不同构造端板连接中高强度螺栓受力特性研究

第３７卷第ｌ期２ＯＯ５年１月哈尔滨工业大学学报ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＨＡＲＢＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶ０１．３７Ｎｏ．１Ｊａｎ．．２００５不同构造端板连接中高强度螺栓受力特性研究施刚，石永久，王元清，李少甫，陈宏（清华大学土木工程系，北京１０００８４，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｇａｎｇｏｏ＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎ曲ｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ）摘要：通过４个不同构造钢结构梁柱端板连接试件在单调荷载下的破坏试验，研究了不同构造端板连接中高强度螺栓的受力特性，给出了螺栓拉力一荷载、螺栓弯矩一荷载变化曲线以及螺栓拉力分布状态，研究了节点形式、端板加劲肋、节点域柱腹板加劲肋等因素对螺栓受力特性的影响．试验结果表明：受拉区螺栓同时承受拉力和弯矩、端板加劲肋和柱腹板加劲肋对螺栓拉力发展变化和分布状况影响较大；不同的节点计算模型适用于不同的节点构造．关键词：钢结构；端板连接；螺栓中图分类号：ＴＵ３９１文献标识码：Ａ文章编号：０３６７—６２３４（２００５）０１—００６６—０４ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｂｏｌｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｏｒＶａｒｉｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌｅｎｄ－ｐｌａｔｅｃｏ蛐ｅｃｔｉｏｎｓＳＨＩＧａｎｇ，ＳＨＩＹｏｎｇ－ｊｉｕ，ＷＡＮＧＹｕａｎ—ｑｉｎｇ，ⅡＳｈａｏ—ｆｕ，ＣＨＥＮＨｏｎｇ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｉｇａｎ９００＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｂ０１ｔｓｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌｂｅａｍ—ｃｏｌｕｍｎｅｎｄ—ｐｌａｔｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ，４ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｄｅｔａｉｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｔｅｓｔｅｄｕｎｄｅｒｍｏｎｏｔｏｎｉｃｌｏａｄｉｎｇ．Ｃｕｎ，ｅｓｏｆｔｈｅｂｏｌｔｓｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒｃｅｓ—ｌｏａｄａｎｄｔｈｅｂｏｌｔｓｍｏｍｅｎｔｓ—ｌｏａｄａｎｄｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒｃｅｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｂｏｌｔｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎｎｕｅｎｃｅｓｏｆｃｏｎ—ｎｅｃｔｉｏｎｔｙｐｅ，ｒｉｂｓｔｉｆｋｎｅｒａｎｄｃｏｌｕｍｎｓｔｉｆｂｎｅｒｏｎｔｈｅｂ０１ｔｓｂｅｈａｖｉｏｒｈａｖｅｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＩｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｂｏｌｔｓｉｎｔｅｎｓｉｏｎｚｏｎｅａｒｅｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒｃｅａｎｄｍｏｍｅｎｔｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｒｉｂｓｔｉｆｋｎｅｒａｎｄｃｏｌｕｍｎｓｔｉｆ亿ｎｅｒｉｎｎｕｅｎｃｅｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａＩｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｏｌｔｓｔｅｎｓｉｏｎｆｂｒｃｅｓ，ａｎｄｄｉｆｋｒｅｎｔｄｅｓｉ挈ｍｍｏｄｅｌｓａｒｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅｔｏｖ撕ｏｕｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｅｔａｉｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌｓｔｌｌｌｃｔｕｒｅ；ｅｎｄ—ｐｌａｔｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｂ０１ｔ近十几年来，多层钢框架和门式刚架轻型房屋钢结构在我国广泛应用，端板连接也随之在工程中大量采用．目前，国外（包括美国和欧洲）采用的端板连接，由于其梁柱构件通常采用热轧Ｈ型钢，在设计计算时，认为节点域柱腹板受压区不发生局部屈曲，所以，节点域柱腹板一般不设置加劲肋，而且在外伸式端板连接中，端板外伸部分通常也不设置加劲肋．美国采用的端板连接，通常只在梁翼缘两侧各设置一排螺栓，所以，端板连接的标准构造通常收稿日期：２００４一０３—２６．基金项目：教育部优秀青年教师资助计划项目．作者简介：施刚（１９７７一），男，博士研究生；石永久（１９６２一），男，博士，教授，博士生导师是一共有四排螺栓，当需要增大节点螺栓承载力时，经常是增加每一排螺栓的数量．而我国采用的端板连接，梁柱构件通常采用焊接Ｈ型钢，柱腹板厚度较小，节点域柱腹板受压区易发生局部屈曲，所以，节点域柱腹板一般均会设置加劲肋，而且在外伸式端板连接中，端板外伸部分通常也会设置加劲肋．端板连接构造形式不同，会导致螺栓群的受力分布状况不同，直接影响到节点计算模型和设计计算方法的合理性和可靠性．对于采用高强度螺栓的钢结构梁柱端板摩擦型连接，螺栓计算模型是关键问题．我国规范的螺栓计算方法采用端板刚性假设，端板只发生整体转动，不发生弯曲变形，转动　万方数据第１期施刚，等：不同构造端板连接中高强度螺栓受力特性研究．６７．中心在全部螺栓的形心处，螺栓群承担的拉力呈线性分布，第一排螺栓承受最大拉力，利用平衡确定螺栓受力¨’２｜．英国规范认为受拉翼缘两侧的两排螺栓承担相同拉力，按弹性方法计算螺栓拉力”ｊ．欧洲规范则采用塑性设计，从受拉翼缘外侧第一排螺栓开始，每排螺栓的拉力独立发展至最大，多余拉力重新分配到下一排螺栓，形成塑性分布，每个螺栓的受力依赖于其本身的承载力，而不只是力臂．当端板外伸部分没有加劲肋时，通常会出现由于第二排螺栓附近有梁腹板和翼缘的支承，承载力最大，因而承受最大拉力．各螺栓的极限拉力可由屈服线理论，按极限平衡原理求出［３］．美国规范采用Ｔ形件法，将弯矩Ｍ简化为作用于梁上下翼缘的一对力偶，拉力仅由受拉翼缘两侧的螺栓承担，将受拉翼缘和这两排螺栓简化为Ｔ形连接件，按Ｔ形件的弹塑性分析，并考虑杠杆力的作用，确定节点承载力，进行节点的分析和设计．杠杆力的确定是其中的关键问题∞１．由上可以得到，螺栓的计算模型与端板连接的具体构造紧密相关，为研究不同构造的梁柱端板连接中摩擦型高强度螺栓的受力特性，本文进行了试验研究．１试验１．１节点试件设计针对４种不同构造形式的梁柱端板连接进行了试验研究，共４个试件，具体构造见表１．试验所有试件的设计依据是文献［１，２，４］．试件均为取自于常规多层钢框架在侧向荷载作用下梁柱反弯点之间的典型单元，均为强轴连接，且采用足尺模型．表ｌ试件主要参数所有试件的梁柱均为焊接Ｈ型钢，截面尺寸都相同，见表２，材料均为Ｑ３４５Ｂ钢．端板加劲肋为三角形，厚１０ｍｍ．所有试件的端板厚度和螺栓直径均为２０ｍｍ，柱翼缘在端板外伸边缘上下各１００ｍｍ范围内局部加厚，厚度与端板相同．螺栓为１０．９级高强度螺栓，施工采用扭矩法紧固，预拉力设计值为１５５ｋＮ．连接构件摩擦面在工厂进行抛丸处理，摩擦面的抗滑移系数为ｏ．４４．梁与端板、柱翼缘局部加厚部分与通常厚度翼缘之间采用全熔透对接焊缝，其余焊接均采用角焊缝，焊接工作全部在工厂完成．试件的加工制作均符合相关规范和规程的要求．表２梁柱截面尺寸ｍｍ１．２加载方式、量测内容及方法试验均采用千斤顶单向静力加载，直至试件破坏．对于每个试件，考虑其节点螺栓受力的对称性，只选取一列螺栓进行测量．每个螺栓在螺栓杆上对称地开两个槽，槽深度１ｍｍ，宽度５ｍｍ，长度保证应变片位置在每个试件的端板和柱翼缘的中间；在槽底放置应变片，表面用树脂覆盖加以保护；在螺栓头中对应槽的位置各开一个直径２ｍｍ的孔，用以引出导线．在试件安装过程中，保证每个螺栓上的两个应变片的连线垂至于梁翼缘，这样可以测出螺栓截面的最大和最小应变，则可以同时计算出螺栓受到的拉力和弯矩．２结果及分析试验结果见表３，其中，荷载设计值是根据文献［１，２，４］在弯矩和剪力共同作用下各试件节点的承载力设计值所计算得到的千斤顶对应荷载；试验极限荷载和试验极限弯矩分别为试验实测的千斤顶最大荷载及其对应的试件节点弯矩．对于上述所有试件，试验结果表明，螺栓断裂处均位于有螺纹段，破坏断裂面角度约为４５。

，发生颈缩的螺栓其颈缩处也位于有螺纹段，这证明螺栓开槽对截面的削弱没有影响螺栓承载力．表３试验结果荔篙器鬻譬破坏姒编号值／ｋＮ荷载／ｋＮ矩／（ｋＮ・ｍ）……ＳＣｌ３５．２１５５．３１８６．４端板屈服，螺栓拉断ＳＣ２７８．３２８６．４３４３．７螺栓拉断ｓｃ３６３．７２５６．９３０８．３端板屈服，螺栓拉断ｓＣ４７８．３２５６．６３０７．９端板屈服，节点域柱腹板受压区屈曲试验测得各试件的螺栓拉力一荷载、螺栓弯　万方数据・６８・哈尔滨工业大学学报第３７卷矩一荷载变化曲线分别如图１、２所示．其中，图ｌ、２、３、４分别表示依照从受拉区向受压区顺序的第１、２、３、４排螺栓．图３为各试件在某特定荷载下的螺栓拉力分布状况，其中，曲线１对应于各试件的承载力设计值，曲线２、３分别表示对应于图Ｚ岜－Ｒ辍姐骚暑冬掣静牲骧荷载，ｋＮＳＣｌ荷载／ｌ【ＮＳＣ２ｌ中各试件最大荷载的１／２和全部．试验结果中，螺栓拉力和弯矩是根据测量的应变计算得到，由于高强度螺栓材料性质资料有限，所以只能计算螺栓处于弹性阶段所承担的拉力和弯矩，这在图１和图２中也得到反映．÷≤荷载／ｌ【Ｎ荷载／Ｉ【ＮＳＣ３ＳＣ４图１各排螺栓拉力一荷载变化曲线１００童５０婴。

档一５０馨一１００ｌ荷载／Ｉ【ＮＳＣｌ・ｊ游磋０…０Ｉ３５１５５１７５１９５２１５２３５螺栓拉力，ｋＮＳＣｌ荷载，ｋＮＳＣ２荷载，１【ＮＳＣ３图２各排螺栓弯矩一荷载变化曲线螺栓拉力，Ｉ【Ｎ荷载／ｌ【ＮＳＣ４图３螺栓拉力分布图针对每个试件，具体分析如下：１）试件ＳＣｌ在荷载不是很大的情况下，螺栓拉力分布较好地符合我国现行规范的计算模型，第一排螺栓同时承受很大的拉力和弯矩，直至最终断裂和发生颈缩．２）试件ＳＣ２表现为第一排螺栓承担的拉力和弯矩很大，而第二排螺栓承担的拉力和弯矩都很小．虽然螺栓拉力分布近似为线性，但是其中性轴不符合上文中的任一模型．从实测的应变值分析，第一排螺栓外侧的应变一直是负值在增长，最终螺栓拉力／ｌ【ＮＳＣ３螺栓拉力／ｋＮＳＣ４是弯曲受拉断裂破坏；而在第一排螺栓屈服之后，第二排螺栓的应变迅速发展，而且几乎是纯弯受力状态，随着弯矩不断增大，最终破坏，一个断裂，一个发生颈缩．３）试件ｓｃ３与ｓｃ２相比少了端板加劲肋，使得端板外伸部分的刚度大大减小，从而弯曲变形较大，第一排螺栓承担的弯矩很大，但是拉力减小了，而第二排螺栓由于梁翼缘和腹板的支承作用，承担的拉力有所增大．所以，在加载的初期，第二排螺栓承担的拉力最大．从梁受拉翼缘处的引伸　万方数据第１期施刚，等：不同构造端板连接中高强度螺栓受力特性研究仪和螺栓上的应变片的实测结果分析，在加载的中后期，端板变形增大很快，梁受拉翼缘处端板与柱翼缘之间的缝隙迅速扩展，第一排螺栓承担的拉力和弯矩也迅速增大，拉力值超过第二排螺栓，其外侧应变一直是负值在增长，而内侧应变是很大的正值，说明其最终破坏主要是由于弯曲受拉；在第一排螺栓屈服后，第二排螺栓的应变迅速增大，轴拉力和弯矩均较大，直至最终破坏，最终是受拉区四个螺栓同时断裂．４）试件ＳＣ４与ＳＣ２相比少了柱腹板加劲肋，这使得柱翼缘的变形几乎不受约束，其变形状态与其他所有试件均不同，表现为明显的双向弯曲变形，特别是柱翼缘在柱截面平面内的弯曲变形很大，这使得第二排螺栓承受的拉力很小，图２所示的外荷载作用平面内的弯矩也比较小，但是，从柱翼缘变形状态分析，它在柱截面平面内会承受较大弯矩．从图１分析，第一排螺栓承担较大拉力，而柱翼缘的变形造成了第二排螺栓预拉力的松弛．最后破坏为柱腹板受压区屈曲．此外，对于所有试件：１）在施加荷载后，受压区螺栓的预拉力均减小，表现为实测的螺栓应变为负值，即螺栓预拉应变的松弛．而且受压区螺栓均承担了一定的弯矩，特别是除ＳＣｌ之外的所有试件（即所有外伸式端板连接）的第四排螺栓的弯矩值均较大，从实测的应变值分析，这实际上是螺栓两侧预拉应变的松弛有差异，均为靠近梁受压翼缘一侧的预拉应变松弛较大，而另一侧较小．２）除ｓｃ３之外，其余所有试件均表现为第一排螺栓拉力最大，而且均承担较大的弯矩，根据受力分析可知，这主要是由于端板外伸部分对第一排螺栓有弯睦作用．表４给出了螺栓预拉力设计值％、当荷载等于试件节点承载力设计值时第一排螺栓拉力的实测值兀、根据螺栓截面有效面积计算得到的螺栓屈服拉力Ｌ以及它们之间的比较；．｜｝为与试件节点承载力设计值相对应的螺栓的安全系数．表４螺栓拉力比较３结论和设计建议１）受拉区螺栓不仅承受拉力，而且承受弯矩，在上述的ｓｃｌ～３试件中，螺栓承受的弯矩对其最终破坏均有很大影响，所以，在进行螺栓设计时，应该分析螺栓的实际受力状态，按照弯矩和拉力共同作用进行计算．２）节点的形式和构造对节点中各部件的受力特性以及各部件之间力的传递具有显著影响．螺栓的安全系数在１．４ｌ～１．５４，具有较大的安全度．３）端板连接的构造形式（例如端板加劲肋和柱腹板加劲肋）直接决定了螺栓拉力分布状况，不同构造的节点其螺栓拉力分布差别很大，同时，构造形式还影响螺栓拉力的发展变化．不同的节点计算模型适用于不同的节点构造，所以，在制定端板连接设计方法时，应针对不同构造给出相应的设计方法．在上述试件中，Ｓｃｌ的螺栓拉力分布较好地符合我国规范，说明我国规范的设计计算方法对平齐式端板连接比较适用．而ＳＣ３的螺栓拉力分布则较好地符合欧洲规范，对于此种构造的节点，欧洲规范计算模型的合理性已经为国内的相关研究成果证实∞’引．４）由于端板钢材普遍在屈服后有较大的变形能力和强度提高，而螺栓屈服后的变形能力和强度提高则很有限，所以，对于端板外伸部分没有加劲肋的节点，虽然端板由于缺少支承而较弱，但是节点最终破坏模式仍然表现为螺栓断裂．当进行节点设计特别是节点抗震设计需要考虑节点变形能力和延性时，这是需要注意的问题．参考文献：［１］ＧＢ５００１７—２００３，钢结构设计规范［Ｓ］．［２］ＪＧＪ８２—９１，钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程［Ｓ］．［３］ＢＲ０ｗＮＧ，ＦＥｗＥＳＴＥＲＭＣ．Ａｎｅｗｉｎｄｕｓｔｒｙｓｔａｎｄａｒｄｆｏｒｍｏｍｅｎｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｉｎｓｔｅｅｌｗｏｒｋ［Ｊ］．ＴｈｅＳｔｍｃｔｕｍＩＥｎ舀ｎｅｅｒ，１９９６，７４（２０）：３３５—３４２．［４］ＣＥＣＳｌ０２：２００２，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［ｓ］．［５］施刚，石永久，王元清，等．门式刚架轻型房屋钢结构端板连接的有限元与试验分析［Ｊ］．土木工程学报，２００４，３７（７）：６一１２．［６］荆军．轻型房屋钢结构端板节点性能及设计方法研究［Ｄ］．北京：清华大学，１９９９．（编辑王小唯）　万方数据。