高强度螺栓咬合型连接的抗剪试验研究

郭兵姜亦鑫吕蕴龙孙艳文

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101；2.中国建筑标准设计研究院有限公司，北京100048)

0 引言

按受剪极限状态不同，传统高强度螺栓连接分为摩擦型和承压型两类[1-4]，相关研究资料很多[5-8]。近些年在装配式支吊架[9-10]中出现了高强度螺栓咬合型连接，如图1所示，连接副由螺栓、长条形螺母、弹簧等组成，螺母两侧和槽钢两个卷边上均设有齿，其中槽钢齿是在槽钢冷弯成型过程中挤压成型的。当连接承受剪力V时，因槽钢和连接件均镀锌，抗滑移系数小，容易发生滑移，连接件通过孔壁挤压将V传递给螺栓杆，再通过螺母与槽钢的齿咬合将V传递给槽钢。由于连接件无需钻孔，且螺栓定位和紧固方便，因此咬合型连接施工速度快。

图1 高强度螺栓咬合型连接示意图

咬合型连接的可能破坏模式有螺栓杆剪断、连接件孔壁挤压破坏、齿剪坏等3种。前两种破坏模式所对应的承载力与传统高强度螺栓承压型连接的承载力为计算方法相同，第三种破坏模式对应的承载力目前还暂无计算方法。

很少有学者研究高强度螺栓咬合型连接问题。郭小农等[11-12]、章颜等[13]提出了一种新型高强度螺栓咬合式连接，但咬合方式与图1(b)不同，板件接触面进行了刨槽处理。郭兵等[14]针对高强度螺栓咬合型连接进行了抗拉试验，并给出了抗拉承载力计算方法。罗干等[15]针对抗震支吊架连接构件进行了研究，发现咬合式连接在剪力作用下容易发生滑移。

目前，支吊架中高强度螺栓咬合型连接的抗剪承载力只能通过试验[10]确定，因此，文章展开了抗剪试验研究，目的是给出抗剪承载力的计算方法，同时也为编制T/CECS 731—2020《装配式支吊架系统应用技术规程》[16]提供依据。

1 单个螺栓抗剪试验

1.1 试件设计

单个螺栓抗剪试件包括A、B两个系列，A系列考虑槽钢规格、高强度螺栓规格的影响，而B系列考虑螺栓安装扭矩的影响。为具有充分说服力和广泛代表性，试件由具有一定市场占有率的6家国内外企业提供，对于同一组试件，每家企业提供的试件数量≥3个。

支吊架采用槽钢(如图2所示)不同于普通冷弯槽钢，有二次卷边，其壁厚t和截面高度h是可变化的，其余尺寸不变[16]，截面规格用“C截面宽度×截面高度×壁厚”表示，其中截面宽度和高度用整数表示，试验选取了工程中比较常用的3种规格(见表1)，材料均为Q235钢。

图2 支吊架用槽钢的截面尺寸图/mm

高强度螺栓可采用8.8、10.9级，试验选取8.8级。因槽钢尺寸较小，螺栓规格仅限于M10和M12两种，安装扭矩依据GB/T 38053—2019《装配式支吊架通用技术要求》[10]取值，分别为19和50 N·m。A系列试件见表1，共有66个试件。

表1 A系列试件参数表

采用B系列试件研究螺栓安装扭矩的影响，共选取4个试件，见表2。采用齿形较好的乙企业的C41×41×2.0槽钢和M12螺栓连接副，各试件仅安装扭矩不同。

表2 B系列试件参数表

1.2 槽钢实测强度和尺寸

采用线切割方法从槽钢腹板中部沿槽钢纵向切取材性试验样条，进行单向静力拉伸，测得屈服强度fy、抗拉强度fu见表3。各企业槽钢的实测值fy均明显高于其名义值，但综合fu来看，仍可判定为Q235钢。

表3 槽钢的实测强度和尺寸表

表3还给出了槽钢壁厚t、齿深和齿距，齿形如图3所示，由于国内还没有产品标准，各企业的差异性很大，有的齿深仅为0.3 mm，甚至出现了同一家企业不同规格槽钢的齿深不相同的情况，而螺母是通用的，很容易出现咬合不良的现象，势必影响其抗剪承载力。此外，各企业提供的配套连接件板厚均为4.0 mm，材料均为Q235钢。

图3 各企业不同规格的槽钢齿形图

1.3 螺母齿形和尺寸

6家企业的螺母齿形可分为交错三棱齿和平行齿两类(如图4所示)。各企业的螺母宽度基本相同，其平均值为19 mm，与螺栓直径无关。因为螺母宽度为定值，所以齿距大时齿数少。

图4 螺母的齿形图

1.4 试件尺寸及加载装置

试件尺寸及加载装置如图5所示，槽钢总长度为250 mm，槽钢背部通过两个螺栓固定到L形加载底座上，受测螺栓位于槽钢1/2长度处，试验时利用加载杆顶压连接件，使受测螺栓受剪，加载设备为SANS万能试验机。

图5 单个螺栓抗剪试验的试件及装置图

加载采用位移控制，GB/T 38053—2019[10]建议加载速率不应超过12.7 mm/min，考虑到齿距较小，为便于观察，加载速率取5 mm/min。

1.5 A系列试件的试验结果与分析

A系列试件的螺栓杆、连接件孔壁均未发生破坏，其破坏模式均为齿剪切破坏。

甲、丁、戊、己4家企业试件的破坏模式均为螺母齿和槽钢齿同时剪坏，如图6、7所示。槽钢齿被剪坏属于正常破坏状态，螺母在位移过程中不断剪坏槽钢齿，而螺母齿一旦被剪坏，将彻底丧失承载力。当螺母为交错三棱齿时，因齿的受剪面积过小，很容易被剪坏；对于采用平行齿的螺母，被剪坏的主要原因是螺母材质为Q235或Q355钢，其强度、硬度与高强度螺栓不匹配，属于不合格产品。槽钢齿剪坏的试验数据无效，不再罗列。

图6 不同企业单个螺栓抗剪试验的螺母齿剪坏模式图

图7 不同企业单个螺栓抗剪试验的槽钢齿剪坏模式图

乙、丙两家企业的螺母为平行齿，破坏模式均为槽钢齿被剪坏，螺母齿完好无损，试件的荷载-位移曲线如图8所示，无屈服平台，与槽钢齿附近的钢材硬化有关。试件极限荷载Vu的平均值见表4，与螺栓直径无明显关系；A5两组试件的极限荷载偏低，主要是螺母齿与槽钢齿的匹配性较差。

表4 A系列试件的极限荷载表

图8 A系列试件的荷载-位移曲线图

1.6 B系列试件的试验结果与分析

B系列试件来自同一家企业，仅是螺栓安装扭矩不同。试件破坏模式均为槽钢齿被剪坏，荷载-位移曲线如图9所示，B1的极限荷载偏低，其余试件区别不大，说明安装扭矩达到一定数值(保证齿咬合)后，对承载力的影响很小。试验中还发现，安装扭矩过大时，螺栓预拉力会压屈槽钢卷边，并使卷边和齿发生歪斜，因此安装扭矩不应过大。根据槽钢卷边受压屈服可以计算出高强度螺栓的预拉力值，进而得到安装扭矩，扭矩值与螺栓的级别无关。建议M10、M12高强度螺栓的安装扭矩可分别取25和45 N·m。

图9 B系列试件的荷载-位移曲线图

2 咬合型连接整体抗剪试验

2.1 试件设计及加载装置

咬合型连接整体抗剪试验能够反映实际工程中连接的整体受力情况，同时也可与前面单个螺栓的抗剪试验结果进行对比。整体抗剪试件为C系列，见表5，试件尺寸及装置如图10所示，对称布置。C系列试件仍由6家企业提供，几何尺寸和材性与前面相同，共30个试件。

表5 C系列试件参数表

图10 咬合型连接整体抗剪试验的试件尺寸图/mm

咬合型连接整体抗剪试验的加载设备、加载速率与单个螺栓的抗剪试验相同，加载点位于横梁跨中央，两侧连接受力相同。为防止加载点处横梁发生破坏，设置了加载垫块。

2.2 试验结果与分析

与A系列试件类似，C系列试件的螺栓杆、连接件孔壁均未发生破坏。甲、丁、戊、己4家企业试件的破坏模式均为螺母齿和槽钢齿同时剪坏，与A系列试件相同，试验数据无效。乙、丙两家企业试件的破坏模式均为槽钢齿剪坏，试件两侧的连接基本同步破坏，荷载-位移曲线如图11所示，其中纵坐标为加载值的1/2，也即一侧连接承担的荷载，实测极限荷载Vu的平均值见表6。因试件C1~C4的槽钢、螺栓均与试件A1~A4相同，对比表4和6后不难发现，连接整体抗剪承载力与单个螺栓抗剪承载力的平均偏差为3.4%，最大偏差为8.5%，说明单个螺栓抗剪试验能够反应整体连接中螺栓的实际受力状况。

表6 C系列试件的极限荷载表

图11 不同企业C系列试件荷载-位移曲线图

3 齿形要求及抗剪承载力

从上述试验中可以看出，对于有效试件，当螺栓等级≥8.8级、规格≥M10、连接件厚度≥4 mm时，螺栓的抗剪承载力由槽钢齿控制。由JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》[2]可知，8.8级承压型M10螺栓的抗剪承载力设计值为18.8 kN，略高于实测极限荷载最大值，理论极限抗剪承载力更高，显然螺栓杆和孔壁不会发生破坏。

槽钢齿的抗剪能力与槽钢齿的剪切面积、钢材强度有关。槽钢与螺母的齿咬合情况如图12所示，齿距为b，螺母齿端水平宽度为b1，则一个槽钢齿的受剪宽度b2由式(1)表示为

图12 槽钢与螺母的齿咬合示意图

因b、b1为定值，螺母齿压得再深，b2也不会变，说明安装时无需施加过大的扭矩，只要能够保证齿咬合即可。尽管槽钢齿是变厚度的，但剪切面距离齿底较近，剪切面处的齿厚度不会＜0.8t。假设螺母共n个齿，槽钢受剪总齿数为2n，则槽钢齿被剪坏时的极限荷载Vu由式(2)表示为

式中fvu为钢材抗剪极限强度，可取0.577fu。

乙、丙两家企业的螺母齿数n分别为4和5个，槽钢齿的受剪宽度b2分别为3.5和2.0 mm，槽钢壁厚t和抗拉强度fu见表3，将上述参数代入式(2)后得到的Vu理论值见表4，扣除齿咬合较差的两组A5试件后，极限荷载理论值均低于实测值，平均偏低13.8%，最大偏低28.1%，主要是槽钢齿的钢材存在硬化现象，导致实测值偏高，因此用式(2)计算承载力是可行且偏安全的。

根据式(2)可得到单个螺栓的抗剪承载力设计值Nv，由式(3)表示为

式中fv为钢材抗剪强度设计值，MPa。

综合各企业尤其是丙企业的齿形情况和试验结果，建议齿形采用下列数值:

(1)齿距b取3.0 mm，齿深h取1.2~1.5 mm，齿的咬合深度h不应＜1.0 mm；

(2)螺母应采用平行齿，齿端水平宽度b1取1.0 mm，螺母一侧的齿数为6个。

将上述参数代入式(3)可得到单个螺栓的抗剪承载力设计值，见表7。以壁厚为2.0和2.5 mm的Q235槽钢为例，表6中的实测值约为表7中设计值的2倍，符合工程结构可靠度的常规性要求。表7中的抗剪承载力设计值略加修改后(表中括号内数值)被T/CECS 731—2020[16]采纳。

表7 单个螺栓的抗剪承载力设计值表

4 结论

通过对国内外6家企业提供的100个试件的抗剪试验研究，可以得到如下结论:

(1)各企业生产的高强度螺栓咬合式连接的产品质量参差不齐，亟待出台产品标准，对材质、齿形等提出统一要求。

(2)螺母的强度和硬度应与高强度螺栓相匹配，螺母应采用平行齿且与槽钢齿咬合良好，否则螺母齿容易被剪坏；螺栓的安装扭矩不宜过大，能够保证齿咬合即可。

(3)当高强度螺栓的规格≥M10、级别≥8.8级、连接件板厚≥4 mm时，破坏模式为槽钢齿剪坏，抗剪承载力与槽钢齿的剪切面积、抗剪强度有关。

(4)根据实验结果，给出了单个螺栓抗剪承载力设计值的计算公式，并给出了符合齿形要求的设计推荐值。

致谢

试验试件由参与编制T/CECS 731—2020《装配式支吊架系统应用技术规程》的6家企业提供，对这些企业的支持表示衷心感谢。