装配式轻型钢结构中自攻螺钉抗剪性能的试验研究

周明 孙国华 刘文元

概括

装配式轻钢结构中冷弯薄壁钢构件常采用自攻螺钉连接，国内外学者对厚度小于2 mm板厚连接自攻螺钉的抗剪承载力进行了大量的研究并给出了设计建议，但实际工程中仍多采用自攻螺钉连接较厚的钢板。为评估自攻螺钉连接厚度大于2 mm钢板的抗剪性能，完成了8组16块较厚钢板的单个自攻螺钉剪切试验，考虑钢板厚度、自攻螺钉直径、自攻螺钉头与钢板接触等相关参数的影响，得到了厚板连接自攻螺钉的破坏模式、极限抗剪承载力和剪切刚度。利用多国规范中的设计公式计算单个自攻螺钉的抗剪承载力，并进行对比分析。 试验结果表明：ST4.8自攻螺钉全部发生剪切破坏，滑动变形略小；ST6.3自攻螺钉在剪切时出现明显的挤压变形，钉孔内壁有划痕。当连接钢板厚度大于2mm时，钢板厚度及自攻螺钉头接触情况对其剪切承载力影响不大；随着自攻螺钉直径的增大，其剪切承载力呈增大趋势。按照各国标准计算出的单颗自攻螺钉的剪切承载力与试验值相差较大，存在高估和不安全的情况；基于自攻螺钉剪切破坏模式的推荐公式，可以保守地确定厚板连接自攻螺钉的剪切承载力，具有一定的安全储备。

关键词：自攻螺钉；厚板连接；冷弯薄壁型钢；剪切承载力；试验研究

自攻螺钉通常应用于装配式钢结构中的冷弯薄壁型钢构件，许多学者对小于2mm的薄钢板连接自攻螺钉的极限抗剪承载力进行了研究，但在实际土木工程施工中，厚钢板连接仍然多采用自攻螺钉。为评估厚钢板连接自攻螺钉的力学行为，设计并试验了共16个厚钢板连接自攻螺钉试件，系统分析了钢板厚度、自攻螺钉直径、螺钉头接触钢板厚度等相关设计参数对自攻螺钉力学行为的影响。

对自攻螺钉的破坏模式、极限剪切承载力、剪切刚度进行评估，并根据现行标准对自攻螺钉的极限剪切承载力进行计算与比较。试验结果表明：ST4。8直径自攻螺钉在滑移较小的情况下即可发生剪切断裂；对于ST6.3自攻螺钉，以螺钉剪切断裂为监测指标，可发现被连接钢板孔被挤压的现象；在被连接钢板厚度大于2mm的情况下，钢板厚度、螺钉头接触钢板厚度对自攻螺钉极限剪切承载力影响不大。

随着螺钉直径的增大，自攻螺钉的极限抗剪承载力有增大的趋势，现行规范计算的试件极限抗剪承载力与试验数据存在较大出入，存在高估现象，在某些情况下是不安全的。基于自攻螺钉剪切破坏模式的推荐公式可以保守地确定厚板连接自攻螺钉的抗剪承载力，具有一定的安全裕度。

关键词：自攻螺钉；厚板连接；冷弯薄壁型钢；抗剪承载力；试验研究

近年来，自攻螺钉因具有施工简便、快捷等优点而得到广泛应用，冷弯薄壁型钢和装配式轻钢结构的主要构件常采用自攻螺钉连接，因此各国学者对自攻螺钉抗剪性能进行了大量的试验和数值模拟研究。LENNON等[1]对英国冷弯薄壁型钢连接规范中的4种力学连接进行了试验研究，结果表明，当自攻螺钉连接厚度小于1 mm的钢板时，所获得的自攻螺钉的初始刚度较低，但仍表现出一定的变形能力。LABOUBE等[2]研究了自攻螺钉的排列方式、螺钉间距及螺钉数量对连接强度的影响，建议采用多根自攻螺钉连接时应考虑“群体减缩效应”。 国内学者潘景龙[3]较早完成了自攻螺钉抗剪性能试验，研究了影响自攻螺钉抗剪性能的主要因素，提出了自攻螺钉单钉剪切强度计算公式。陆林峰等[4-5]通过试验和有限元分析，研究了连接板厚度、自攻螺钉数量、自攻螺钉排列方式及自攻螺钉间距对其剪切承载力的影响。结果表明：自攻螺钉直径、数量和间距对剪切承载力影响较大，而自攻螺钉排列方式对剪切承载力影响较小。石宇等[6]对自攻螺钉抗剪性能进行了系统分析，结果表明：自攻螺钉直径、数量和间距对剪切承载力影响较大，而自攻螺钉排列方式对剪切承载力影响较小。 [6]通过试验研究了钢板-钢板、钢板-石膏板、钢板-OSB连接中自攻螺钉的剪切承载力，考虑了螺钉端距、板材类型等因素的影响，分析了我国标准对2 mm以下钢板厚度连接的适用性，提出了钢板-非钢板自攻螺钉连接剪切承载力设计方法。郝吉平等[7]对钢板-钢板、钢板-OSB、钢板-CSB 3种不同的自攻螺钉连接进行了剪切试验研究，分析了钢板厚度、加载速度、螺钉端距等因素的影响。关宇等[8]对冷弯薄壁钢楼板中C形楼面梁与U形边梁、C形楼面梁与波形钢板2种自攻螺钉连接形式进行了剪切性能试验。 得到了自攻螺钉连接的失效模式与剪切承载力，给出了自攻螺钉连接的性能水平、性能目标和承载力指标。闫某等[9]研究了自攻螺钉连接厚度小于2 mm 的钢板试件时，钢板厚比对自攻螺钉失效模式的影响，研究结果表明：钢板厚比对自攻螺钉剪切失效模式影响较大，自攻螺钉连接具有较高的剪切承载力与变形能力。王小平等[10]利用ANSYS软件对7种不同的自攻螺钉连接进行数值模拟分析，重点研究了自攻螺钉的失效模式与极限承载力，指出了不同数值模拟方法之间的差异。

目前，自钻螺钉剪力连接研究主要集中在厚度小于2 mm的冷弯薄壁板。虽然实际工程中也有采用自钻螺钉连接较厚钢板的情况，但对厚度大于2 mm的钢板采用自钻螺钉连接的研究较少。我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）[11]中给出的自钻螺钉计算公式也主要针对连接板厚度小于2 mm的情况，不适用于计算连接较厚钢板的自钻螺钉的剪切承载力。基于此，本文对采用自钻螺钉连接较厚钢板的试件进行了试验研究，重点研究了自钻螺钉直径、钢板厚度以及螺钉头与钢板接触情况等对连接性能的影响。 将试验结果与美国、欧洲、澳大利亚等规范中单个自钻螺钉抗剪承载力公式计算结果进行对比，可为厚板连接自钻螺钉抗剪承载力计算提供参考。

1 实验概述

1.1 试样设计

本文考虑连接钢板厚度、螺钉直径、自攻螺钉头部与钢板接触情况等因素的影响，共设计8组单侧自攻螺钉剪切试验试件，每组2个试件，共16个试件，试件编号及设计参数如表1所示。试件总长度为550 mm，单侧钢板长度为300 mm，宽度为45 mm，厚度分别为2 mm和3 mm，自攻螺钉至钢板端部距离为25 mm，具体尺寸如图1所示。自攻螺钉直径分别为4.8 mm（ST4.8）和6.3 mm（ST6.3）。 第1～4组试件（S1～S4及S1-1～S4-1）采用ST4.8自攻螺钉连接，第5～8组试件（S5～S8及S5-1～S8-1）采用ST6.3自攻螺钉连接。

图1 试件尺寸（单位：mm）

图1 试件尺寸（单位：mm）

试件连接钢板均采用Q235B级钢材，材料力学性能采用单轴拉伸试验测定。根据国家标准《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1-2010）[12]的有关规定，每种厚度钢板制作一组试件，共2组，每组3个试件。钢材主要材料力学性能见表2。ST4.8自攻螺钉公称直径为4.8 mm，公称长度为16 mm，螺距为1.6 mm。ST6.3自攻螺钉公称直径为6.3 mm，公称长度为19 mm，螺距为1.8 mm。 根据厂家提供的自攻螺钉力学性能信息，该自攻螺钉的屈服强度fy为450MPa，极限抗拉强度fu为700MPa。

1.2 试验装置及加载系统

单个自攻螺钉试件的拉伸试验在苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室完成，考虑到试件的剪切承载力较小，选用20kN DDL-20型电子万能试验机（图2a）。为了准确监测自攻螺钉的滑移情况，在自攻螺钉上下50mm处分别安装了位移计（图2b）。

图2 加载装置

图2加载设置

试验整个过程中采用位移控制加载，加载速率不超过1 mm·min-1，当试件出现明显破坏或抗剪承载力降至峰值荷载的85%时终止试验。

2 实验结果与分析

2.1 试件失效模式

试验发现试件的剪切破坏模式主要分为以下两种：试件S1~S4、S1-1~S4-1为破坏模式I，即自攻螺钉被剪断；试件S5~S8、S5-1~S8-1为破坏模式II，即板孔壁受到挤压的同时，自攻螺钉被剪断。本次试验并未出现文献[4]中薄板试件出现的自攻螺钉被拔出或连接段板被撕断的现象。

对于试件S1~S4及S1-1~S4-1，在加载初期，随着轴向拉力的施加，由于两侧连接钢板的偏心，自攻螺钉发生倾斜（图3a）。在加载过程中，自攻螺钉的钉杆挤压连接钢板孔壁，导致两连接钢板之间发生滑移（图3b），达到极限剪切承载力后，自攻螺钉直接被剪断。由于试件S1~S4及S1-1~S4-1的自攻螺钉直径较小，且连接钢板厚度超过2mm，因此钉孔周围未出现明显的变形和破坏（图3c）。第一组试件的破坏形貌如图4所示。

图3 第一组试件典型破坏过程

图3 第一组试件典型破坏过程

图4 第一组试件破坏形貌

图4 第一组试件的失效模式

对于试件S5~S8、S5-1~S8-1，在加载初期，自攻螺钉出现倾斜（图5a）。在加载过程中，自攻螺钉倾斜角度不断增大，连接钢板端部发生倾斜，两连接钢板不均匀分离（图5b）。随着荷载的继续增加，由于自攻螺钉直径为6.3mm，钉孔发生较大的挤压变形，钢板端部发生明显滑移，当自攻螺钉达到极限剪切承载力时，发生剪切破坏。由于试件S5~S8、S5-1~S8-1的自攻螺钉直径较大，钉孔周围发生挤压破坏（图5c）。第二组试件的破坏形貌如图6所示。

图5 第二组试件典型破坏过程

图5第二组试件典型破坏过程

图6 第二组试件破坏形貌

图6第二组试件的失效模式

2.2 荷载-滑移曲线

图7为16个自攻螺钉试件实测轴力-滑移曲线。由图7可知，试验过程中，16个试件的自攻螺钉均经历了弹性、弹塑性、破坏3个不同的阶段，荷载达到峰值后突然减小，表现出明显的脆性破坏特征。试件S1~S4、S1-1~S4-1采用ST4.8自攻螺钉连接，钉孔未发生明显变形，但由于自攻螺钉倾斜，塑性发展有限，产生了3~4.7mm的极限滑移，其剪切承载力约为9kN。试件S5~S8、S5-1~S8-1采用ST6.3自攻螺钉连接，在加载后期，钉孔出现了一定的挤压变形，自攻螺钉在达到极限承载力后被剪断。 试件最大滑移量为8.61mm，抗剪承载力约为13kN。一般来说，对于厚板连接，自攻螺钉直径对试件抗剪承载力和极限滑移影响较大；连接钢板厚度及自攻螺钉头与钢板接触情况对试件抗剪承载力和极限滑移影响不明显。由于本次试验连接钢板厚度大于2mm，连接钢板与自攻螺钉螺纹啮合紧密，自攻螺钉不会拔出，最终导致钉杆剪断破坏，试件抗剪承载力由自攻螺钉控制。因此，在装配式轻钢房屋工程中，较厚的板采用自攻螺钉连接时，需保证足够的自攻螺钉数量，避免因连接承载力不足而导致结构脆性破坏。

图7 试件荷载-滑移曲线

图7 试件荷载-滑移曲线

2.3 剪切刚度-滑移退化曲线

图8为16个自攻螺钉试件的剪切刚度-滑移过程的退化曲线。由图8可知，在加载初期，自攻螺钉的倾斜和与孔壁的接触、挤压是造成试件剪切刚度快速下降的主要因素。在加载后期，由于自攻螺钉的倾斜，自攻螺钉与孔壁之间的间隙已经消除，自攻螺钉及钉孔区域钢板的弹塑性已经发展，导致试件剪切刚度缓慢下降。 采用ST4.8自攻螺钉的试件初始剪切刚度在5.03～8.18 kN·mm-1之间，采用ST6.3自攻螺钉的试件初始剪切刚度在6.84～9.95 kN·mm-1之间，充分说明自攻螺钉连接的剪切刚度主要由钉杆提供。一般情况下，当连接钢板厚度大于2 mm时，试件剪切刚度随自攻螺钉直径的增大而增大，连接钢板厚度、自攻螺钉头与钢板接触情况等因素对试件剪切刚度影响不明显。

图8 试件刚度-滑移衰减曲线

图8 试件刚度-滑移退化曲线

表3给出了16个自攻螺钉试件的试验结果。其中，K为自攻螺钉的初始弹性剪切刚度，Pmax为极限剪切承载力，δu为极限滑移。由表3可知，直径较小的ST4.8自攻螺钉试件的自攻螺钉均发生剪切破坏，孔壁出现明显的挤出现象，极限滑移量在2.92～4.7 mm之间。直径较大的ST6.3自攻螺钉试件，在自攻螺钉发生剪切破坏前，连接钢板的钉孔孔壁已出现一定程度的挤出或刨削现象，其极限滑移量约为ST4.8自攻螺钉试件极限滑移量的1.8倍。

3 单自攻螺钉连接剪切承载力计算

目前，国内外许多钢结构规范均给出了单根自攻螺钉连接的剪切承载力计算公式，但相关公式具有一定的适用范围，常针对自攻螺钉连接厚度小于2mm的钢板的情况。当自攻螺钉连接较厚的钢板时，其失效模式主要受自攻螺钉的剪切控制，现有的计算公式并未包括此种失效模式。

3.1 不同规格自攻螺钉抗剪承载力计算方法

3.1.1 中国标准

我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）[11]明确规定，单根自攻螺钉的剪切承载力可按公式（1）计算：

3.1.2 英国标准

英国BS 5950-5:1998规范[13]A.1.4规定，单个自攻螺钉的剪切承载力可按照公式（2）计算：

式中：Ps为单根自攻螺钉的剪切承载力设计值；d为自攻螺钉直径；t3为自攻螺钉头连接的钢板厚度；t4为未与自攻螺钉头连接的钢板厚度；py为钢板抗拉强度设计值。当1.04/t3s时，由公式（2）用插值法计算。

3.1.3 欧洲标准

欧洲规范 3 标准 [14] 第 8.3 条规定，单个自攻螺钉的剪切承载力按公式（3）计算：

3.1.4 美国标准

美国AISI规范[15]E4.3建议单个自攻螺钉的剪切承载力设计值按公式（5）计算：

美国AISI标准E4.3规定，按公式（5）计算的结果须乘以安全系数0.5，因此单个自攻螺钉的最终剪切承载力为0.5Pns。

3.1.5 澳大利亚标准

澳大利亚/新西兰AS/NZS 4600:2018规范[16]第5.4.2.4条建议，单个自攻螺钉的剪切承载力设计值应按照公式（6）计算：

参数Vb由公式（7）确定：

3.2 不同规格自攻螺钉抗剪承载力计算结果

表4给出了按各国标准计算的单根自攻螺钉抗剪承载力与试验结果的对比。从表4可以看出，对于采用ST4.8自攻螺钉连接的试件，试件S1和S1-1的单根自攻螺钉抗剪承载力计算结果均高于试验值，安全储备不足；其余试件的单根自攻螺钉抗剪承载力计算结果均低于试验均值，略显保守。对于采用ST6.3自攻螺钉连接的试件，试件S5和S5-1按中国及欧洲标准计算的单根自攻螺钉抗剪承载力均大于试验均值，不安全；其余试件按标准公式计算结果均远低于试验均值，偏于保守。 主要原因是较厚钢板中自攻螺钉连接的失效模式不再是被连接钢板的挤压破坏，而是自攻螺钉的剪切破坏，因此应针对厚板连接用自攻螺钉的失效模式建立合适的剪切承载力计算公式。

3.3 自攻螺钉厚板连接抗剪承载力推荐计算公式

针对厚度大于2 mm的板中自钻螺钉的剪切破坏模式，参考《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）[17]中剪力栓钉的计算公式，提出单个自钻螺钉的剪切承载力计算公式：

图9为16个自攻螺钉试件计算剪切承载力与试验结果对比。由图9可知，对于采用自攻螺钉连接厚板的情况，按照公式（8）计算得出ST4.8自攻螺钉连接试件的剪切承载力为6.41 kN，较试验值约低20%~30%；ST6.3自攻螺钉连接试件的剪切承载力为11.04 kN，较试验值约低7%~16%。总体来看，公式（8）的计算结果略显保守，考虑到自攻螺钉连接的厚板均发生剪切脆性破坏，公式（8）可以保证自攻螺钉连接具有一定的可靠性。 对于实际工程中采用常规自攻螺钉连接厚钢板，应保证连接具有足够的安全储备，避免结构在遭遇地震或台风等灾害时，连接处的自攻螺钉发生剪切，导致整个结构发生脆性破坏。

图9 按公式（8）计算单个自攻螺钉剪切承载力计算结果对比

图9 按公式（8）计算自攻螺钉剪切承载力比较

4。结论

（1）当连接钢板厚度大于2mm时，钢板厚度、自攻螺钉头侧面接触方式对自攻螺钉剪切承载力影响不大。

（2）无论钢板为等厚还是不等厚，当采用自攻螺钉连接时，自攻螺钉的剪切承载力均随螺钉直径的增大而增大。

（3）对于厚度大于2mm的钢板连接，采用较小直径的ST4.8自攻螺钉连接时，自攻螺钉被剪断，钉孔内壁无挤压现象；采用较大直径的ST6.3自攻螺钉连接时，自攻螺钉被剪断，钉孔内壁有不同程度的挤压或刨伤现象。

（4）现行钢结构规范中给出的自攻螺钉抗剪承载力计算公式主要针对薄钢板连接，另外规范推荐的计算公式会低估ST6.3自攻螺钉的抗剪承载力，造成较大的误差。

(5)根据自攻螺钉的剪切破坏模式，提出了自攻螺钉剪切承载力的计算公式，计算结果略显保守，但与试验结果总体上相符。

参考：

[1]LENNON R,PEDRESCHI R,SINHA BP. 冷弯型钢中几种机械连接的比较研究[J]. 建筑与建材,1999,13(3):109-116. DOI:10.1016/S0950-0618(99)00018-5.

[2]LABOUBE RA,SOKOL M A.住宅建筑中螺钉连接的性能[J].结构工程杂志,2002,128(1):115-118.DOI:10. 1061/(ASCE)0733-9445(2002)128:1(115).

[3] 潘景龙. 自攻螺钉连接剪切性能研究[J]. 哈尔滨建筑大学学报, 1995, 28(6): 41-47.

[4] 卢林锋, 张亚平, 方文奇, 等. 冷弯薄壁型钢自钻螺钉连接抗剪承载力试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(7): 2997-3005.

[5] 陆林峰, 张亚平, 方文奇, 等. 冷弯薄壁型钢自钻螺钉连接剪切承载力试验研究与数值分析II: 数值分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(8): 3493-3502. 陆林峰, 张亚平, 方文奇, 等. 冷弯薄壁型钢自钻螺钉连接剪切承载力试验研究与数值分析II: 数值分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(8): 3493-3502.

[6] 石宇, 王慎伟, 刘永建. 冷弯薄壁型钢结构单自攻螺钉连接抗剪性能研究[J]. 建筑科学与工程学报, 2014, 31(2): 57-64. DOI: 10.3969/j.issn.1673-2049.2014.02.011. 石宇, 王慎伟, 刘永建. 冷弯薄壁型钢结构单自攻螺钉连接抗剪性能研究[J]. 建筑科学与工程学报, 2014, 31(2): 57-64. DOI: 10.3969/j.issn.1673-2049.2014.02.011.

[7） Liu Bin，Shao Dayu等。对冷形成薄壁钢结构螺钉连接的剪切行为的实验研究[J]。

[8 Guan Yu，周期，Yao Xinmei等。 ，Yao Xinmei等。

[9] Yan WM，Mu TT，Xie ZQ等。对制造冷形成钢结构的典型连接的经验研究[J]。

[10]王Yusong。

[11]中国人民共和国的建设部。

[12]中华人民共和国的质量监督，检查和隔离的一般管理。

[13]英国标准机构。建筑物中钢铁厂的结构用途 - 第5部分：寒冷形成的薄规部分的设计守则：BS 5950-5：1998 [S] [S] .London：英国标准机构，1998年。

[14]英国标准机构。EUROCODE3 - 钢结构的设计 - 第1-3部分：一般规则 - 冷形成员和工作表的补充规则[S] .London：英国标准机构，2006年，。

[15]美国铁与钢研究所。北美北美钢制结构成员的设计规范：ASCI S100-2007 [S] .Washington，DC：美国铁和钢研究所，2007年

[16]澳大利亚标准和新西兰的标准。

[17]中国人民共和国的住房和城乡发展部。