輕鋼結(jié)構(gòu)的全螺栓連接形式力學(xué)性能*

解立遠(yuǎn)

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院， 四川 樂山 614007)

近年來(lái)，隨著土木工程日益增多，具有抗震性強(qiáng)、易于安裝和拆卸、自重輕、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)的輕鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑工程中的應(yīng)用越來(lái)越多[1].在鋼結(jié)構(gòu)中，連接節(jié)點(diǎn)受力最為復(fù)雜，其性能對(duì)整體結(jié)構(gòu)、工程造價(jià)、施工進(jìn)度及工程質(zhì)量都有重要影響.一般要求連接節(jié)點(diǎn)需要具有剛度和強(qiáng)度高、易加工安裝、能保證內(nèi)力傳遞明確及經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)[2-4].目前最普遍的連接形式是焊接連接和螺栓連接[5-6]，前者不僅需要大量特殊工種，而且還受限于施工人員的技術(shù)水平，規(guī)模化生產(chǎn)程度較低；后者較好地彌補(bǔ)了前者的不足，但由于螺栓連接形式具有多樣性，故在施工難度、性能和造價(jià)等方面存在一定差異[7-8].為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型全螺栓連接形式，以鋼管管壁焊貼附上鋼板攻絲來(lái)替代螺母，并進(jìn)行了抗壓性受力性能試驗(yàn)，研究了全螺栓連接的力學(xué)性能，為進(jìn)一步深入研究提供科學(xué)依據(jù).

1 抗壓試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了8個(gè)全螺栓試件，其中鋼板材料選用Q345，尺寸為80 mm×80 mm，單板厚度有三種：5、7、9 mm，由其中任意兩個(gè)單板進(jìn)行組合，得到的組合板厚度分別為：10、12、14、16 mm.螺栓選用10.9的高強(qiáng)度螺栓，直徑分別有16、20 mm兩種，抗拉強(qiáng)度不低于1 000 N/mm3，其力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示，試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示.

表1 試件力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Mechanical property indexes of specimens

表2 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters and experimentalresults of specimens

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)嚴(yán)格按照《GB/T228-2002金屬材料拉伸試驗(yàn)室溫試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)范在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，所有試件采用5 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)(海威爾/YEW-5000D，濟(jì)南海威爾儀器有限責(zé)任公司)進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置模型示意圖如圖1所示.試驗(yàn)中采用孔徑大小一致的卡托(30 mm)，使卡托內(nèi)邊界到組合板底部絲孔外邊界形成10～15 mm的空區(qū)間.另外，為了保障試驗(yàn)順利進(jìn)行以及試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)之前應(yīng)先進(jìn)行預(yù)控制，排除試件螺紋牙間空隙造成的位移，使螺栓螺紋牙與組合板螺紋牙之間緊密咬合[9-10]，同時(shí)采用應(yīng)力速率控制試驗(yàn)加載速率，直至試件出現(xiàn)脫口破壞方結(jié)束試驗(yàn).

圖1 試驗(yàn)裝置模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.3 螺栓承載力理論計(jì)算方法

螺栓失效的一個(gè)重要原因是螺紋破壞，而螺紋強(qiáng)度在很大程度上由螺紋的受力或荷載分布決定，螺紋脫口破壞時(shí)其強(qiáng)度不易計(jì)算得到，精確地分析螺紋受力分布是一個(gè)十分復(fù)雜的接觸力問題[11-13].本文對(duì)螺紋牙荷載分布和承載的理論計(jì)算先假設(shè)作用于某段螺紋[x，x+dx]上的軸壓力為dF，則其力學(xué)和幾何關(guān)系式為

(1)

wcos ?cotβdx=dF

(2)

(3)

式中：Fz為螺栓軸心的受力總和；F為各圈螺紋牙軸向分布力；h為組合鋼板的厚度；w為螺紋牙單位寬度上的斜面垂直力；?、β分別為螺紋牙半角和螺旋線升角.

螺栓、組合板彈性變形總量為

(4)

式中：δz1、δn1為外、內(nèi)螺紋牙的彎曲彈性變量；δz2、δn2為外、內(nèi)螺紋牙的剪切彈性變量；δz3、δn3為外、內(nèi)螺紋牙的傾斜彈性變量；δz4、δn4為外、內(nèi)螺紋牙牙根的剪切彈性變量；δz5、δn5為螺紋牙徑向收縮、徑向擴(kuò)展引起的彈性變量；Kz、Kn為外、內(nèi)螺紋牙的彈性變量綜合系數(shù).

將式(3)代入式(4)中，得到

(5)

由材料的力學(xué)性質(zhì)及變形協(xié)調(diào)條件可知

(6)

σz+σn=(δz+δn)x=x-(δz+δn)x=0

(7)

式中：σz、σn分別為x處螺栓、組合板螺紋的伸縮形變；Sz、Sn分別為螺栓和組合板螺紋的垂直截面面積.

將式(5)、(6)代入式(7)中，并對(duì)x進(jìn)行微分可得

(8)

得到通解為

f=C1eλx+C2e-λx

(9)

得到雙曲線函數(shù)為

f=C1coshλx+C2sinhλx

(10)

根據(jù)邊界條件即可確定常數(shù)C1、C2，再將式(9)代入式(1)中，可得到螺紋連接承受的總軸力為

(11)

由于高強(qiáng)度螺栓的剛度遠(yuǎn)大于Q345鋼材料的剛度，本次全螺栓承載力Fz近似為螺紋破壞時(shí)所受到的所有剪應(yīng)力，考慮螺栓直徑與組合板厚度為試件抗壓承載力的主要影響因素，故令

Fz=πRKrhA0P

(12)

式中：R為內(nèi)外螺紋小徑；Kr為螺紋完整系數(shù)，公制取值0.87；A0為螺紋圈間荷載不均勻分布時(shí)的塑性形變系數(shù)，均勻分布時(shí)值為1；P為組合板剪切強(qiáng)度，一般取值0.65.

2 試驗(yàn)結(jié)果及力學(xué)性能分析

2.1 全螺栓組合板的抗壓承載力位移關(guān)系

圖2 抗壓承載力位移關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of compressivebearing capacity and displacement

2.2 厚度和螺栓直徑對(duì)承載力與位移的影響

由表2可知，當(dāng)螺栓的直徑為16 mm，組合板厚度以步長(zhǎng)為2 mm，由10 mm增加到16 mm時(shí)，全螺栓試件的極限抗壓值分別增加了22.3%、28.2%、14.7%；當(dāng)螺栓的直徑為20 mm，而組合板厚度以步長(zhǎng)為2 mm，由10 mm增加到16 mm時(shí)，螺栓極限抗壓值分別增加了19.5%、25.3%、10.4%.由此可知，對(duì)于螺栓直徑分別為16、20 mm的組合板試件，其抗壓承載力隨組合板加厚均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，如圖3所示.

從圖3還可以看出，當(dāng)組合板厚度相同，螺栓直徑對(duì)承載力的影響較為明顯，直徑大的其抗壓承載力較大.另外，從其中曲線走勢(shì)來(lái)看，當(dāng)板厚從10 mm增大到12 mm時(shí)，2條曲線的斜率基本相同，即二者增加幅度相等，說(shuō)明在螺紋牙遭到破壞時(shí)，螺栓承載力與螺孔周長(zhǎng)呈正比關(guān)系；當(dāng)板厚從12 mm增大到14 mm時(shí)，螺栓直徑16 mm的曲線斜率較大，但2條曲線在逐漸接近，說(shuō)明螺栓逐漸由鋼板螺紋破壞轉(zhuǎn)變到螺栓破壞；板厚從14 mm增大到16 mm時(shí)，螺栓直徑20 mm的曲線斜率略大，但2條曲線逐漸分開，說(shuō)明直徑為16 mm的試件由鋼板螺紋破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槿菟ㄋU破壞，而直徑為20 mm的試件螺栓接近螺栓破壞狀態(tài).由此可知，當(dāng)組合板厚度相同時(shí)，螺栓的直徑越大，全螺栓試件螺栓的承載力越大.

圖3 抗壓承載力組合板厚度變化曲線Fig.3 Change curves of compressive bearing capacitywith thickness of composite plate

2.3 螺栓承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

結(jié)合表2中軸心受壓作用下全螺栓試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)式(12)進(jìn)行理論計(jì)算.另外為安全考慮，A0取值0.86，螺栓和組合板的抗壓強(qiáng)度分別為1 024、508.5 MPa.承載力試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況如表3所示，二者的最小相對(duì)誤差為0.85%，最大相對(duì)誤差為6.67%，誤差范圍較小，驗(yàn)證了本次試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.

表3 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較Tab.3 Comparison between experimentaland calculated results

3 結(jié) 論

本文對(duì)8個(gè)不同設(shè)計(jì)參數(shù)全螺栓連接形式試件的軸心受壓進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試件的力學(xué)性能及其主要影響因素進(jìn)行了分析與總結(jié)，并將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，從而驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 全螺栓試件抗壓承載力與位移的關(guān)系曲線是隨著壓力的增大呈逐漸上升的趨勢(shì)，但由于螺紋牙受力不均勻，會(huì)出現(xiàn)一段平緩上升的階段；

2) 在抗壓試驗(yàn)過程中，全螺栓組合板試件的抗壓承載力隨組合板厚度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，并且當(dāng)組合板厚度相同時(shí)，全螺栓試件的螺栓直徑與其承載力成正比關(guān)系.

3) 通過理論推導(dǎo)和軸心受壓試驗(yàn)驗(yàn)證可知，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差范圍較小，本次試驗(yàn)結(jié)果可靠.

4) 這種全螺栓連接形式可用于各種截面的輕鋼結(jié)構(gòu)，相比普通鋼結(jié)構(gòu)剛性連接而言，更加簡(jiǎn)便、更易于安裝、適用性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景.

[1] 譚延偉，楊繼明.輕鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接施工技術(shù) [J].山西建筑，2010，36(31)：124-125.

(TAN Yan-wei，YANG Ji-ming.The high-strength bolt connection construction technique on the light weight steel [J].Shanxi Architecture，2010，36(31)：124-125.)

[2] 李文嶺，陶里，周燕.輕鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞原因分析和預(yù)防建議 [J].建筑科學(xué)，2011，27(增刊1)：167-169.

(LI Wen-ling，TAO Li，ZHOU Yan.Destruction ana-lysis and prevention suggestions of light-weight steel structure buildings [J].Building Science，2011，27(Sup1)：167-169.)

[3] 謝冰花，陳道政.框架結(jié)構(gòu)輕鋼加層鋼柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工 [J].施工技術(shù)，2014，43(20)：86-88.

(XIE Bing-hua，CHEN Dao-zheng.The design and construction of column base joint of appending story with light weight steels on the top of concrete frame structure [J].Construction Technology，2014，43(20)：86-88.)

[4] 姜東，史勤豐，費(fèi)慶國(guó)，等.螺栓連接結(jié)構(gòu)接觸面剛度識(shí)別方法 [J].固體火箭技術(shù)，2014，4(5)：688-693.

(JIANG Dong，SHI Qin-feng，F(xiàn)EI Qing-guo，et al.Stiffness identification of fixed bolted-joint interface [J].Journal of Solid Rocket Technology，2014，4(5)：688-693.)

[5] 徐梓雯，那景新，張志遠(yuǎn)，等.螺栓連接有限元模型的彈性接觸研究 [J].中國(guó)機(jī)械工程，2012，23(15)：1836-1839.

(XU Zi-wen，NA Jing-xin，ZHANG Zhi-yuan，et al.Research on elastic contact of finite element model of bolted connection [J].China Mechanical Engineering，2012，23(15)：1836-1839.)

[6] 郭琨，何明勝，田振山.新型全螺栓連接承載力的試驗(yàn)研究及性能分析 [J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，32(4)： 504-510.

(GUO Kun，HE Ming-sheng，TIAN Zhen-shan.Study on bearing capacity test and performance of the new bolt connection [J].Journal of Shihezi University(Natural Science)，2014，32(4)： 504-510.)

[7] 朱林波，劉志剛，蔣翔俊，等.考慮界面端應(yīng)力奇異性的螺栓連接支承面接觸壓力計(jì)算模型 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(23)：89-96.

(ZHU Lin-bo，LIU Zhi-gang，JIANG Xiang-jun，et al.Contact pressure model of fastener interface with stress singularities [J].Journal of Mechanical Engineering，2014，50(23)：89-96.)

[8] 張文元，扈玥昕.鋼結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)螺栓連接的數(shù)值模擬方法 [J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，46(12)：55-57.

(ZHANG Wen-yuan，HU Yue-xin.Numerical simulation method for high-strength bolt connections in steel structures [J].Journal of Harbin Institute of Techno-logy，2014，46(12)：55-57.)

[9] 秦希，王偉.隔板貫通式全螺栓節(jié)點(diǎn)抗連續(xù)性倒塌性能數(shù)值模擬分析 [J].振動(dòng)與沖擊，2015，34(10)： 68-75.

(QIN Xi，WANG Wei.Numerical simulation for progressive collapse behavior of through diaphragm bolted beam-column joints [J].Journal of Vibration and Shock，2015，34(10)： 68-75.)

[10]朱林，尹成龍，郭麗.水平擺式犁安全螺栓的有限元分析 [J].機(jī)械工程師，2005(12)： 101-103.

(ZHU Lin，YIN Cheng-long，GUO Li.Finite element analysis on the safe bolt of horizontally reversible plow [J].Mechanical Engineer，2005(12)： 101-103.)

[11]沈詣，洪榮晶，高學(xué)海，等.大型結(jié)構(gòu)的螺栓連接有限元簡(jiǎn)化方法與驗(yàn)證 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，8(8)：26-28.

(SHEN Yi，HONG Rong-jing，GAO Xue-hai，et al.A simplify method and verification with FEM for bolt connection of large-scale structure [J].Machinery Design & Manufacture，2012，8(8)：26-28.)

[12]袁煥鑫，王元清，施剛，等.將臺(tái)花園鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼焊接節(jié)點(diǎn)承載性能試驗(yàn) [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(1)：93-99.

(YUAN Huan-xin，WANG Yuan-qing，SHI Gang，et al.Experiment on bearing capacity of welded steel joints in latticeshell of Beijing Jiangtai Garden [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(1)：93-99.)

[13]楊敏.螺栓連接結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)化數(shù)值模擬方法 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，8(7)：165-168.

(YANG Min.A simplified numerical simulation approaches for bolted joint connections [J].Machinery Design & Manufacture，2012，8(7)：165-168.)