi),承壓破壞試件分布在e1/e2=1附近。

圖11 端距邊距比對(duì)破壞模式的影響Fig.11 Effect of the ratio of end-to-edge distance on the failure modes

撕裂破壞和剪出破壞均有較強(qiáng)的線性關(guān)系,B系列撕裂破壞試件數(shù)據(jù)與A、C系列的偏差較大。通過線性回歸得到了A、C 2個(gè)系列撕裂破壞和剪出破壞凈截面應(yīng)力比與e1/e2的關(guān)系,當(dāng)應(yīng)力比αn=1的時(shí)候,剪出破壞和撕裂破壞的e1/e2分別為1.43和1.45,相差較小,即認(rèn)為A、C系列試件e1/e2大于1.43時(shí),更可能發(fā)生凈截面破壞,而小于1.43時(shí),更傾向于發(fā)生撕裂破壞。

5 結(jié) 論

1)高強(qiáng)鋼抗剪連接的可能破壞模式包括剪出破壞、撕裂破壞、承壓破壞、凈截面破壞和螺栓剪切破壞5種。隨著端距增大,破壞模式由剪出破壞向撕裂破壞過渡,發(fā)生撕裂破壞的試件較剪出破壞的試件擁有更好的延性和更高的承壓承載能力;發(fā)生凈截面破壞試件的承載力與邊距成正相關(guān)關(guān)系;未見螺栓剪切破壞與端距、邊距有明顯相關(guān)性。

2)Q690鋼具有良好的局部變形能力,應(yīng)用在兩顆螺栓縱向布置的雙剪連接中,能較好地實(shí)現(xiàn)內(nèi)力重分布,使得各螺栓受力均勻。

3)螺栓規(guī)格對(duì)抗剪連接的破壞模式有很大影響,高強(qiáng)螺栓與鋼材級(jí)配不當(dāng)會(huì)降低螺栓的抗剪承載力?？v向布置螺栓的抗剪連接形式可以增大連接的峰值位移,提高螺栓連接延性。

4)對(duì)發(fā)生螺栓剪切破壞的試件,螺栓預(yù)拉力的施加增大了試件極限承載力和峰值位移,但對(duì)發(fā)生撕裂破壞試件的極限承載力影響不大。

5)發(fā)生剪出破壞和撕裂破壞的試件,凈截面應(yīng)力比αn與端距邊距比e1/e2有明顯相關(guān)關(guān)系,且2種破壞模式的回歸曲線差別較小,2種破壞模式的界限范圍為(0.7～0.9)e1/e2,絕大部分凈截面破壞類型的試件,應(yīng)力比大于1.0。