有限元法研究自攻螺钉搭接连接薄钢板在高温下的抗剪性能

文：张曼、韩振林、孙健、赵辉、王培军

摘要: 采用有限元方法研究了自攻螺钉搭接薄钢板在高温下的抗剪性能。薄钢板厚度分别为0.42mm、1.20mm、1.90mm；通过改变温度和自攻螺钉的布置方式，研究了剪力连接件的承载能力和失效模式。分析结果表明，自攻螺钉搭接的薄钢板在剪切力的作用下会出现明显的倾斜；自攻螺钉沿受力方向布置时的承载能力略高于自攻螺钉沿垂直受力方向布置时的承载能力。节点的故障模式相似；高温下节点的失效模式与常温下相似。将模拟结果与冷弯型钢设计规范的预测进行比较，发现现行规范能够更准确地预测剪力连接件的失效模式，而欧洲规范在预测其承载力方面比北美规范更为保守。

关键词：自攻螺钉；薄钢板；高温;有限元模型；抗剪承载力

摘要：通过有限元模型（FEM）研究了薄钢板螺纹连接在高温下的剪切行为。薄板选择了三种不同的厚度，分别是0.42mm、1.20mm和1.90mm。通过改变温度和自攻螺栓布置，研究了连接的剪切强度和破坏模式。有限元分析结果表明，自攻螺栓在剪力作用下出现明显的倾斜。螺栓连接沿受力方向的抗剪强度略高于垂直受力方向的，且破坏模式相同。

高温下的失效模式与室温下相似。将有限元结果与使用当前冷弯型钢结构规范的预测结果进行比较。结果表明，可以正确预测故障模式。欧洲代码 3 预测的连接强度比 AISI S100 更为保守。

关键词：自攻螺栓；薄钢板；温度升高；有限元模型；剪切能力

冷弯薄壁结构用钢板的厚度通常在0.4～2.0mm之间[1]。自攻螺钉主要用于拼接构件或钢板。自攻螺钉不仅在钢板上形成螺孔，而且形成螺纹，通过螺纹啮合实现锚固。 YU[2]对冷弯薄壁钢框架剪力墙进行了剪力试验。研究发现，与自攻螺钉连接节点的失效模式和带螺母的高强螺栓连接节点的失效模式相比，出现了两种新的失效模式：螺钉倾斜和螺钉拔出。 LABOUBE[3]指出，自攻螺钉的排列和间距对钢板剪力连接件的力学性能影响很大。张学礼等.文献[4]对自攻螺钉牙顶连接的剪切性能进行了有限元模拟分析，提出了可以替代实验分析的理想模型。李元琪等.文献[5]对冷弯薄壁钢龙骨与覆层钢板采用自攻螺钉的连接性能进行了实验研究。通过对试验结果进行分析比较，得出了自攻螺钉钢龙骨和覆钢板抗剪性能的主要指标。影响因素。赵英等.文献[6]采用试验与有限元分析相结合的方法，对自攻螺钉连接的冷弯薄壁钢节点的失效模式、群效应以及弯矩-转角关系进行了分析。研究表明，当螺栓间距不小于螺栓直径的3倍时，群体效应可以忽略不计。

现有的冷弯型钢结构设计规范，如北美规范[7]、澳大利亚/新西兰标准[8]和欧洲规范[9]，都提供了不同条件下自攻螺钉连接节点承载力的计算方法。失效模式。罗杰斯等人。 [10-12]在自攻螺钉搭接连接薄板的剪切试验中发现，板压破坏伴随着螺钉倾斜。在此基础上，澳大利亚/新西兰标准[8]确定了自攻螺钉连接节点的承载能力。力计算已得到改进。

关于自攻螺钉连接节点在火灾下的剪切性能也有一些研究成果。陈等人。文献[13-14]提出了一系列冷弯型钢高温下强度和刚度折减系数的计算方法。卢等人。文献[15-16]研究了自攻螺钉连接薄壁钢板在20~600 ℃下的剪切性能。但对于自攻螺钉连接的冷弯型钢结构的耐火性能研究相对较少。

本文采用有限元方法研究了自攻螺钉搭接薄钢板在高温下的剪切性能。利用现有的试验结果对有限元模型进行了验证[17]。共考虑了常温至900℃的7个工况，将有限元模型得到的剪切承载力和破坏模式与冷弯型钢结构规范的预测结果进行了比较。

01

有限元模型

1.1 模型建立

采用ABAQUS有限元软件对自攻螺钉搭接连接薄钢板在高温下的剪切性能进行分析。有限元模型如图1所示，由三部分组成：上片、带螺纹孔的下片和自攻螺钉。根据欧洲规范[9]的要求，较薄的钢板放置在靠近螺钉头或垫圈一侧。钢板左端固定，右端施加拉伸位移载荷。采用C3D8R单元，它是8节点简化积分三维实体单元。螺钉网格尺寸为0.6mm×0.6mm×0.6mm，钢板螺钉孔附近网格长宽为1.2mm×1.2mm，其他部位网格长宽为1.2mm×1.2mm。钢板为2.1mm×2.1mm，钢板网格的高度由板厚控制。钢板之间以及钢板与自攻螺钉之间限定接触对。接触性质为：法线方向硬接触；沿切线方向滑动，滑动摩擦系数为0.3。根据模型的对称性，仅采用1/2模型以提高计算效率，并在对称截面处施加相应的边界条件。

图1 剪切节点模型

图1 剪切节点模型

1.2 模型参数

本文设计了10种连接节点，如表1所示。钢板材质和板厚分别为Q550(t=0.42mm)、Q490(t=1.20mm)和Q420(t=1.90mm)。钢材的本构关系采用理想弹塑性模型并考虑强化。薄钢板在室温下的弹性模量、屈服强度、极限强度和极限应变均为实验测试值[18]，如表2所示。自攻螺钉有三种类型：M4 S8.8 、M4 S12.8 和 M6 S12.8。螺纹尺寸如图 2 [19] 所示。 M4自攻螺钉大径D=4.17mm，小径D1=3.6mm，螺距P=0.5mm，螺纹高度H=0.866P； M6自攻螺钉大径D=6.35mm，小径D1=4.78mm，螺距P=1.45mm，螺纹高度H=0.866P； D2为螺杆中径。 S8.8自攻螺钉常温屈服强度fyb=640MPa； S12.8自攻螺钉室温屈服强度fyb=960MPa。螺杆室温弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比v=0.3。自攻螺钉的排列方式考虑沿应力方向排列（F）、垂直于应力方向排列（V）、矩形排列（S）和菱形排列（R），如图图3 其中：L为钢板长度； W为钢板的宽度； e1为螺钉孔中心沿长度方向到元件边缘的距离； e2为沿长度方向距螺孔中心的距离； s1是螺钉孔中心沿宽度方向到元件边缘的距离。 ; s2是螺钉孔中心之间沿宽度方向的间距。

图2 螺纹尺寸

图2 螺栓螺纹尺寸

图3 自攻螺钉排列方式

图3 螺纹剪切搭接连接布置

以F-M6S12.8-042-190为例，部件编号中各字母的含义为： 第1部分表示自攻螺钉的排列方式；第2部分表示自攻螺钉的尺寸；第 3 部分表示与垫圈的连接。接触的板厚（042代表0.42mm的板厚）；第4部分表示不与垫片接触的板的厚度（190表示1.90mm的板厚度），如表1所示。在载荷施加方向上，边缘螺钉孔中心与板之间的距离端部与相邻螺钉孔中心之间的距离为螺钉直径的3倍（3d），满足北美规范[7]、WEI等人规定的室温下螺钉连接的最低要求。 [18]实验证明这个距离在高温下仍然适用。

表1 节点几何尺寸

表1 螺纹连接几何尺寸

1.3 钢的高温性能

钢材的室温力学性能见表2。钢材高温下的弹性模量ET折减系数αT、屈服强度f0.2、T折减系数βT和极限强度fu、T折减系数φT见表3、折合弹性模量、屈服强度和极限强度可由式（1）至（3）求得。钢材的弹性模量与剪切弹性模量的关系如式（4）所示。

式中：Enormal为钢在常温下的弹性模量； f0.2，Normal为钢在常温下的屈服强度； fu,normal是钢在常温下的极限强度。

表2 钢材的室温性能

表2 板材常温下材料力学性能

表3 钢材高温弹性模量折减系数和强度折减系数

表3 钢材高温弹性模量和强度折减系数

1.4 模型验证

有限元模拟中，由于钢材本构关系采用理想弹塑性线性强化模型，且未考虑下降段，因此数值模拟得到的荷载-位移曲线无下降段。当模型中节点位移继续增加但节点承载力不增加时，保守地认为节点已失效，此时的承载力即为极限承载力。

F-M6S12.8-120-190模型常温下的有限元分析结果、极限承载力及荷载-位移曲线与试验结果的对比如图4所示。两种方法均显示连接节点的螺钉倾斜伴随着钢板的受压破坏。从图4b)可以看出，两者的应力过程比较一致。模拟节点的剪切屈服载荷为20.52kN，试验得到的节点剪切屈服载荷为20.37kN。两者的差异仅为0.68%。

图4 型号验证（F-M6S12.8-120-190）

图4 型号验证（F-M6S12.8-120-190）

从有限元模拟结果与试验结果对比可以看出，该模型能够较为准确地反映自攻螺钉搭接连接薄钢板的应力、变形状态和承载能力。表明该模型的建模方法、单元选择、材料模型和求解方法是准确的，该方法建立的有限元模型可用于模拟自攻搭接接头连接薄钢板的剪切性能。螺丝。

02

模型结果分析

2.1 破坏模式

有限元分析表明，自攻螺钉搭接薄钢板在剪力作用下存在五种失效模式，如图5所示，分别是：螺钉倾斜伴随钢板压力破坏；钢板承压损坏并伴有螺杆倾斜；钢板受压损坏；钢板网截面应变损伤；螺杆倾斜伴有钢板压力损伤和螺杆剪切损伤。

图5a）显示了螺杆倾斜伴随钢板压力破坏的应力分布。在螺钉对螺钉孔壁的压力作用下，钢板螺钉孔附近发生明显的屈曲破坏，螺钉明显倾斜。伴随螺钉倾斜失效的承压钢板应力分布如图5b）所示。薄连接钢板螺孔附近因抗压强度不足，出现明显屈曲破坏。但由于另一块连接板厚度的增加，螺钉的倾斜受到限制。 。与图5b）相比，图5c）中，节点下部钢板厚度继续增加，螺钉倾斜不太明显，较薄的连接钢板螺钉孔附近钢板屈曲更严重的是，该节点的失效模式可以定义为钢板的压力失效。 。由于接头处钢板截面积不足，出现钢板被拉开的失效模式，如图5d）所示。图5e)显示了钢板受压和螺杆被剪切复合破坏时螺杆倾斜的应力分布。

图5 应力分布云图（单位：MPa）

图5 应力分布云图（单位：MPa）

2.2 温度对结果的影响

以节点F-M6S12.8-042-190为例，如图6所示，温度从常温持续升高至900℃，节点失效模式为钢板受压并伴有螺杆倾斜失效。有限元结果表明，在900℃时，除了节点F-M6S12.8-120-120和节点F-M6S12.8-120-190的破坏模式外，螺钉还出现剪切破坏。损伤模式与室温下一致。

图6 节点F-M6S12.8-042-190在不同温度下的损坏模式

图6 不同温度下螺纹剪切搭接连接的失效模式(F-M6S12.8-042-190)

节点荷载-位移曲线可分为三个阶段，如图7所示。加载初期，随着位移的增大，节点的抗剪强度呈弹性增加，为弹性阶段；然后，接头进入弹塑性阶段，刚度减小，塑性变形增大；然后，节点达到极限剪切承载力，位移和变形继续增大，直至节点失效，为塑性阶段。不同温度下各节点的载荷-位移曲线具有大致相同的趋势，这进一步说明温度对节点的失效模式几乎没有影响，如图8所示。

图7 载荷-位移曲线

图7 载荷-位移曲线

图8 不同温度下的载荷-位移曲线对比

图8 不同温度下的载荷-位移曲线对比

随着温度升高，钢材的屈服强度下降（折减系数βT减小），导致接头的剪切承载能力下降；钢材的弹性模量减小（折减系数αT减小），导致连接接头的剪切弹性模量减小，接头的抗剪刚度相应减小。图8给出了7个节点a、b、c、d、e、f、g在7种不同温度（常温至900℃）下的抗剪承载力。当温度升至150℃时，节点的抗剪承载力和抗剪刚度基本不受温度变化的影响；当温度升至300℃时，节点的抗剪承载力下降至室温时的5/6左右；当温度升至450℃时，节点的抗剪承载力下降至室温下抗剪承载力的1/2；当温度升至600℃时，接头的剪切承载力降至常温时的1/8左右。当温度升至750℃时，接头几乎失去承载能力。这与温度对钢强度的影响基本一致。

2.3 螺杆布置和连接板厚度对剪切承载力的影响

如图9a)所示，对于0.42mm厚的薄钢板，当自攻螺钉数量为2个时，沿受力方向垂直排列的螺钉的承载能力与沿受力方向排列的螺钉的承载能力相近。受力方向；当自攻螺钉数量为4颗螺钉排列为菱形和方形时，承载力相近，说明螺钉排列方式对节点承载力影响不大。同时，如表4所示，MS2代表螺杆数量为2时不同节点的平均承载能力； MS4表示螺钉数量为4时不同节点的平均承载力。通过比较，MS4/MS2的平均值为2.012，即四个螺钉连接节点的承载力大约是两个螺钉连接节点的承载力的两倍。连接的节点。由此可见，对于0.42mm厚的薄钢板，节点承载力近似与螺钉数量成正比。多重关系。

图9 参数对接头抗剪强度的影响

图9 参数对连接抗剪强度的影响

表4 不同螺钉数量节点承载力对比

表4 不同螺栓数量连接承载力对比

如图9b)所示，对于0.42mm厚和1.90mm厚的连接薄板，沿受力方向或垂直于受力方向布置两个自攻螺钉对节点承载力也影响不大。由表5可知，当节点失效模式为钢板受压失效并伴有螺杆倾斜失效时，增大螺杆直径并不会改变失效模式，对其承载能力影响不大。对于0.42mm厚和1.90mm厚的连接薄板，四个螺钉连接节点的承载力小于两个螺钉连接节点的2倍，这表明在这种情况下，存在螺钉组效应，需要折减系数予以考虑。

结合表5和图9c)可以看出，当节点发生螺钉倾斜、钢板受压破坏时，增加板厚可以有效提高节点的剪切承载能力。节点F-M6S12.8-120-120的失效模式与节点F-M6S12.8-120-190相同，即在此范围内，板厚对节点失效模式没有影响。另外，如图8所示，当温度大于600℃时，改变螺钉的数量、直径、布置方式或增加板厚对接头的抗剪承载能力影响不大，接头几乎丧失它的抗剪强度。

03

冷弯型钢现行设计规范

3.1 螺丝被切断

北美规范规定节点承载能力为：

3.2 板材破损

北美规范和欧洲规范规定节点承载能力为：

3.3 螺杆倾斜伴有钢板压力损坏

北美规格说明：

1）当t2/t1≤1.0时，单螺杆承载能力取式（7）～式（9）中的最小值。

2）当t2/t1≥2.5时，单个螺杆的承载能力取式（10）～式（11）中较小的值。

力量。

3）1.02/t1时

欧洲规范给出的计算公式为：

04

有限元分析与当前代码的比较

根据式(5)～式(12)计算上述10种节点的抗剪承载力。高温条件下钢材性能折减系数如表2所示，有限元软件模拟结果与标准预测结果对比如表5所示。其中，TB表示螺杆倾斜，钢材板在压力下损坏； BT表示钢板受压，螺钉倾斜而损坏； B表示钢板受压损坏； SS表示螺杆被剪切； N表示钢板被拉。

表5 模拟结果与标准预测结果对比

表 5 螺纹剪切搭接连接仿真结果与规范预测结果对比

通过比较发现，当节点上下板厚度相同时，两种规范对承载力的预测都非常保守，如节点V-M4S8.8-042-042和节点V-M4S8.8-042-042的PFEM/PEC3和F-M6S12.8-120-120。平均值分别为2.150和1.691，PFEM/P平均AISI值分别为1.641和1.289；当节点上下板厚度相差较大且螺钉强度高于钢板强度时，北美规范的承载力预测值并不保守，如节点F- M6S12.8-120- 190 的 PFEM/PAISI 平均值为 0.817。在上述所有情况下，欧洲规范比北美规范更为保守。

对于节点失效模式，除900℃高温有限元模拟中出现的复合失效模式外，有限元模拟结果与北美规范和欧洲规范的预测结果一致。欧洲规范低估了螺钉的强度，并没有预测节点S-M4S12.8-042-190的钢板会损坏。

05

综上所述

本文采用有限元方法模拟了自攻螺钉叠合薄钢板在高温下的力学性能。考虑钢板厚度、螺钉数量、尺寸、布置方式等影响，得到了不同温度下节点的剪切承载力、破坏模式和载荷-位移曲线，并将模拟结果与预测结果进行了比较北美和欧洲规范的值。通过比较，可以得出以下主要结论：

(1)用自攻螺钉搭接连接的薄钢板在剪力作用下会出现明显的倾斜。

(2)自攻螺钉的布置对节点承载力影响较小。当节点发生螺钉倾斜，钢板受压损坏时，增加板厚可有效提高节点的抗剪承载能力。

(3)温度对节点故障模式影响不大。当温度大于600℃时，接头几乎失去抗剪性能。此时，改变螺钉的数量、直径、布置或增加板厚对接头性能的影响可以忽略不计。

(4)接头的剪切强度和刚度随着温度的升高而降低，其降低程度与钢材在高温下性能的降低程度一致。

(5)当节点上下板厚度相同时，北美规范和欧洲规范对承载力的预测非常保守。当节点上下板厚度差较大且螺钉强度高于钢板强度时，欧洲规范的承载能力预测值较为保守。

参

测试

艺术

提供

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