高強(qiáng)度鋼材螺栓連接設(shè)計(jì)方法

高強(qiáng)度鋼材螺栓連接設(shè)計(jì)方法

0高強(qiáng)度螺釘抗剪連接性能試驗(yàn)研究自20世紀(jì)60年代在日本的實(shí)際設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用以來(lái)，高強(qiáng)度鋼（q60級(jí)或更高強(qiáng)度）結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的許多建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。特別是隨著鋼材軋制、熱處理工藝的不斷發(fā)展,高強(qiáng)度鋼材已具備相當(dāng)好的加工性能,以適用于建筑鋼結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)度鋼材與普通鋼材相比,在構(gòu)件受力、建筑空間、結(jié)構(gòu)安全性和耐久性以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。相較普通強(qiáng)度鋼材,高強(qiáng)度鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有顯著的提高,但鋼材塑性變形能力的劣化卻給連接性能帶來(lái)了不利的影響,使得高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用受到了一定的限制。目前關(guān)于高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接性能的研究還很少,仍處于起步階段。國(guó)外有學(xué)者進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究,其試驗(yàn)得到的極限承載力與規(guī)范預(yù)測(cè)值相比,存在較大差異(如圖1所示)。國(guó)內(nèi)僅對(duì)普通強(qiáng)度鋼材螺栓連接進(jìn)行了研究,制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和規(guī)定。歐洲規(guī)范雖然對(duì)高強(qiáng)度鋼材做出了相關(guān)規(guī)定,但并未與普通鋼材進(jìn)行特別區(qū)分,尤其是端距、邊距和螺栓間距對(duì)高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接性能影響的研究更是十分缺乏,因此有必要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行研究。本文針對(duì)高強(qiáng)度鋼材抗剪性能,進(jìn)行了9個(gè)Q460鋼材螺栓抗剪連接試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接破壞模態(tài)進(jìn)行了研究,并與歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(Eurocode3)和AISC360-05美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相應(yīng)設(shè)計(jì)方法及計(jì)算公式進(jìn)行了對(duì)比分析。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試件鋼板的參數(shù)本試驗(yàn)研究的鋼材強(qiáng)度等級(jí)為460MPa級(jí)。我國(guó)目前結(jié)構(gòu)用鋼主要包括高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼(GJ鋼)和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼等,根據(jù)其對(duì)應(yīng)的鋼材標(biāo)準(zhǔn):GB/T19879—2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》和GB/T1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》,460MPa強(qiáng)度等級(jí)鋼材采用Q460鋼,其質(zhì)量等級(jí)(該類(lèi)鋼材包括C、D、E三種)根據(jù)廠家確定。鋼板的加工計(jì)劃采用離子切割,熱輸入量介于剪切加工與焰切加工之間,熱輸入量較少。該試驗(yàn)使用的所有試件均從同一塊鋼板上切割下來(lái)以保證材性統(tǒng)一,離散性較小。試驗(yàn)采用了兩個(gè)10.9級(jí)M27高強(qiáng)度螺栓以防止螺栓桿提前被剪斷,螺栓未加預(yù)拉力,螺栓孔直徑30mm。試驗(yàn)主要有以下幾個(gè)參數(shù):1)端距e1;2)邊距e2;3)螺栓間距p2。e1、e2、p2參數(shù)取值不僅限于我國(guó)規(guī)范(e1≥2.0d0,e2≥1.2d0,p2≥2.4d0,其中d0為螺栓孔徑)。試件鋼板幾何參數(shù)如圖2所示。每個(gè)試件均有編號(hào),如表1所示,“B”代表螺栓連接,“B”后的數(shù)字為序號(hào),編號(hào)最后的數(shù)字代表鋼板厚度。1.2拉伸及預(yù)加載試驗(yàn)加載裝置如圖3所示,試件通過(guò)雙蓋板螺栓連接,蓋板為40mm厚以保證試件破壞發(fā)生在芯板上。采用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行豎向拉伸,試件的兩端經(jīng)過(guò)滾花處理以增大試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持力,保證在加載過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)。在標(biāo)準(zhǔn)加載之前,對(duì)試件進(jìn)行了預(yù)加載,使得螺栓孔間隙閉合,進(jìn)入正常工作狀態(tài),荷載與變形關(guān)系趨于穩(wěn)定;同時(shí)確保試驗(yàn)加載設(shè)備及測(cè)試儀器正常工作。預(yù)加載到預(yù)定荷載的5%后卸載至零,然后施加單調(diào)荷載,加載速率控制在1.5mm/min,直至試件發(fā)生破壞或者承載力顯著下降。1.3測(cè)量?jī)?nèi)容和方法試驗(yàn)的量測(cè)內(nèi)容主要包括試件的實(shí)際尺寸、鋼材材性、試件的拉伸變形以及螺栓連接的極限承載力等。各項(xiàng)測(cè)量?jī)?nèi)容的具體操作如下。1.3.1試驗(yàn)的實(shí)際尺寸試件實(shí)際尺寸測(cè)量包括板件厚度、長(zhǎng)度和螺栓孔位置、直徑。對(duì)于板件厚度,取兩端板件厚度和孔截面處厚度的平均值。1.3.2鋼板材料的硬度通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)材性試驗(yàn)得到材料性能參數(shù),每種厚度的鋼板均取3個(gè)材性試件。1.3.3測(cè)試單元變形在節(jié)點(diǎn)區(qū)兩側(cè)各布置一個(gè)引伸計(jì),量測(cè)結(jié)果的平均值作為節(jié)點(diǎn)區(qū)的變形。1.3.4有限過(guò)載連接節(jié)點(diǎn)的極限承載力讀數(shù)根據(jù)加載設(shè)備的力傳感器直接得到。2試驗(yàn)結(jié)果2.1試驗(yàn)的實(shí)際尺寸試件的實(shí)際尺寸如表2所示。板件厚度取兩端板件厚度和孔截面處厚度的平均值。端距和邊距取兩個(gè)螺栓孔的平均值。2.2力學(xué)性能及拉伸性能對(duì)于每種厚度的鋼板,分別取了3個(gè)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。表3中試件編號(hào)CT表示材性試驗(yàn),末位數(shù)字為厚度。材性試件尺寸根據(jù)GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)比例試件尺寸的規(guī)定確定。由拉伸試驗(yàn)獲得的兩種厚度鋼板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及力學(xué)性能如圖4和表3所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:斷后伸長(zhǎng)率δ大于23%,滿足規(guī)范大于20%的要求;彈性模量E平均值為2.11×105MPa;屈服強(qiáng)度f(wàn)y在490~530MPa;抗拉強(qiáng)度f(wàn)u在630~660MPa;屈強(qiáng)比f(wàn)y/fu<0.81,滿足規(guī)范小于0.83的控制要求;屈服平臺(tái)末端應(yīng)變?chǔ)舠t在0.02以上;極限應(yīng)變?chǔ)舥在0.14以上。2.3有限過(guò)載試件的極限承載力P和變形Δu如表4所示。2.4拉斷和螺栓剪斷Winter將螺栓抗剪連接的破壞模式歸納為以下四種:端部撕裂、孔壁承壓破壞、凈截面拉斷和螺栓剪斷。本試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)10.9級(jí)M27高強(qiáng)度螺栓以避免螺栓發(fā)生剪切破壞,所以試驗(yàn)中只觀察到鋼板發(fā)生破壞。鋼板的破壞模式隨著幾何尺寸發(fā)生變化,如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn),端距、邊距和螺栓間距等幾何參數(shù)會(huì)很大程度影響鋼板的破壞模式。2.5荷載-位移曲線彎折試件典型的荷載-位移曲線如圖6所示。由圖6可以看到,加載初期,隨著荷載的增加,螺栓與孔壁接觸產(chǎn)生的應(yīng)力集中使板件很快進(jìn)入塑性,荷載-位移曲線發(fā)生彎折。由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)避免了螺栓剪切破壞,因而孔壁承壓破壞和凈截面拉斷都表現(xiàn)出了很好的延性,荷載-位移曲線的屈服平臺(tái)較長(zhǎng)。其中,發(fā)生凈截面拉斷的B8-460-10試件極限承載力最低,且其荷載-位移曲線有明顯的下降段。圖6還標(biāo)出了規(guī)范關(guān)于螺栓抗剪連接的變形限值:對(duì)于美國(guó)規(guī)范AISC,取為6.35mm(0.25in)。2.6極限應(yīng)力試件的名義極限應(yīng)力σ以及與實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度的比較σ/fu如表5所示。名義極限應(yīng)力定義為兩種:承壓應(yīng)力σb和凈截面平均應(yīng)力σnet,承壓應(yīng)力為表4所示的極限承載力與承壓面積的比值;凈截面平均應(yīng)力為表4所示的極限承載力與凈截面面積的比值。3結(jié)果分析3.1與歐洲規(guī)范比較Eurocode3中的螺栓抗剪連接設(shè)計(jì)公式是基于167組鋼板承壓試驗(yàn)提出的,這167組試驗(yàn)當(dāng)中只有一組是兩個(gè)螺栓,其中137組是研究S235等級(jí)鋼材,另外30組是研究更高強(qiáng)度鋼材(相當(dāng)于S690)。為了將本試驗(yàn)結(jié)果與歐洲規(guī)范進(jìn)行比較,計(jì)算時(shí)都直接代入鋼板的實(shí)際強(qiáng)度和幾何參數(shù)(表2和表3所示),并且不考慮分項(xiàng)系數(shù)γM2。板材承壓計(jì)算公式:對(duì)于端部螺栓:式中:fub為高強(qiáng)度螺栓抗拉強(qiáng)度;d為螺栓直徑。板材毛截面屈服計(jì)算公式:式中:fy為鋼板屈服強(qiáng)度;A為鋼板毛截面面積。板材凈截面拉斷計(jì)算公式:式中:Anet為鋼板凈截面面積。根據(jù)歐洲規(guī)范設(shè)計(jì)公式計(jì)算得到的試件承載力與試驗(yàn)值進(jìn)行比較,如表6所示。由表6可知,大部分試驗(yàn)結(jié)果均比Eurocode3計(jì)算結(jié)果要大,最大偏差為25%,這說(shuō)明歐洲規(guī)范是偏于安全的。但是歐洲規(guī)范對(duì)于試件破壞模式的預(yù)測(cè)與實(shí)際有所差異。3.2美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)參數(shù)的確定AISC360-05根據(jù)螺栓抗剪連接鋼板破壞模式將設(shè)計(jì)驗(yàn)算分為以下幾個(gè)方面?？妆诔袎浩茐?端部撕裂:毛截面屈服:凈截面拉斷:式中:Lc為鋼板端部到螺栓孔的凈距。根據(jù)美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)公式計(jì)算得到的試件承載力與試驗(yàn)值進(jìn)行比較,如表7所示。由于美國(guó)規(guī)范對(duì)螺栓孔的變形量有限值,因而試驗(yàn)值取6.35mm(1/4in)變形時(shí)的荷載P6.35?？梢钥吹?試驗(yàn)結(jié)果都低于AISC360-05設(shè)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果。4螺栓抗剪連接孔壁充壓試驗(yàn)結(jié)果1)端距、邊距和螺栓間距等幾何參數(shù)會(huì)很大程度影響鋼板承壓破壞模式。隨著邊距和螺栓間距的減小,破壞模式會(huì)從孔壁承壓破壞逐漸過(guò)渡到凈截面拉斷。這對(duì)研究螺栓抗剪連接構(gòu)造限值有很大意義。2