鋁合金螺栓群受剪長連接承載力的試驗研究

鋁合金具有重量輕、美觀、易加工、耐腐蝕等優(yōu)點。它不僅適用于建筑物的門窗、玻璃天花板等防護結(jié)構(gòu)，也可作為結(jié)構(gòu)的主要支撐組件直接承受負(fù)荷。近年來,隨著鋁加工技術(shù)的不斷發(fā)展、鋁合金材料性能的不斷增強、連接技術(shù)的不斷創(chuàng)新,鋁合金結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多,應(yīng)用范圍也越來越廣,在世界各地均建成了一定數(shù)量形式各異的鋁合金結(jié)構(gòu)。目前,鋁合金結(jié)構(gòu)在國內(nèi)也得到一定程度的應(yīng)用發(fā)展。但由于國內(nèi)還沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范,因而制約了這種結(jié)構(gòu)形式在我國的進一步推廣。規(guī)范的制訂需要通過理論分析和試驗研究來解決很多問題,鋁合金連接節(jié)點的承載能力計算是其中一個重要方面。與焊接相比,由于在某些牌號的鋁合金焊接節(jié)點中存在著焊接熱影響區(qū)強度降低的不利現(xiàn)象,因而螺栓連接是一種應(yīng)用更為廣泛的連接方式。鋁合金與鋼同為金屬材料,鋁合金栓接節(jié)點的力學(xué)性能同鋼結(jié)構(gòu)也十分接近。通過對國外規(guī)范的對比研究,單個螺栓的受剪、受拉及拉剪連接均可采用與鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接相同的設(shè)計計算方法。但由于鋁的彈性模量僅為鋼的三分之一,與鋼相比,鋁合金螺栓群節(jié)點的承載性能是否有較大差異尚待進一步深入研究。因此,本文結(jié)合我國首部鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范編制的需要,對鋁合金栓接節(jié)點的靜力承載性能進行了較系統(tǒng)的理論分析和試驗研究,并采用數(shù)值模擬對試驗結(jié)果作補充分析。研究內(nèi)容包括兩類最為典型的栓接節(jié)點:雙蓋板軸心受剪螺栓群節(jié)點和雙T形軸心受拉螺栓群節(jié)點。1雙蓋的軸心由切下螺釘組節(jié)點組成1.1節(jié)點的變形協(xié)調(diào)雙蓋板連接是最常見的螺栓群軸心受剪連接形式。當(dāng)連接較長時,各螺栓中剪應(yīng)力的分布呈兩端高中間低的馬鞍形,如圖1所示。以圖2所示n個螺栓的雙蓋板節(jié)點為例,在荷載N作用下,芯板及組合搭接板(將上下兩塊搭接板視為一體)的內(nèi)力呈階梯狀分布。第i個螺栓孔洞與第i+1個螺栓孔洞之間的芯板內(nèi)力為Pi,i+1,組合搭接板內(nèi)力為Qi,i+1,第i個螺栓所承擔(dān)的剪力為Ri。兩相鄰螺栓之間的芯板及組合搭接板滿足下列平衡方程:圖3(a)所示為連接板和螺栓的變形。在荷載N作用下,第i個螺栓孔洞與第i+1個螺栓孔洞之間芯板伸長后的距離為p+ui,i+1;同時,搭接板也被拉長,第i個至第i+1個螺栓孔洞之間搭接板伸長后的距離為p+u′[KG-*3]i,i+1。其中,p為螺栓孔間距。另一方面,螺栓發(fā)生錯動變形,該變形包括螺栓受到的剪力、彎曲和承壓產(chǎn)生的變形以及連接板承壓產(chǎn)生的變形。假定不論在螺栓的孔邊或是在中心線上,螺栓的變形都一樣,用符號Δi表示。參見圖3(b),第i至第i+1個螺栓孔洞間連接的變形協(xié)調(diào)條件為:芯板及搭接板的伸長ui,i+1和u′[KG-*3]i,i+1可表示為其內(nèi)力Pi,i+1和Qi,i+1的函數(shù),即:通過試驗可測定出Δ與R的關(guān)系曲線,該曲線一般可表示成圖3(c)所示的形狀,函數(shù)表達(dá)式為:將(4)～(6)式代入(3)式,則變形協(xié)調(diào)條件成為:式(7)可按連接的每一段分別寫出,利用平衡方程(1)和(2)式,消去方程中的Pi,i+1和Qi,i+1,可得包含n個未知量Ri的n-1個聯(lián)立方程。最后再引入平衡方程:則當(dāng)函數(shù)f、Φ、Ψ已知時,就可求得節(jié)點中每個螺栓承擔(dān)的荷載,進而求出節(jié)點的極限承載力。當(dāng)芯板厚度等于搭接板厚度的兩倍,且栓孔等距布置時,在線彈性階段相容方程(7)式可簡化為:式中,δp為相鄰螺栓孔之間芯板和組合搭接板的抗拉柔度,δb為螺栓桿的抗剪柔度。將(8)式與(9)式聯(lián)立求解,可得線彈性階段各螺栓所承擔(dān)的剪力荷載值。1.2螺栓在極限承載狀態(tài)下的橫向變形分析根據(jù)上述理論分析和試驗研究結(jié)果,歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范EC3規(guī)定當(dāng)接頭長度L>18d時,應(yīng)對軸心受剪長連接的螺栓承載力進行折減,折減系數(shù)為:中國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017)規(guī)定當(dāng)連接長度L大于15d0時折減系數(shù)為:與鋼相比,鋁合金軸心受剪長連接在彈性階段螺栓分擔(dān)荷載的不均勻性將更為顯著。這是因為鋁合金板的彈性模量較小,當(dāng)螺栓及間距不變,而僅將板材料由鋼變?yōu)殇X合金時,(9)式中柔度比值δp/δb的增大必然會加劇螺栓承擔(dān)剪力荷載的不均勻性。但在靜力荷載作用下,節(jié)點的極限承載力是由螺栓和板的彈塑性極限變形能力決定的。參見圖3(c),當(dāng)端部螺栓達(dá)到極限強度Ru時,由于此時尚未達(dá)到其極限變形Δu,因此,隨著栓桿材料和(或)連接板的塑性發(fā)展,端部螺栓變形會進一步增長,節(jié)點能夠繼續(xù)承載,額外“多”施加的這部分荷載,就逐漸由內(nèi)部螺栓來承擔(dān)。理論上,只要節(jié)點具備充足的變形能力,外部荷載最終就能夠在全部螺栓上達(dá)到均勻分配。正是由于鋁合金板相對鋼板更大的變形能力,使得在外荷載作用下,鋁合金板的孔洞承壓變形較鋼板更為顯著。這使螺栓塑性變形的余地更大,即相當(dāng)于增加了螺栓的極限變形Δu值,這對于極限狀態(tài)下長連接中各個螺栓的剪力平均分配起到了有利的作用。因此,對鋁合金雙蓋板連接,在極限承載狀態(tài)下,剪力分配的不均勻程度反而可能會小于鋼結(jié)構(gòu)中的結(jié)果。具體結(jié)果則有待試驗驗證。為分析鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范公式(10)及(11)用于鋁合金結(jié)構(gòu)的安全性,本文對6061-T6鋁合金板采用4.8級鍍鋅鋼螺栓的雙蓋板連接進行了驗證性的試驗研究。1.3螺栓群黨向非定徑比、長度對比試件的加工制作承載力折減系數(shù)主要與接頭長度L、連接板凈截面面積與栓桿總受剪面積的比值A(chǔ)n/As有關(guān)。因此在預(yù)備試驗中,首先完成了鋁合金連接板材性試驗,以得到連接板的抗拉強度;其次完成了單個螺栓軸心受剪試驗,以得到單個螺栓抗剪強度。最后,根據(jù)前兩組試驗的結(jié)果,考慮上述兩個參數(shù),加工制作出螺栓群軸心受剪試件12件,如圖4所示。各試件的接頭長度L分別為100mm、200mm、300mm和400mm,相當(dāng)于17d～67d或15d0～62d0;每種接頭長度的試件又分三種寬度,以得到不同的比值。更詳細(xì)的試件尺寸參見文獻。圖5為其中L=300mm的3個試件試驗前的照片。1.4端部螺栓試驗力對以上12個試件靜力加載直至破壞,試件破壞有2種類型。第1種破壞是芯板在2-2截面處被拉斷:試件QJ6-1、QJ6-2、QJ11-1、QJ16-1的破壞屬于這種類型。第2種破壞是螺栓剪切破壞:其中較短的試件QJ6-3的6個螺栓同時被剪斷;其余7個試件在加載過程中,2-2截面處的端部螺栓首先被剪斷,隨后實驗機表盤讀數(shù)略有下降,然后試驗力又繼續(xù)上升,直至全部螺栓剪斷。試驗過程中,雖然在端部螺栓剪斷后實驗機可繼續(xù)加載,但此后加載的幅度并不大,很快就引起全部螺栓被剪斷。因此,應(yīng)當(dāng)把端部螺栓剪斷時的試驗力作為試件的破壞極限荷載Fu。用Fu除以螺栓桿總受剪面積As,可得端部螺栓剪斷時所有螺栓的平均抗剪強度,將該值除以前面預(yù)備試驗得到的單個螺栓抗剪強度,可得雙蓋板長連接的承載力折減系數(shù)β。表1中列出由試驗結(jié)果得到的承載力折減系數(shù)β值,其中An/As為各試件的實測值。表中同時列出按GB50017及EC3公式計算得到的β值,以作對比。根據(jù)表1中數(shù)據(jù),可繪出承載力折減系數(shù)β同接頭長度L的關(guān)系曲線,如圖6所示。1.5連接板及螺栓的安裝由鋁合金雙蓋板栓接節(jié)點的試驗現(xiàn)象和試驗結(jié)果分析可得以下結(jié)論:(1)鋁合金雙蓋板軸心受剪螺栓群節(jié)點的接頭長度L越大,連接板凈截面面積與栓桿總受剪面積的比值A(chǔ)n/As越小,承載力折減系數(shù)β越小。(2)對于采用6061-T6鋁合金連接板和4.8級鋼螺栓的特定“板/螺栓”組合,試驗得到的β值高于GB50017和EC3計算得出的β值。(3)通過本文試驗研究,可證明歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范EC3和我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017的承載力折減系數(shù)公式(10)、(11)式應(yīng)用在鋁合金結(jié)構(gòu)中是安全的。鋁合金軸心受剪螺栓群的承載力折減系數(shù)公式,可參考這兩個規(guī)范公式來制定。2軸的雙t形節(jié)點2.1創(chuàng)新鋼節(jié)點有限元分析對于鋼結(jié)構(gòu)受拉螺栓群節(jié)點,我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范采用了適當(dāng)降低螺栓抗拉強度設(shè)計值,對撬力不作計算的方法。在鋁合金受拉螺栓群節(jié)點中,由于鋁材料較低的彈性模量,有可能使撬力現(xiàn)象更加顯著,在計算中如不考慮撬力,所設(shè)計的節(jié)點可能是不安全的。對撬力現(xiàn)象的研究,現(xiàn)有文獻均把最簡單也最典型的雙T形構(gòu)件軸心受拉螺栓節(jié)點作為研究對象,研究方法以數(shù)值模擬分析為主,并完成了少量的鋼節(jié)點試驗。歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(EC3)在附錄J給出了等效雙T形節(jié)點的承載力計算公式,但能否適用于鋁合金結(jié)構(gòu),需要作進一步的研究。鑒于在受拉螺栓群節(jié)點中撬力分析的重要性,本文對鋁合金雙T形軸心受拉螺栓群節(jié)點進行了系統(tǒng)的理論分析和試驗研究,并通過數(shù)值模擬來對試驗結(jié)果進行補充,為本次規(guī)范制定提供依據(jù)。2.2節(jié)點極限承載力對如圖7(a)所示的由4個螺栓連接的等效雙T形軸心受拉螺栓鋼節(jié)點,在軸心拉力P的作用下,隨T形構(gòu)件翼緣板抗彎剛度和螺栓桿軸向抗拉剛度比值的不同,可能會發(fā)生3種不同的破壞模式,分別如圖7(b)～(d)所示。圖中黑色圓點代表翼緣出現(xiàn)塑性鉸的位置;∑Nbt為全部螺栓抗拉承載力的總和,Mp為翼緣板的塑性抵抗彎矩。各破壞模式下雙T形構(gòu)件的節(jié)點極限承載力可分別按以下方法計算。破壞模式Ⅰ:T形構(gòu)件在螺栓孔洞處及翼緣與腹板連接處出現(xiàn)塑性鉸,螺栓尚未達(dá)到其抗拉承載力。根據(jù)圖7(b)所示翼緣彎矩圖,可列平衡方程為:由(12)式可得該模式下節(jié)點極限承載力為:破壞模式Ⅱ:T形構(gòu)件在翼緣與腹板連接處出現(xiàn)塑性鉸,同時螺栓被拉斷。根據(jù)圖7(c)所示翼緣彎矩圖,可列平衡方程為:由(14)式可得該模式下節(jié)點的極限承載力為:破壞模式Ⅲ:螺栓被拉斷。根據(jù)圖7(d)所示翼緣彎矩圖,可列平衡方程得出該模式下節(jié)點的極限承載力為:雙T形節(jié)點的極限承載力應(yīng)取按(13)、(15)和(16)各式計算得到的最小值。顯然,當(dāng)翼緣板較薄而螺栓直徑較大時,出現(xiàn)破壞模式Ⅰ的可能性較大,此時撬力Q也較大;當(dāng)翼緣板較厚而螺栓直徑較小時,出現(xiàn)破壞模式Ⅲ的可能性較大,此時撬力為零。更一般的情形為破壞模式Ⅱ,撬力介于Ⅰ、Ⅲ兩種模式之間。歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范提出的上述計算模型簡單實用,在設(shè)計中易于實現(xiàn)。不僅能夠計算雙T形節(jié)點的極限承載力,當(dāng)與單T形構(gòu)件連接的板剛度較大時,也可參考以上公式采用。因此該方法適用范圍較廣。2.3雙t形軸系受拉螺栓群試件的研制試驗所采用的鋁合金T形構(gòu)件材料為6061-T6合金,螺栓為4.8級鍍鋅鋼螺栓。在預(yù)備試驗中,首先完成了鋁合金T形構(gòu)件材性試驗和單個螺栓軸心抗拉試驗,以得到T形構(gòu)件材料的名義屈服強度和單個螺栓抗拉強度,從而能按照EC3公式計算T形構(gòu)件翼緣板的塑性抵抗彎矩以及單個螺栓的抗拉承載力,進而可計算出節(jié)點的極限承載力以同試驗結(jié)果和數(shù)值模擬相對比。最后,采用2種規(guī)格的T形構(gòu)件,考慮不同的栓孔位置,加工制作出雙T形軸心受拉螺栓群試件。試件如圖8所示,其中翼緣板較厚的DTA試件共9件;翼緣板較薄的DTB試件共8件。所有螺栓均不考慮施加預(yù)拉力的影響,螺栓擰緊到螺栓頭、螺母與墊圈及板件接觸后即不再過度擰緊。圖8中A、B兩點為試驗過程中量測位移的引伸儀觸點安放位置。2.4各計算極限承載力的對比對以上17個試件進行單向拉伸試驗,可得各試件荷載-位移全過程曲線,詳見文獻。各試件的試驗極限承載力列于表2,表中同時列出按EC3公式得到的計算極限承載力,以供對比分析。由表2數(shù)據(jù)可見,各試件極限承載力的試驗值同計算值非常吻合。9個DTA試件的計算值與試驗值的平均誤差僅為4%;8個DTB試件中,計算值同試驗值的比值,最低為0.78,最高為0.93,計算值平均約為試驗值的84%。這表明按照EC3的計算方法求得的節(jié)點極限承載力是精確且安全的。2.5u2004有限元模型建立為明確節(jié)點在加載過程中塑性區(qū)出現(xiàn)的順序和范圍,判斷節(jié)點的破壞模式,本文還按照試件的實際尺寸和材料性能對其進行了大量數(shù)值模擬分析。對雙T形節(jié)點進行數(shù)值分析時不僅要考慮幾何非線性和材料非線性,還必須準(zhǔn)確模擬出兩個T形構(gòu)件之間、T形構(gòu)件與螺栓之間的接觸與摩擦,即還需要考慮節(jié)點的狀態(tài)非線性。T形構(gòu)件和螺栓均采用3維空間實體單元建立有限元模型。由于節(jié)點關(guān)于翼緣板下表面、腹板中面和翼緣寬度方向的中間面等3個平面都存在對稱性,因此建模時僅需考慮節(jié)點的1/8。在模型中通過建立接觸對來考慮兩個T形構(gòu)件之間以及螺栓頭與T形構(gòu)件之間的接觸與摩擦現(xiàn)象。為簡化模型,建模時不考慮墊圈,也不考慮螺母滑移、螺紋失效的現(xiàn)象;此外,螺栓桿用圓柱體模擬,截面直徑采用栓桿的有效直徑。圖9所示為其中兩個試件及螺栓的有限元網(wǎng)格剖分模型。在數(shù)值分析中,所輸入的T形構(gòu)件和螺栓材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均根據(jù)本次預(yù)備試驗所得數(shù)據(jù)采用。根據(jù)前述EC3公式計算,所有的9個DTA試件將發(fā)生第Ⅱ種破壞模式,所有的8個DTB試件將發(fā)生第Ⅰ種破壞模式。下面將其中2個具有代表性的試件在試驗過程中接近破壞的極限變形實拍照片與數(shù)值模擬計算得到Von-Mises應(yīng)力云圖一起繪出。圖10所示為試件DTA-9-20,圖11所示為試件DTB-9-24。在數(shù)值模擬得到的應(yīng)力圖中,a區(qū)域代表材料仍在彈性階段,b區(qū)域代表材料應(yīng)力已超過比例極限,c區(qū)域代表在該范圍內(nèi)材料已進入塑性階段。由試件的變形圖及數(shù)值模擬結(jié)果可見,EC3公式計算預(yù)測的節(jié)點破壞模式也是非常準(zhǔn)確的。2.6試驗分析和數(shù)值驗證由鋁合金雙T形軸心受拉螺栓群節(jié)點的試驗及數(shù)值模擬結(jié)果可得以下結(jié)論:(1)在本文試驗的極端情況下,撬力的不利影響最高可對節(jié)點承載力產(chǎn)生65%的折減。顯然,設(shè)計中如不考慮撬力,在某些情況下將很不安全。(2)通過本文試驗分析