高强度螺栓咬合型连接的抗拉试验研究...

摘要: 为了研究支吊架用高硬度螺钉咬合接头的失效机理和伸长承载能力，对单螺钉和典型接头进行了伸长试验和有限元分析。 考虑钢材尺寸、高硬度螺钉等参数的影响，共有8家企业提供了72个试件。 试验结果表明，在螺钉拉力作用下，型钢两侧卷边绕主梁底部棱线旋转，形成两条塑性铰线； 螺钉安装扭矩对受拉承载力无影响，型钢接头有显着的撬力效应。 有限元分析表明，塑性铰线的宽度仅与卷边的大小有关，与其他原因无关； 钢接头的撬力可以抑制卷边的竖向位移，增加卷边的屈服载荷。 根据试验和有限元分析结果，给出了单螺钉连接伸长承载能力设计值的估算方法。

0 序言

近年来，随着预制支吊架的发展[1-3]，出现了高硬度螺钉咬合连接。 如图1所示，连接副由螺钉、螺母、弹簧或塑料翼等组成，螺钉为两侧有齿的长条。 当弹簧或塑料翼被压缩时，螺杆与型钢分离，螺栓位置可任意调整； 当弹簧或塑料翼抬起时，螺丝牙与型钢牙啮合，螺丝不会滴水和旋转，螺丝定位紧固方便。

对于图1（a）所示的拉力螺杆，连接件将拉力N传递至螺杆，然后通过螺栓将N传递至型钢卷边。 当螺钉受拉时，有两种合理的失效模式。 一是螺杆扭转，二是工字钢卷边失效。 螺杆的伸长承载能力可以根据《钢结构高硬度螺钉连接技术规程》JGJ82-2011[4]估算，但钢卷边的承载能力没有办法估算。

关于传统高硬度螺钉的张力的研究数据有很多，国家规范[4-7]也有详细的规定，但咬合连接的张力研究数据尚未见到。 郭晓农和张岩[8-9]提出了一种新型的咬合连接。 连接副仍采用传统方式，板件接触面有咬合槽，与图1(b)不同。 罗干[10]对支吊架连接的预制构件进行了实验研究和数值分析，发现在弯矩作用下，螺钉与型钢之间容易产生相对滑移，齿部受到剪切破坏，而没有提及螺钉的拉力。

由于研究数据有限，只能按照《装配式支吊架通用技术条件》GB/T38053-2019推荐的试验方法测定伸长承载力[11]。 基于上述情况，本文对单螺杆和典型连接进行了试验研究和有限元分析，以期提供伸长承载力的估算方法，也为《预制式支吊架系统应用技术规程》T/CECS731-2020的编制提供依据[12]。

1 单螺杆接头伸长试验

1.1 试件设计

支吊架用角钢截面如图2(a)所示。 截面高度h和壁厚t是变量[11]，其他规格是固定值。 其中，断面厚度b=41.3mm，平卷曲长度b1=9.5mm，竖卷曲高度h1=7.5mm。 钢材尺寸用C和b×h×t表示，b、h四舍五入为整数。 本文选取最常用的三种型钢C41×41×2.0、C41×41×2.5、C41×62×2.5，均为Q235钢。

高硬度螺钉具有传统的大六角头形状，但螺钉有所不同。 见图1(b)和图2(b)。 螺钉的宽度ln小于钢孔的长度b1。 安装时需先将螺丝沿接缝浇注，然后顺时针旋转90°即可就位。 高硬度螺丝可以是8.8级或10.9级。 本文选用8.8级。 T/CECS731-2020法规[12]推荐的尺寸为M10和M12。 GB/T38053-2019标准[11]推荐的安装扭矩分别为19N·m和50N·m。

考虑钢材和螺钉的尺寸后，设计了一系列试件。 为了反映国外现状，试件由A、B、C、D、E、C 8家公司提供，其中1家公司提供的相同编号试件数量不少于3个（称为一组）。 A系列共有20组、66个试件，如表1所示。

1.2 测量硬度及规格

型钢卷边尺寸较小，不方便切割试件进行材料试验。 双重卷边和压齿工艺也使钢材硬化程度很高。 采用线切割方法从型钢主梁中部沿横向取样。 双向静态拉伸试验是在SANS试验机的帮助下进行的[13]。 该钢的实测硬度如表2所示，屈服硬度fy一般低于235MPa，但从延伸硬度fu来看，仍属于Q235钢。 fy过高是冷弯工字钢的常见现象[14]。 表2中一半的钢材强度屈服比高于1.25，也是这个原因。 表2还给出了钢材壁厚t和扁筋长度b1的测量值。

螺杆规格符号如图2(b)所示，各公司实测规格如表3所示，略有差异。 M12螺钉的长度平均比M10螺钉长1mm。 由于螺杆尺寸较小，取样比较困难，所以没有做材料测试。

1.3 试件规格及加载装置

试件规格如图3所示，待测高硬度螺钉位于型钢中部，型钢头部用两颗螺钉固定在T型加载件上。 为了便于试验机装夹，将被测高硬度螺钉更换为同等级、同半径的螺杆，螺钉和安装扭矩保持不变。 加载设备为SANS试验机，加载过程采用位移控制，加载速度为5mm/min。

1.4 A系列试件的测试结果

由于型钢两侧的平卷边是支腿悬臂板，抗弯能力有限。 一旦施加载荷，螺钉附近的扁平卷曲将绕主梁底部的棱线旋转，连接件将与工字梁分离。 见图4。卸载后，垂直的卷曲将变成水平的。

试件有两种破坏模式。 一是工字钢卷边失效，包括钢箱梁底脊线附近平卷边的横向撕裂，如图5(a)所示，立卷外缘剪切破坏，如图5(b)所示，以及失效前翼缘底棱线附近的塑性铰线。 第二种失效模式是螺钉弯曲失效，如图5(c)所示，只有4组试件，应该是螺钉长度不足或材料不合格，这4组试件数据无效。

A系列16组有效试件的载荷-位移曲线如图6所示，均存在明显的屈服截面，主要是由塑性铰线引起，但后期强化程度不同，这与材料性能有关。 各组试件实测载荷值（平均值）如表4所示，差异较大。

8.8级M10和M12螺杆的理论极限伸长承载力分别为46.4kN和67.2kN，远低于表4中试件实测极限载荷值，这也是螺杆没有失效的原因。

为了研究安装扭矩对受拉承载力的影响，借助C企业的A3试件进行了对比试验。 螺丝是用普通扳手拧紧的。 实测极限载荷和屈服载荷分别为20.40kN和15.24kN，表4中20.89kN和15.04kN的误差很小，表明安装扭矩对承载力没有影响。

2 典型接头伸长试验

2.1 试件设计及加载装置

试件为B系列，见表5，共6个，均由C企业提供，与C企业的A系列试件同批次。 试件为对称门式支架。 规格如图7所示。为避免梁损坏或变形过大，工字梁背靠背堆放，加载点处设置垫块。 梁柱连接中的伸长率和剪力螺钉都是一个，这也是工程中典型的连接方法。 连接件为冷弯等边工字钢，腿长60mm，壁厚6mm，型钢横向长度40mm，材质为Q235钢材。

2.2 测试结果

当施加荷载时，钢连接件首先变形，如图8所示，梁的卷边也发生变形； 随着载荷减小，立柱上的剪切螺钉因齿的剪切而垂直滑动，试验终止。 尽管梁没有像A系列试件那样经历卷曲撕裂或剪切破坏，但它也发生了塑性变形。 由于型钢变形较大，撬力作用显着，型钢肢端部在梁上形成明显压痕。 事实上，撬力加强了螺杆的拉力，但肢尖可以阻止卷发器过度的垂直位移，这是卷发器的弹性垂直约束，从而防止卷发器过早产生塑性铰纹。

试件的载荷-位移曲线如图9所示，图中纵坐标为左连接承受的拉力N。 试件B1、B2的型钢、螺钉与上述企业C的A2、A4相同。 通过比较可以看出，屈服平台不显着且变形加强，极限荷载增大。 后者主要是由于型钢接头的变形造成的。 前者是因为柱上的剪力连接首先被破坏，难以继续加载。

3 有限元模拟分析

3.1 单螺钉连接伸长率分析

为了进一步研究失效机理并确定塑性铰线宽度，利用ABQUS软件对C企业A4试件进行了模拟分析。 单元型号为C3D8，热轧表面抗滑移系数[15]取0.3，挠度-应变关系取理想弹塑性，屈服硬度取实测值，弹性挠度和泊松比取名义值。 有限元法估算的屈服载荷为13.98kN，比试验值14.43kN提高了3%，验证了模型的准确性。 为了便于观察主挠度分布情况，将试件沿型钢横向切成两半，如图10(a)所示，主挠度在底板两固定螺钉之间的拱环处和底部棱线处最大，底部棱线处塑性铰线的宽度可取为固定螺钉的宽度，即100 mm。

为了研究固定螺钉宽度的影响，将固定螺钉的宽度从100mm增加到200mm，其他参数保持不变。 得到的主挠度分布如图10（b）所示。 与图10（b）相比，主梁底部棱线处的主挠度变化很小。 为了充分说明问题，对A公司和C公司的A3、A5试件进行了模拟分析，如图11所示。上述推论始终适用，表明塑性铰线宽度仅与型钢尺寸即边界条件有关，与型钢尺寸、壁厚、螺栓半径、制造商无关。 由于支吊架所用角钢的卷边规格是固定值，因此塑料铰线的宽度可取100mm。

3.2 典型接头伸长率分析

由于典型节点伸长试验中的试件都是柱的剪力节点先破坏，不能全面反映受拉情况，因此需要补充有限元分析。 研究对象为C企业的B2样本。

有限元分析结果如图12所示。由于企业C的试件A4和B2的工字梁和螺栓相同，因此A4的有限元曲线也如图12（a）所示。 与A4相比，B2的挠度有所增加，但屈服载荷略有增加。 从图12(c)可以看出，型钢水平腿上部的型钢卷边已屈服，但变形较小，螺钉孔处和肢后部型钢已形成两条塑性铰线。 如果加强槽钢的壁厚，承载能力就会增加。 上述情况表明，典型连接所用螺钉的伸长承载能力不会高于单螺钉连接伸长的承载能力，可根据A系列的推论来确定承载能力。

4 理论模型及伸长承载力

从前期试验和有限元分析可知，咬合连接受拉时，承载力的极限状态是工字梁两拱圈底部棱线附近的塑性铰线。 对应于塑性铰接线的剪切力 Mp 为：

式中：l为塑性铰线宽度； t 是工字梁的壁厚。

一根螺钉形成两条塑性铰线，螺钉对两条塑性铰线的力臂为bt1，见图2，可得拉伸屈服载荷Ny：

将l=100mm及相关参数代入式（2）得到的屈服载荷理论值如表4所示。与实测值相比，最大正误差为9.1%，最大负误差为18.1%，平均误差为-3.1%，精度较高。

在工程设计中，为避免变形过大，不允许在棱线处卷边制作塑性铰。 对于圆形截面，塑性发展系数[16]可设为1.2，相应的弹塑性挠度设计值M为：

式中：f为工字钢的伸长硬度设计值。

单螺钉连接的伸长承载力设计值btN为：

若按标准推荐值取钢材规格和硬度设计值，则按上式计算得到的单螺钉连接伸长承载力设计值如表6所示。前两行数值约为实测屈服载荷的1/2，从工程结构可靠性角度考虑，处于合理范围内。 表6中的数值是在T/CECS731-2020法规稍作修改后采用的[12]。

由于支撑、吊架所用角钢尺寸较小，咬合连接用T/CECS731-2020规定推荐的高硬度螺钉仅为8.8级M10和M12。 根据JGJ82-2011规定，这两类螺杆的伸长率和承载力设计值分别为23.4kN和33.7kN，均小于表6中的值，并且螺杆不会扭曲。

5 推论

通过对8家公司提供的72个试件进行伸长试验和有限元分析，可以得到以下推论：

1）螺钉的长度和材质应与垫圈相匹配，否则容易弯曲、损坏； 螺钉的安装扭矩对抗拉承载能力没有影响；

2）当高硬度螺钉不高于8.8且规格不大于M10时，连接的破坏模式为钢梁底部棱线处的塑性铰线，且塑性铰线的宽度仅与卷边规格有关； 连接件的撬力可以约束平卷边的位移，增加屈服载荷；

3) 单螺钉连接伸长承载力设计值可按式(4)估算。 当螺杆牌号和尺寸符合要求时，也可直接按表6检查使用。

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参考：

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