冷彎薄壁型鋼單顆自攻螺釘抗剪連接性能研究

2014-09-23 08:41:25石宇王身偉劉永健

建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2014年2期

石宇+王身偉+劉永健

文章編號(hào)：6732049(2014)02005708[KH*2D]

收稿日期：20131115

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51108033）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013JQ7032)

摘要：為研究中國(guó)規(guī)范《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50018—2002）計(jì)算壁厚2 mm以下鋼板自攻螺釘連接抗剪承載力的適用性和鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力設(shè)計(jì)方法，對(duì)鋼板鋼板、鋼板石膏板以及鋼板定向刨花板（OSB板）連接件共計(jì)34個(gè)試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了板材類型、螺釘端距等因素對(duì)連接件抗剪承載力的影響，并將中國(guó)規(guī)范、英國(guó)規(guī)范和北美AISI S10012規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最后提出鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果表明：鋼板OSB板、鋼板石膏板連接件破壞模式為OSB板與石膏板發(fā)生承壓破壞，且具有明顯的方向性；隨螺釘端距的增大，試件抗剪承載力有所提高；中國(guó)規(guī)范GB 50018—2002適用于壁厚2 mm以下冷彎薄壁型鋼板自攻螺釘連接抗剪承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算，且偏于安全。

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼；自攻螺釘；抗剪承載力；規(guī)范；設(shè)計(jì)方法；石膏板；OSB板

中圖分類號(hào)：TU392.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Shear Behavior of Single Tapping Screw Connection in Coldformed Thinwall Steel Structures

SHI Yu1, WANG Shenwei1,2, LIU Yongjian3

Abstract:In order to investigate the applicability of calculating the shear capacity of single tapping screw connection with sheet steel under 2 mm according to Chinese code Technical Code of Coldformed Thinwall Steel Structure (GB 50018—2002) and the design method of single tapping screw connection between steel plate and nonsteel plate,a total of 34 specimens were tested in three series, which were distinguished by the connection forms, such as steel platesteel plate connection,steel plategypsum wallboard connection and steel plateoriented strand board (OSB) connection. Authors analyzed the influence of sheet material and the screw end distance, etc. for the shear capacity of single tapping screw connection and compared the calculation results with the test results according to Chinese code,British code and North American AISI S10012 standard. Finally,the design method of shear capacity of single tapping screw connection between steel plate and nonsteel plate was proposed. The research results show that the failure modes of steel plateOSB connection and steel plategypsum wallboard connection are bearing damage in plategypsum wallboard and OSB which are both anisotropic.With the screw end distance increasing,the shear capacity of specimens is improved.Chinese code GB 50018—2002 is suited to calculate the shear capacity of single tapping screw connection in coldformed thinwall steel with sheet steel under 2 mm and the results are safe.

Key words: coldformed thinwall steel; tapping screw; shear capacity; code; design method;gypsum wallboard; oriented strand board

0 引言

自攻螺釘連接以其施工方便、承載力高、連接剛度好等特點(diǎn)在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中得到了廣泛應(yīng)用［13］。自攻螺釘連接件按連接板件材料的不同分為鋼板鋼板自攻螺釘連接件和鋼板非鋼板自攻螺釘連接件2種類型。近些年，各國(guó)對(duì)鋼板鋼板單顆自攻螺釘連接的抗剪性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出了設(shè)計(jì)方法。1996版AISI規(guī)范以ECCS建議、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并結(jié)合美國(guó)、加拿大、瑞典、英國(guó)及荷蘭3 500多個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果，提出了螺釘連接的設(shè)計(jì)方法與構(gòu)造要求［4］。Rogers等［5］采用澳大利亞AS/NZS 4600:2005規(guī)范、加拿大CSAS13607規(guī)范和1996版AISI規(guī)范計(jì)算了不同母材厚度的鋼板鋼板自攻螺釘連接的抗剪承載力，均偏于不安全。潘景龍［6］在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，討論了影響自攻螺釘連接抗剪性能的因素，并根據(jù)各國(guó)30余組試件的試驗(yàn)結(jié)果，提出了抗剪強(qiáng)度表達(dá)式。黃川［7］通過(guò)試驗(yàn)研究了自攻螺釘直徑、板件厚度及連接類型等因素對(duì)壁厚2 mm以下鋼板鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪性能的影響。舒贛平等［8］采用試驗(yàn)分析了不同板厚鋼板鋼板單顆自攻螺釘連接件的破壞機(jī)理、受力特點(diǎn)以及螺釘直徑、鋼板厚度等關(guān)鍵因素對(duì)連接強(qiáng)度和剛度的影響，并采用最小二乘法擬合出自攻螺釘連接強(qiáng)度的計(jì)算公式。中國(guó)規(guī)范《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50018—2002）［9］（適用于壁厚為2~6 mm的承重構(gòu)件）基于歐洲建議，提出了鋼板鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力的設(shè)計(jì)方法，但是并沒有對(duì)壁厚2 mm以下冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法作出明確規(guī)定。

各國(guó)對(duì)鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力的研究較少。董軍等［10］通過(guò)試驗(yàn)得到了無(wú)石棉大幅面纖維水泥加壓板（NAFC板）和低收縮性纖維水泥加壓板（LCFC板）的力學(xué)特性及其采用自攻螺釘與輕鋼龍骨連接的承載力和荷載位移特征。秦雅菲［11］對(duì)鋼板石膏板、鋼板OSB板單顆自攻螺釘連接的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了連接件的剪切剛度。潘斯勇［12］采用試驗(yàn)研究了鋼板石膏板、鋼板OSB板單顆自攻螺釘連接件的剪切破壞模型與受力性能。目前，還沒有鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力的設(shè)計(jì)方法。

本文中筆者分別對(duì)鋼板鋼板、鋼板石膏板、鋼板OSB板單顆自攻螺釘連接件進(jìn)行試驗(yàn)研究，并分析總結(jié)各國(guó)學(xué)者已有的研究成果，探討中國(guó)規(guī)范GB 50018—2002中規(guī)定的單顆自攻螺釘連接抗剪承載力設(shè)計(jì)方法是否適用于計(jì)算壁厚2 mm以下鋼板自攻螺釘連接的承載力，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接的抗剪承載力設(shè)計(jì)方法。

1 試驗(yàn)研究

1.1試件設(shè)計(jì)

為了研究板材類型、螺釘端距等因素對(duì)壁厚2 mm以下鋼板鋼板、鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力的影響，先后進(jìn)行了2組試驗(yàn)［1314］。第1組試件板材尺寸取300 mm×50 mm，螺釘距板邊緣15 mm；鋼板厚度為1 mm；OSB板厚度為9 mm，石膏板厚度為12 mm，兩者與鋼板的連接均采用ST4.2的自攻螺釘。第2組試件板材尺寸取[JP2]300 mm×50 mm，螺釘端距取15 mm和25 mm兩種情況；鋼板厚度為0.84 mm和1.6 mm；[JP]OSB板厚度為12 mm和18 mm，石膏板厚度為12 mm；鋼板與鋼板、鋼板OSB板的連接采用ST4.8的自鉆自攻螺釘，鋼板石膏板的連接采用ST4.2的自攻螺釘。為防止試驗(yàn)機(jī)夾壞試件石膏板和OSB板的端部，在每個(gè)試件的端部設(shè)置120 mm×40 mm×4 mm的鋼板夾頭和40 mm×40 mm的配套鋼夾板，并采用4顆M5螺釘與石膏板和OSB板尾部相連。試件設(shè)計(jì)見圖1，試件編號(hào)規(guī)則見圖2，試件編號(hào)及試驗(yàn)結(jié)果見表1。根據(jù)材性試驗(yàn)及文獻(xiàn)［11］，［15］試驗(yàn)所用鋼板、石膏板和OSB板材料特性見表2。

1.2試驗(yàn)裝置與加載制度

試驗(yàn)在長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程實(shí)驗(yàn)室完成，采用長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的WDW3030微控

圖1[ 試件設(shè)計(jì)(單位：mm)

Fig.1[ Specimen Design (Unit：mm)

圖2試件編號(hào)規(guī)則

Fig.2Specimen Labeling Rule

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，見圖3。根據(jù)規(guī)范AISI TS402［16］，第1組試件采用力控制加載方式，加載速度為10 N·s-1；第2組試件采用位移控制加載方式，加載速度為0.5~1 mm·min-1。試驗(yàn)加載過(guò)程可按事先設(shè)定的程序由計(jì)算機(jī)全程自動(dòng)控制，試件滑

表1試件編號(hào)及試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1[ Specimen Numbers and Test Results

試件編號(hào) 螺釘頭側(cè)板材類型螺釘端距/mm 螺釘頭側(cè)板材厚度/mm 螺釘頭側(cè)板材受力方向螺釘尖側(cè)鋼板厚度/mm 螺釘直徑/mm 抗剪承載力試驗(yàn)值/kN

S0.840.844.81 鋼板 15 0.840.84 4.8 4.151

S0.840.844.82 鋼板 15 0.840.84 4.8 3.119

S0.840.844.83 鋼板 25 0.840.84 4.8 4.074

S1.601.604.81 鋼板 15 1.601.60 4.8 7.093

G12Z1.604.21 石膏板 25 12.00 [KG*5/6]縱向 1.60 4.2 0.486

G12H1.604.21 石膏板 25 12.00 [KG*5/6]橫向 1.60 4.2 0.389

G12Z0.844.21 石膏板 25 12.00 [KG*5/6]縱向 0.84 4.2 0.451

G12Z0.844.22 石膏板 15 12.00 [KG*5/6]縱向 0.84 4.2 0.400

G12H0.844.21 石膏板 25 12.00 [KG*5/6]橫向 0.84 4.2 0.302

G12H0.844.22 石膏板 15 12.00 [KG*5/6]橫向 0.84 4.2 0.288

G12Z14.21 石膏板 15 12.00 [KG*5/6]縱向 1.00 4.2 0.293

G12Z14.22 石膏板 15 12.00 [KG*5/6]縱向 1.00 4.2 0.245

G12Z14.23 石膏板 15 12.00 [KG*5/6]縱向 1.00 4.2 0.261

G12H14.21 石膏板 15 12.00 [KG*5/6]橫向 1.00 4.2 0.152

G12H14.22 石膏板 15 12.00 [KG*5/6]橫向 1.00 4.2 0.165

G12H14.23 石膏板 15 12.00 [KG*5/6]橫向 1.00 4.2 0.130

O12Z1.604.81 OSB板 15 12.00 [KG*5/6]縱向 1.60 4.8 2.583

O12Z1.604.82 OSB板 25 12.00 [KG*5/6]縱向 1.60 4.8 2.841

O12H1.604.81 OSB板 15 12.00 [KG*5/6]橫向 1.60 4.8 1.921

O12H1.604.82 OSB板 25 12.00 [KG*5/6]橫向 1.60 4.8 2.146

O18Z1.604.81 OSB板 15 18.00 [KG*5/6]縱向 1.60 4.8 2.622

O18Z1.604.82 OSB板 25 18.00 [KG*5/6]縱向 1.60 4.8 3.010

O18H1.604.81 OSB板 15 18.00 [KG*5/6]橫向 1.60 4.8 1.985

O18H1.604.82 OSB板 25 18.00 [KG*5/6]橫向 1.60 4.8 2.853

O12Z0.844.81 OSB板 25 12.00 [KG*5/6]縱向 0.84 4.8 1.902

O12H0.844.81 OSB板 25 12.00 [KG*5/6]橫向 0.84 4.8 1.471

O9Z14.21 OSB板 15 9.00 [KG*3]縱向 1.00 4.2 1.318

O9Z14.22 OSB板 15 9.00 [KG*3]縱向 1.00 4.2 1.295

O9Z14.23 OSB板 15 9.00 [KG*3]縱向 1.00 4.2 1.295

O9H14.21 OSB板 15 9.00 [KG*3]橫向 1.00 4.2 1.023

O9H14.22 OSB板 15 9.00 [KG*3]橫向 1.00 4.2 1.086

O9H14.23 OSB板 15 9.00 [KG*3]橫向 1.00 4.2 1.113

注：Z表示纖維縱向；H表示纖維橫向；S表示鋼材；G表示石膏板；O表示OSB板；N表示NAFC板；L表示LCFC板。

表2試驗(yàn)材料特性

Tab.2]Test Material Properties

板材類型板材厚度/mm fy/MPa fu/MPa 縱向靜曲強(qiáng)度/MPa 橫向靜曲強(qiáng)度/MPa

鋼板 0.84 334 445

鋼板 1.60 311 424

鋼板 1.00 318 434

石膏板 12.00 5.59 1.85

OSB板

9.00 22.00 11.00

12.00 20.00 10.00

18.00 21.20 12.20

[BG)F]

注：fy為試件的屈服強(qiáng)度；fu為試件的極限強(qiáng)度。

圖3 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

Fig.3 Electronic Universal Test Machines

移量由電子應(yīng)變引伸計(jì)測(cè)量，可有效地避免測(cè)量區(qū)域以外變形的干擾。加載時(shí)調(diào)節(jié)試件兩端夾具，使試件受力在一條直線上，勻速加載至試件破壞。

1.3試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

不同類型連接件的破壞特征表述如下：

（1）鋼板石膏板單顆自攻螺釘連接件。石膏板材料的強(qiáng)度、韌性較差，屬于典型的脆性材料，試件石膏板截面尺寸取50 mm×12 mm，接頭取1顆螺釘，螺釘?shù)穆菁y外徑為4.2 mm，致使抗拉強(qiáng)度自身很低的石膏板在連接處的凈截面削弱較大，試驗(yàn)中所有石膏板連接件均在螺釘連接處發(fā)生凈截面拉斷破壞［圖4（a）］，破壞時(shí)的變形也很小。此外，石膏板的紙質(zhì)面層對(duì)其受力性能有一定影響，且因紙質(zhì)面層在縱向與橫向的纖維差異，致使2個(gè)方向石膏板的受力性能有明顯差異。

]圖4[ 試件破壞形態(tài)

Fig.4[ Failure Modes of Specimens

（2）鋼板OSB板單顆自攻螺釘連接件。OSB板材料的韌性較石膏板好，試驗(yàn)中隨荷載的逐漸增大，螺釘與OSB板間剪切擠壓變形逐漸增大，螺釘因變形螺釘頭傾斜內(nèi)嵌、螺釘尾上翹明顯，在荷載接近最大值時(shí)，OSB板端部沿厚度方向出現(xiàn)劈裂，導(dǎo)致連接件破壞［圖4（b）］。

（3）鋼板鋼板單顆自攻螺釘連接件。

鋼板材料的強(qiáng)度與韌性較石膏板、OSB板好，試驗(yàn)中隨荷載的逐漸增大，螺釘與鋼板的剪切擠壓變形也逐漸增大，螺釘傾斜明顯，在荷載接近峰值時(shí)，由于螺釘孔擠壓變形過(guò)大、螺釘頭被剪斷，而導(dǎo)致連接件破壞［圖4（c）］。

各試件的抗剪承載力試驗(yàn)值見表1。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：鋼板石膏板連接的抗剪承載力遠(yuǎn)小于其他2種連接類型；對(duì)于鋼板石膏板、鋼板OSB板連接件，試件的抗剪承載力主要由自攻螺釘孔邊板的承壓強(qiáng)度控制，墻面板材料特性對(duì)連接件的抗剪承載力有明顯影響，并且墻面板沿縱向纖維方向的抗剪承載力均比沿橫向纖維方向大；另外，隨螺釘端距的增大，試件抗剪承載力也相應(yīng)增大。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

各國(guó)鋼板鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力設(shè)計(jì)方法如表3所示。

近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者對(duì)壁厚2 mm以下鋼板自攻螺釘連接的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。黃川［7］于2003年進(jìn)行了鋼板鋼板自攻螺釘抗剪承載力試驗(yàn)。試驗(yàn)試件分為2組，一組螺釘直徑為4.8 mm，鋼板厚度為1 mm；另一組螺釘直徑為5.5 mm，鋼板厚度為1.5 mm。試驗(yàn)中試件的破壞模式主要為螺釘傾斜拔脫和螺釘被剪斷2種，且以螺釘傾斜拔脫為主。舒贛平等［8］進(jìn)行了3種自攻螺釘規(guī)格、4種鋼板厚度的單顆自攻螺釘連接件試驗(yàn)。當(dāng)自攻螺釘直徑較小時(shí),連接破壞形式為螺釘被剪斷，變形能力較小，屬于脆性破壞；而對(duì)自攻螺釘直徑較大的薄板薄板、薄板厚板及厚板厚板的連接，破壞形式主要為板孔邊緣壓潰、鼓曲或連接板拉斷，變形能力較大，屬于延性破壞。董軍等［10］進(jìn)行了NAFC板、LCFC板及其與輕鋼龍骨自攻螺釘連接性能的試驗(yàn)[CM)][FL)]

表3[各國(guó)鋼板鋼板連接抗剪承載力設(shè)計(jì)方法

Tab.3[ Design Method of Shear Capacity Between Steel Plate and Steel Plate Connection in Different Countries

規(guī)范計(jì)算公式破壞模式備注

中國(guó)規(guī)范GB 50018—2002［9］ [ZB(]

t1/t=1.0

Nfv=3.7(t3d)1/2f 螺釘傾斜拔出

Nfv≤2.4tdf 被連接板件撕裂[ZB)]

t1/t≥2.5 Nfv=2.4tdf 被連接板件撕裂

當(dāng)1.0<t1/t<2.5時(shí)，Nfv由以上2種情況插值求得[ZB)]

Nfv為單顆螺釘連接件的抗剪承載力設(shè)計(jì)值；

d為自攻螺釘直徑；

t為較薄板（螺釘頭接觸側(cè)的鋼板）厚度；

t1為較厚板（螺釘尖側(cè)的鋼板）厚度；

f為被連接鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

北美AISI S10012規(guī)范［17］

t2/t1≤1.0

Pns=4.2(t32d)1/2Fu2 螺釘傾斜拔出

Pns≤2.7t1dFu1

Pns≤2.7t2dFu2[ZB)] 連接材料承壓破壞[ZB)]

t2/t1≥2.5

Pns=2.7t1dFu1

Pns≤2.7t2dFu2連接材料承壓破壞

當(dāng)1.0<t2/t1<2.5時(shí)，Pns由以上2種情況插值求得[ZB)]

Pns為單顆螺釘?shù)念~定抗剪強(qiáng)度；

d為自攻螺釘直徑；

t1為與螺釘頭接觸的板件厚度；

t2為不與螺釘頭接觸的板件厚度；

Fu1為與螺釘頭接觸的板件抗拉強(qiáng)度；

Fu2為不與螺釘頭接觸的板件抗拉強(qiáng)度

[BHDG20mm,WK14,K24,KZQW]

英國(guó)規(guī)范BS 59505:1998［18］ [ZB(]

[BHDG10mm,K5,K19]

t2/t1=1.0 [ZB(]

[BHDG5mm,K10,K9]

Ps=3.2(t31d)1/2py 螺釘傾斜拔出

Ps≤2.1t1dpy 被連接板件撕裂[ZB)]

[BHDG5mm,K5,K10,K9]

t2/t1≥2.5 Ps=2.1t1dpy 被連接板件撕裂

[BHDG5mm,K24W]

當(dāng)1.0<t2/t1<2.5時(shí)，Ps由以上2種情況插值求得[ZB)]

Ps為單顆螺釘連接件的抗剪強(qiáng)度；

t1為與螺釘頭相鄰的鋼板厚度；

t2為與螺釘頭不相鄰的鋼板厚度；

d為螺釘名義直徑；

py為鋼板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度

研究。NAFC板、LCFC板的厚度有8 mm和12 mm兩種，鋼板厚度為2 mm，螺釘直徑為3.5 mm，試件破壞形式主要為自攻螺釘孔邊板被壓酥，承載力主要由自攻螺釘孔邊板的承壓強(qiáng)度控制。另外，2種板材均有明顯的方向性，縱向纖維受力性能明顯好于橫向纖維受力性能。文獻(xiàn)［7］，［8］，［10］試件編號(hào)及試驗(yàn)結(jié)果見表4，材料特性見表5。通過(guò)對(duì)中國(guó)已完成的相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，分析板材類型、螺釘尺寸等因素對(duì)鋼板鋼板和鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力的影響。

鋼板鋼板單顆自攻螺釘連接的抗剪承載力

依據(jù)第2節(jié)各國(guó)規(guī)范關(guān)于單顆自攻螺釘連接抗剪承載力的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算各試驗(yàn)中鋼板鋼板連接件的理論抗剪承載力，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表6所示。計(jì)算時(shí)，中國(guó)規(guī)范與英國(guó)規(guī)范鋼板材料強(qiáng)度取其屈服強(qiáng)度，北美AISI S10012規(guī)范取其極限抗拉強(qiáng)度。

由表6可以看出：①采用各國(guó)規(guī)范計(jì)算壁厚2 mm以下鋼板鋼板自攻螺釘連接抗剪承載力時(shí)，對(duì)于等厚鋼板連接，北美AISI S10012規(guī)范設(shè)計(jì)方法計(jì)算的抗剪承載力與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，具有一定的可行性，而采用中國(guó)規(guī)范和英國(guó)規(guī)范計(jì)算得到的抗剪承載力則偏于保守；②對(duì)于非等厚鋼板連接，采用中國(guó)規(guī)范和英國(guó)規(guī)范計(jì)算得到的單顆自攻螺釘抗剪承載力與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，而北美AISI S10012規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果偏于不安全。由以上分析可知，中國(guó)規(guī)范規(guī)定的鋼板鋼板單顆自攻螺釘連接抗剪承載力設(shè)計(jì)方法適用于壁厚2 mm以下冷彎薄壁型鋼板自攻螺釘連接的設(shè)計(jì)計(jì)算，且偏于安全。

鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接的抗剪承載力

由試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接的抗剪承載力主要由螺釘孔邊板的承壓強(qiáng)度控制，根據(jù)各國(guó)規(guī)范考慮破壞模式為被連接件撕裂的設(shè)計(jì)方法，提出鋼板非鋼板連接抗剪承載力的計(jì)算公式為

P=tdf

（1）

式中：P為鋼板非鋼板單顆自攻螺釘連接件的抗剪承載力；t為非鋼板連接件的厚度；d為自攻螺釘直徑；f為非鋼板連接件的靜曲強(qiáng)度。

由公式（1）計(jì)算各鋼板非鋼板連接的理論抗剪承載力，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表7所示。由表7可以看出：①LCFC板螺釘連接件的抗剪性能好于NAFC板螺釘連接件；②與石膏板、OSB板類似，NAFC板和LCFC板纖維縱向的抗剪性能好于纖維橫向的抗剪性能；③非鋼板類材料的靜曲強(qiáng)度與板材厚度是影響其螺釘連接抗剪承載力的主要因素；④按建議公式（1）計(jì)算得到的抗剪承載力與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，偏于安全保守，可以按此方法對(duì)鋼板非鋼板螺釘連接的抗剪承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)本文試驗(yàn)，鋼板鋼板連接件破壞時(shí)螺釘傾斜嚴(yán)重，在螺釘連接處有被撕裂的趨勢(shì)，并出現(xiàn)螺釘被剪斷現(xiàn)象；鋼板OSB板、鋼板石膏板連接件破壞模式為OSB板與石膏板發(fā)生承壓破壞，縱向纖維受力性能均好于橫向纖維受力性能；隨螺釘端距

表4[文獻(xiàn)［7］，［8］，［10］試件編號(hào)及試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4[ Specimen Numbers and Test Results of Literatures ［7］,［8］,［10］

文獻(xiàn)來(lái)源試件編號(hào) 螺釘頭側(cè)板材類型螺釘頭側(cè)板材厚度/mm 螺釘頭側(cè)板材受力方向螺釘尖側(cè)鋼板厚度/mm 螺釘直徑/mm 抗剪承載力試驗(yàn)值/kN

文獻(xiàn)［7］

S114.81 鋼板 1.01.0 4.80 3.100

S114.82 鋼板 1.01.0 4.80 3.300

S114.83 鋼板 1.01.0 4.80 3.200

S114.84 鋼板 1.01.0 4.80 3.400

S114.85 鋼板 1.01.0 4.80 3.500

S1.51.55.51 鋼板 1.51.5 5.50 6.000

S1.51.55.52 鋼板 1.51.5 5.50 6.100

S1.51.55.53 鋼板 1.51.5 5.50 5.700

S1.51.55.54 鋼板 1.51.5 5.50 5.800

S1.51.55.55 鋼板 1.51.5 5.50 6.000

文獻(xiàn)［8］

S0.80.83.451 鋼板 0.80.8 3.45 2.130

S0.80.84.871 鋼板 0.80.8 4.87 2.190

S0.80.85.431 鋼板 0.80.8 5.43 2.900

S1.51.53.451 鋼板 1.51.5 3.45 4.420

S1.51.54.871 鋼板 1.51.5 4.87 5.300

S225.431 鋼板 2.02.0 5.43 7.300

S0.824.871 鋼板 0.82.0 4.87 2.460

S0.825.431 鋼板 0.82.0 5.43 2.890

S0.834.871 鋼板 0.83.0 4.87 2.520

S0.835.431 鋼板 0.83.0 5.43 2.650

文獻(xiàn)［10］

N8Z23.51 NAFC板 8.0 縱向 2.0 3.50 1.647

N8H23.51 NAFC板 8.0 橫向 2.0 3.50 0.965

N12Z23.51 NAFC板 12.0 縱向 2.0 3.50 2.507

N12H23.51 NAFC板 12.0 橫向 2.0 3.50 1.733

L8Z23.51 LCFC板 8.0 縱向 2.0 3.50 2.013

L8H23.51 LCFC板 8.0 橫向 2.0 3.50 1.380

L12Z23.51 LCFC板 12.0 縱向 2.0 3.50 2.813

L12H23.51 LCFC板 12.0 橫向 2.0 3.50 1.980

表5文獻(xiàn)［7］，［8］,［10］試驗(yàn)材料特性

Tab.5Test Material Properties in Literatures ［7］,［8］,［10］

文獻(xiàn)來(lái)源板材類型板材厚度/mm fy/MPa fu/MPa 縱向靜曲強(qiáng)度/MPa 橫向靜曲強(qiáng)度/MPa

文獻(xiàn)［7］

鋼板 1.0 206.80 340.90

鋼板 1.5 210.60 340.30

文獻(xiàn)［8］

鋼板 0.8 298.33 365.67

鋼板 1.5 198.00 335.00

鋼板 2.0 261.67 388.33

鋼板 3.0 271.67 391.67

文獻(xiàn)［10］

NAFC板 8.0 15.9 8.8

NAFC板 12.0 16.7 10.8

LCFC板 8.0 22.8 15.8

LCFC板 12.0 24.7 17.8

的增大，試件抗剪承載力有所提高。

（2）通過(guò)將鋼板鋼板連接件試驗(yàn)結(jié)果與各國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)方法理論計(jì)算值比較可知，對(duì)于等厚鋼板連接，中國(guó)規(guī)范與英國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)值偏于安全，而北美AISI S10012規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近；對(duì)于非等厚鋼板連接，中國(guó)規(guī)范和英國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近，而北美AISI S10012規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

（3）中國(guó)規(guī)范《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50018—2002)中規(guī)定的單顆自攻螺釘連接抗剪承載力設(shè)計(jì)方法適用于壁厚2 mm以下冷彎薄壁型鋼自攻螺釘連接的設(shè)計(jì)計(jì)算，且偏于安全。

（4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及各國(guó)設(shè)計(jì)方法，提出鋼板非鋼板連接件發(fā)生非鋼板連接板件承壓破壞時(shí)的抗剪承載力計(jì)算公式，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，偏于安

表6鋼板鋼板連接件抗剪承載力按規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

Tab.6[Comparison of Shear Capacity Between Code Calculation Results and Test Results About Steel Plate and Steel Plate Connection

試件編號(hào) Ptest/kN Nfv Ptest(Nfv)-1 Pns/kN PtestP-1ns Ps/kN PtestP-1s

S0.840.844.81 4.151 2.085 1.991 3.151 1.318 1.803 2.302

S0.840.844.82 3.119 2.085 1.496 3.151 0.990 1.803 1.730

S0.840.844.83 4.074 2.085 1.954 3.151 1.293 1.803 2.260

S1.601.604.81 7.093 5.102 1.390 7.896 0.898 4.413 1.607

S114.81 3.100 1.676 1.849 3.137 0.988 1.450 2.138

S114.82 3.300 1.676 1.969 3.137 1.052 1.450 2.276

S114.83 3.200 1.676 1.909 3.137 1.020 1.450 2.207

S114.84 3.400 1.676 2.028 3.137 1.084 1.450 2.345

S114.85 3.500 1.676 2.088 3.137 1.116 1.450 2.414

S1.51.55.51 6.000 3.357 1.787 6.158 0.974 2.904 2.066

S1.51.55.52 6.100 3.357 1.817 6.158 0.991 2.904 2.101

S1.51.55.53 5.700 3.357 1.698 6.158 0.926 2.904 1.963

S1.51.55.54 5.800 3.357 1.728 6.158 0.942 2.904 1.998

S1.51.55.55 6.000 3.357 1.787 6.158 0.974 2.904 2.066

S0.80.83.451 2.130 1.467 1.454 2.041 1.045 1.269 1.681

S0.80.84.871 2.190 1.743 1.262 2.425 0.907 1.507 1.459

S0.80.85.431 2.900 1.840 1.581 2.561 1.136 1.592 1.828

S1.51.53.451 4.420 2.459 1.801 4.681 0.946 2.152 2.058

S1.51.54.871 5.300 2.970 1.786 5.704 0.930 2.569 2.066

S225.431 7.300 6.381 1.145 10.750 0.680 5.519 1.324

S0.824.871 2.460 2.790 0.882 3.847 0.640 2.441 1.008

S0.825.431 2.890 3.110 0.931 4.289 0.675 2.721 1.064

S0.834.871 2.520 2.790 0.904 3.847 0.656 2.441 1.033

S0.835.431 2.650 3.110 0.855 4.289 0.620 2.721 0.977

注：Ptest為抗剪承載力試驗(yàn)值。

全，具有一定的可行性。

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表7 鋼板非鋼板連接抗剪承載力理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

Tab.7[ Comparison of Shear Capacity Between Theoretical Calculation Results and Test Results of Steel Plate and Nonsteel Plate Connection

試件編號(hào) Ptest/kN P/kN PtestP-1

G12Z1.604.21 0.486 0.282 1.726

G12H1.604.21 0.389 0.093 4.169

G12Z0.844.21 0.451 0.282 1.599

G12Z0.844.22 0.400 0.282 1.421

G12H0.844.21 0.302 0.093 3.234

G12H0.844.22 0.288 0.093 3.083

G12Z14.21 0.293 0.282 1.039

G12Z14.22 0.245 0.282 0.869

G12Z14.23 0.261 0.282 0.926

G12H14.21 0.152 0.093 1.634

G12H14.22 0.165 0.093 1.774

G12H14.23 0.130 0.093 1.398

O12Z1.604.81 2.583 1.152 2.242

O12Z1.604.82 2.841 1.152 2.466

O12H1.604.81 1.921 0.576 3.335

O12H1.604.82 2.146 0.576 3.725

O18Z1.604.81 2.622 1.832 1.431

O18Z1.604.82 3.010 1.832 1.643

O18H1.604.81 1.985 1.054 1.883

O18H1.604.82 2.853 1.054 2.707

O12Z0.844.81 1.902 1.221 1.557

O12H0.844.81 1.471 0.703 2.093

O9Z14.21 1.318 0.832 1.584

O9Z14.22 1.295 0.832 1.014

O9Z14.23 1.295 0.832 1.556

O9H14.21 1.023 0.416 2.459

O9H14.22 1.086 0.416 2.610

O9H14.23 1.113 0.416 2.675

N8Z23.51 1.647 0.445 3.699

N8H23.51 0.965 0.246 3.916

N12Z23.51 2.507 0.701 3.574

N12H23.51 1.733 0.454 3.821

L8Z23.51 2.013 0.638 3.153

L8H23.51 1.380 0.442 3.119

L12Z23.51 2.813 1.037 2.712

L12H23.51 1.980 0.748 2.648

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