单面攻丝高强螺栓抗剪连接承载性能试验研究

Experimental Study on Bearing Capacity of Shear Connection of Single Side Tapping High Strength Bolt

摘要: 本文针对高强螺栓单面攻丝抗剪连接的承载性能开展了试验研究，分别测得了单个螺栓在摩擦阶段的极限抗剪承载力和在承压阶段的极限抗剪承载力。试验结果表明：攻丝型高强螺栓连接按承压型高强螺栓受剪来设计时，试验测得的螺栓极限抗剪承载力平均值较计算得到的螺栓极限抗剪承载力均有较大的安全储备，可以满足承压型高强螺栓的设计要求；但按摩擦型高强螺栓受剪来设计时，试验得到的螺栓抗剪承载力平均值较按规范计算的抗剪承载力富余量较少，并且试验得到的板件间相对滑移比较大，不能满足摩擦型高强螺栓抗剪时的正常使用极限状态要求。

Abstract: In this paper, the load-bearing capacity of high-strength bolts with single-side tapping shear connection was experimentally studied. The ultimate shear capacity of a single bolt in the friction stage and the ultimate shear capacity in the pressure stage were measured respectively. The test results show that when the tapping high-strength bolt connection is designed according to the pressure type high-strength bolt, the average value of the ultimate shear capacity of the bolt measured by the test has a larger safety reserve than the calculated ultimate shear capacity of the bolt, which can meet the design requirements of the pressure type high-strength bolt. However, when it is designed according to the friction type high-strength bolt, the average value of the shear bearing capacity of the bolt obtained by the test is less than that calculated by the standard, and the relative slip between plates obtained by the test is relatively large, which cannot meet the normal use limit state requirements of the friction type high-strength bolt in shear.

1. 引言

传统的钢结构高强螺栓紧固连接方式如图1(a)所示，作为紧固件的高强螺栓连接副包括螺栓与螺帽以及两个垫圈。连接抗滑移承载能力可以依据钢结构设计规范(GB50017-2003) [1] 以及钢结构高强度螺栓连接技术规程(JGJ82-2011) [2] 的相关规定进行计算。考虑闭口截面情形下传统高强螺栓装配的困难，工程中单边紧固高螺栓受到了广泛的关注 [3] [4] 。目前应用广泛的单边螺栓包括Hollo-bolt，modified Hollo-bolt，Ultra-Twist Bolt，Blind Bolt，Huck Bolt，Flow drill and Ajax One-side Bolt等 [4] ，相关这些螺栓性能的试验与有限元分析成果的报道也非常多 [5] [6] [7] 。特别是由Lindapter International开发的Hollo-bolt system [8] ，相关的研究内容更多。虽然这些螺栓可以有效解决封闭截面装配施工难的问题，但大多数螺栓都是专利产品，价格也比普通高强度螺栓贵。同时，普通高强度螺栓的施工大多需要不同的专业工具，不利于产品的大规模推广。因此，一种攻丝型高强度螺栓装配连接方法在工程中受到了关注。

攻丝型高强螺栓采用了图1(b)所示的攻丝型高强螺栓单面紧固连接，它采用带攻丝的连接钢板来替代螺母，极大方便了闭口截面的螺栓装配。但由于通常连接钢板的材料性能与螺母存在较大差异，这种

(a) 普通高强螺栓连接 (b) 攻丝型高强螺栓连接

Figure 1. Comparison of high strength bolted connection forms

图1. 高强螺栓连接形式比较

新型连接方式在剪切状态下的破坏模式、受力机理和承载能力均存在不明确之处，现行钢结构规范中未包含该类连接类型，开展对该新型螺栓连接抗剪性能评价的研究工作是十分必要的。针对单边紧固连接的研究，目前多数研究关注在这类连接的应用 [9] [10] [11] [12] ，较少考察单个螺栓的受力性能。本文在试验研究基础上，探讨高强螺栓攻丝型连接的抗剪承载性能。

2. 试验概况

2.1. 试件设计

试验以单个螺栓为研究对象，共设计3组试件进行研究。试验高强度螺栓选用实际工程中常用的M20、M24和M30，带内螺纹的连接板厚度取20 mm和24 mm两种厚度，各组试件的具体情形如表1所示。图2给出了各试件的设计制作尺寸，加工成型后试件如图3所示。

Table 1. Grouping of specimens

表1. 试件分组情况

2.2. 加载方案与测试内容

试验采用1000kN级电液伺服万能试验机进行加载(图4)，加载方式采用位移加载方法。在正式加载之前，对试件进行预加载，保证螺栓连接顺利进入正常受剪状态；同时确保试验仪器工作正常。预加载到预定荷载的5%后卸载至零，然后施加单调荷载，加载速率控制在2mm/min，直至试件发生明显破坏或者承载力显著下降，试验过程中作动器施加的力和位移由MTS加载系统记录。

试验过程中主要量测内容包括：

1) 两摩擦面间开始发生相对滑移时的剪力值；

2) 极限剪力值；

3) 荷载—变形曲线。

Figure 2. Specimen size and assembly method

图2. 试件尺寸与装配方式

Figure 3. The specimen after assembling

图3. 装配成型后试件

Figure 4. Test loading device

图4. 试验加载装置

3. 试验结果与分析

3.1. 试件抗剪承载力的理论分析

对于普通高强螺栓的抗剪连接，依据连接失效的极限状态的不同，可以分为摩擦型抗剪连接与承压型抗剪连接。摩擦型抗剪连接以连接钢板产生相对滑动为极限状态，是钢结构重要受力构件以及承受动荷载情形下构件连接采用的连接方式；承压型抗剪连接则以螺杆与落实孔壁相互挤压产生破坏为连接失效的极限状态，它包括螺杆剪断或是孔壁压坏两种极限情形。我国钢结构高强度螺栓连接技术规程 (JGJ82-2011)针对两类型抗剪连接给出的极限承载力确定方法分别如式(1)和式(2)所示。

摩擦型抗剪连接单个螺栓承载力：

$N_{v1}^b=k_1{k}_2{n}_{f}uP$ (1)

承压型抗剪连接单个螺栓承载力：

$N_{v2}^b=\min \left[n_v\frac{\text{π}{d}^2}{4}{f}_v^b,d{\displaystyle \sum t{f}_c^b}\right]$ (2)

上述抗剪承载力理论分析式中，P为螺栓连接预紧力，n_f、n_v分别为摩擦面和剪切面的个数，d为高强螺栓直径， ${\displaystyle \sum t}$ 为连接在不同受力方向中一个受力方向承压构件的总厚度的较小值，对于普通钢结构，系数 $k_1=0.9$ ，标准孔型连接 $k_2=1.0$ 。

针对本文攻丝型高强螺栓连接，预紧力控制参考JGJ82-2011中的规定，M20、M24、M30的10.9级高强螺栓预紧力分别取为155kN、225kN、355kN，试验过程采用数显式电动扭矩扳手对高强螺栓预紧力值进行控制。摩擦面处理方式为手工除锈，摩擦系数取为0.35，试件设计为单剪连接，n_f、n_v取值均为1.0。基于上述条件，可计算得出各组连接试件的抗剪承载力参考理论值如表2所示。

Table 2. Calculation value of shear connection capacity of each group based on JGJ82-2011

表2. 基于JGJ82-2011的各组试件抗剪连接承载力计算值

3.2. 试验现象

通过预加载使试件的支撑约束部位与加载部位接触良好，进入正式加载阶段。正式加载第一阶段，螺栓连接处于弹性受力变形阶段，剪力和位移的增长关系接近于线性变化，板件和螺栓变形不明显，当荷载加载达到一定值时，连接板与自攻螺纹钢板出现明显的相对滑移，滑移一定的距离后，剪力和位移的增长关系又接近于线性变化，继续施加荷载，临近螺栓连接的极限承载力时，螺杆发生塑性变形，最终螺杆剪断破坏，钢板的螺栓孔壁螺纹处出现微小的挤压变形，螺栓的抗剪承载力急剧下降，破坏状态如图5所示。

Figure 5. Specimen failure pattern

图5. 试件破坏形式

(a) M20-20-1 (b) M20-20-2(b) M20-20-3

Figure 6. Shear-displacement curve of the first group of specimens

图6. 第一组试件剪力–位移曲线

3.3. 试验结果

由试验得到各组螺栓受到的剪力与连接板件摩擦面两侧相对变相的关系曲线如图6~9所示，图中f₁表示一个摩擦型连接高强螺栓的抗剪承载力，f₂表示一个承压型连接高强螺栓的抗剪承载力；f₁和f₂分别依据JGJ82-2011相关规定计算得到(如表2所示)。

3.4. 结果分析

1) 从各组试件剪力–位移曲线可以看出，AB段是高强螺栓攻丝型装配连接的摩擦传力阶段，BC段

(a) M24-20-1 (b) M24-20-2 (b) M24-20-3

Figure 7. Shear-displacement curve of the second group of specimens

图7. 第二组试件剪力–位移曲线

(a) M24-24-1 (b) M24-24-2 (b) M24-24-3

Figure 8. Shear-displacement curve of the third group of specimens

图8. 第三组试件剪力–位移曲线

Figure 9. Shear-displacement curve of the forth group of specimens

图9. 第四组试件剪力–位移曲线

是相对滑移阶段，CD段则是两连接钢板与螺栓顶紧接触后的承压传力阶段，AB、CD段均表现为线性受力状态。4组试件试验结果均显示，攻丝型高强螺栓连接存在一个较长的滑移阶段，这对不容许出现滑移的摩擦型连接来说，是会影响连接的正常使用的。

2) 表3汇总了各试件两摩擦面间开始发生相对滑移时的剪力值和极限剪力值，表中将试验值与《钢结构设计规范》中单个10.9级M20、M24、M30规格高强度螺栓摩擦性连接和承压型连接的抗剪承载力设计值进行了比较。

Table 3. Test results under various loads

表3. 各级荷载作用下检验测试结果

由表中数据可知，攻丝型高强螺栓连接的摩擦抗剪阶段，各组试件的平均摩擦抗剪承载力试验值均大于相应普通高强螺栓按规范计算摩擦抗剪承载力，但数据比较离散，主要是因为扭矩法施工本身具有较大的离散性，施加给螺栓的预紧力就有较大的离散性，并且试验中的板件间的摩擦系数与规范值也有差异。同时有个别试验值(M20-20-2)低于规范计算值，并且试验的摩擦阶段最大位移值比较大，不满足摩擦型高强螺栓的正常使用极限状态要求，不适合按照传统摩擦型高强螺栓的设计准则来进行工程设计。各组试件在承压传力阶段，攻丝型高强螺栓连接的极限抗剪承载力试验平均值均大于单个承压型高强螺栓抗剪承载力规范计算值，并且富余量较大，可见攻丝型高强螺栓连接按照传统承压型高强螺栓的设计准则来进行工程设计是比较合适的。

4. 结论

1) 试验表明：攻丝型高强螺栓连接与传统高强螺栓连接受剪的各阶段受力机理和破坏模式类似，同样存在摩擦传力的弹性阶段、板件滑移阶段、螺杆传力的弹性阶段、弹塑性阶段。

2) 攻丝型高强螺栓连接的摩擦抗剪阶段，试验得到的抗剪承载力离散型较大，个别试件得到的抗剪承载力小于按普通高强螺栓确定的抗剪承载力规范计算值，且试验得到的板件间相对滑移也比较大，不能满足摩擦型高强螺栓抗剪的正常使用极限状态要求，不适合按照传统摩擦型高强螺栓连接的设计准则来进行工程设计。

3) 攻丝型高强螺栓连接的承压抗剪阶段，连接的极限抗剪承载力较普通高强螺栓按规范计算的承载力设计值高很多，该类型连接按传统承压型高强螺栓连接的设计准则来进行工程设计是合适的。

基金项目

湖南省教育厅科学研究重点项目：攻丝型单边紧固高强螺栓考虑孔型影响的装配连接受力性能与设计计算理论研究(19A095)。

参考文献