高强度螺栓连接中钢板孔壁承压强度试验研究

张志远　纪洪广

(北京科技大学, 北京　100083)

摘　要：随着高强钢的研发、生产和工程应用，对高强钢及其连接性能的研究十分迫切。本次试验包括高强钢(Q550—Q690)以及普通强度钢(Q160LY、Q235—Q460)，针对采用高强度螺栓连接时的受力性能进行较为系统的试验。通过螺栓预拉力对连接承载力的影响试验，表明预拉力对高强钢孔壁承压强度提高的作用较小；通过光滑连接面试验，得出更为符合真实连接状态的试验数据；通过试验数据统计分析和连接板承压强度有限元模拟计算，得出钢板承压强度计算公式，且发现高强钢与钢板抗拉强度相比具有较高的承压强度，提出了高强钢孔壁承压强度设计建议值。

关键词：高强度钢； 承压强度； 预拉力； 光滑连接面

EXPERIMENTAL STUDY ON THE BEARING STRENGTH OF HOLE WALL OF HIGH-STRENGTH BOLT CONNECTIONSZhang Zhiyuan　Ji Hongguang

(University of Science & Technology, Beijing 100083, China)

ABSTRACT：With the development of research, production and engineering application of high-strength steel，the research on high-strength steel and its connecting performance is very urgent.This experiment included high-strength steel(Q550—Q690) and normal strength steel (Q235—Q460, Q160LY),the stress performance of high-strength bolt connection was systematically tested.The influence of pre-tension on the connecting bearing capacity of the bolt was tested, which showed that the influence of pre-tension on the bearing strength improvement of high-strength steel hole walls was small.Through the smooth connection surface, the test data were more consistent with the real connection state.The calculation formula of the bearing strength of the steel plate was obtained by statistical analysis of experimental data and the finite element simulation of the bearing strength of the connecting plate.The results showed that the strength of high-strength steel (compared with the tensile strength of the steel plate) was higher, and the design value of the pressure strength of the high-strength steel was proposed.

KEY WORDS：high-strength steel; bearing strength; pre-tension； smooth connection surface

第一作者： 张志远,男，1990年出生，硕士研究生。

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1　概　述

由于高强度结构钢材的化学成分和基本力学性能与普通钢材相比有所不同，因此高强度钢材钢结构的受力性能呈现出不同特征[1]。虽然包括我国在内的多个国家和地区已经制定了高强度钢材材料标准，但尚没有形成完善的设计和计算方法，这导致高强度钢材钢结构在应用时受到极大限制。目前对高强度钢材高强螺栓承压性能研究还很少，我国现行GB 50017—2003《钢结构设计规范》中对承压型高强度螺栓只对低强度钢材(Q235—Q460)做出规定，因此有必要通过试验对高强钢及其影响因素进行进一步的研究。

2　试件设计

本次试验对高强度钢材连接节点受力性能进行系统的试验研究，对普通强度钢材连接节点受力性能也进行了符合性研究。试验试件40套，试验用钢板覆盖了低屈服强度钢、碳素结构钢、低合金高强度结构钢等。试验采用10.9级M20高强度螺栓，螺栓孔孔径d0=22 mm，连接芯板的端距有22，33，44，55，66，77 mm 6种，钢材牌号分别是Q160LY、Q235、Q345、Q460、Q550、Q690，试验采用更换不同牌号钢材和端距芯板方式进行承压性能测试，试板具体尺寸见图1。

a—侧视;b—俯视。
图1　钢板承压强度试件装配示意

3　影响高强螺栓承压性能的因素分析

3.1　螺栓的预拉力对承压性能的影响

高强度螺栓的承压连接方式与摩擦连接一样，给螺栓施加预拉力，探究由预拉力产生的摩擦阻力对最终承载力的影响。分别设定140 kN和0 kN两种预压力进行试验对比，但由于实际操作中要固定试件，所以预压力设定0 kN的试验组实际预拉力为30～40 kN，试验记录并分析了不同端距下不同牌号钢材受预拉力影响的情况，如表1所示。

表1　预拉力对承载力影响

钢材编号预拉力情况极限承载力/kN影响程度/%160-33-1有13817.9160-33-2无117235-33-1有17514.5235-33-2无152345-33-1有20714.4345-33-2无177460-33-1有24711.7460-33-2无221550-33-1有2925.8550-33-2无276550-44-1有3427.0550-44-2无317690-33-1有3217.1690-33-2无300690-44-1有3826.1690-44-2无360

通过观察比较不同种强度等级螺栓在有、无预拉力条件下数据和图示中可以发现，螺栓预拉力确实能够提高钢板孔壁承压强度，但对于较低强度钢材提高程度较明显，可达10%左右[2]，而对于高强钢方面，提高的程度则变小，大多已达不到10%，这是由于随着钢材强度的提高，极限状态平面应力也会提高，相同条件下预拉力则会释放得更多，自然会减少对钢材极限承载力的提高程度。

对于实际高强螺栓承压连接中，由摩擦连接向承压连接过渡时，因板受到螺栓压力而发生弹塑性变形，由于高强螺栓有很大的拧紧力，在板厚方向有很强的约束，在承压处形成三向应力状态[3]，所以螺栓在节点处的受力状态相对复杂，而对于高强钢来说，预拉力对承压强度也影响不大，所以可将预拉力的施加作为安全因素来考虑而不考虑其具体提高程度。

3.2　预拉力的变化情况

在摩擦连接中螺栓预拉力越大、其承载能力就越大，接头的效率也越高。但由上节试验数据结果可看出预拉力对承压性能影响不大，为研究预拉力在高强螺栓承压连接时的具体变化，试验通过在螺栓一端添加传感器并根据拉力的增加观察并记录了预拉力的变化情况。

通过计算Q160LY、Q235、Q460和Q550、Q690各钢材在有、无预拉力情况下的极限承载力，可以发现：Q160LY、Q235、Q460和Q550、Q690这5种不同等级的钢材，在试板发生破坏时，预拉力分别比最初时衰减了15%、12.4%、21.7%、25.5%、30.1%，通过承压强度数据可看出，螺栓预拉力确实可以提高钢板孔壁承压强度，但相较于低强钢，预拉力对高强钢孔壁承压强度提高程度减小。分析预拉力随荷载损失情况对比，发现如下规律：随着钢材强度增加，预拉力损失增加，对孔壁承压强度提高程度减小。此现象可做如下解释：由于高强钢强度增加，极限状态时平面应力会提高；又由于泊松效应，相应的连接板会变得更薄，螺栓的预拉力会释放更多，由此产生对承压强度的影响会更小[2]；另外，本次试验是在螺栓拧紧后即刻进行操作，而在实际工程中，拧紧后的螺栓预拉力还会随着时间发生一定损失，所以对于高强钢可将预拉力施加作为安全因素考虑，不应考虑其对承压强度的提高。

3.3　表面处理方式对承压性能的影响

由于结构在使用期间荷载变化，使连接面反复磨损而造成表面的光滑，本研究就接触面的状态对承压连接的荷载-变形关系影响加以论述。本试验采取在芯板上、下表面及盖板与芯板接触的表面均匀涂抹石墨方式进行试验。试验选取2组试件，并施加140 kN的预拉力，将试验结束后的试板进行观察并记录荷载-变形曲线，如图2所示，预拉力变化如图3所示。

图2　两种处理方式下荷载-变形曲线对比

图3　两种处理方式下预拉力变化对比

可通过试验结果将拆卸后的试板进行对比，经石墨处理的试板在试验完毕后涂有石墨的位置，石墨有一定的脱落但没有出现光泽的部分，相对没有涂石墨的试板来说孔部变化也没有太大差别；再观察荷载-位移曲线，总体上，表面不做处理的试板承压强度都会略高于经石墨处理的试板(提高5%～10%)，如表2所示。将记录的预拉力随荷载变化数据绘于图3，可看出，经石墨处理的预拉力在荷载增加时下降更多，可能是导致承载力下降的原因，可以认为，光滑接触面下的钢板承压性能会降低。工程结构实际服役过程中，在钢板承压破坏前经受多次反复承压，连接已经光滑，因此接触面按光滑后考虑是安全稳妥的。

表2　石墨组与普通对照组的试验数值对比

试件编号端距/mm极限承载力/kN345-44-3(对照)44257345-44-4(石墨)44241460-33-2(对照)33257460-33-4(石墨)33231

4　高强度钢材孔壁承压强度

我国现行GB 50017—2003 《钢结构设计规范》(以下简称“规范”)中规定了Q235—Q460几种钢材孔壁承压强度设计值，其承压强度可通过fc=1.26fu(fu为钢材抗拉强度)得出，但现有规范尚未给出高强钢(Q460—Q690)孔壁承压强度设计值，因此需要通过此次试验结果和参数分析推导出孔壁承压强度和钢材强度关系。为得到更准确的统计结果，本次研究还进行了有限元模拟分析，模型单元划分采用20结点的Solid 95实体单元，选取Prets 179预紧单元，板材及高强度螺栓均采用了双线性随动强化弹塑性材料模型，使用von Mises屈服准则和随动强化准则进行模拟验证[4]，将相同条件下有限元的结果与试验结果对比验证其合理性后，将此次试验值及部分有限元模拟结果随材料实际抗拉强度的变化的承压强度值绘于图4中，以规范规定最小端距L/d=2为基准(L为端距，d为螺栓直径)，取其端距及相近端距承压强度值进行统计，为保证设计值安全，承压强度统计时采取 fc=μf-1.645σf(μf为承压强度平均值, MPa; σf为其方差,MPa) 的方法进行折减来保证99.5%的合格率。

根据钢板实际抗拉强度与承压强度变化趋势统计(图4)，得出如下拟合方程。

钢板承压强度统计平均值:

fc1=0.000 6f2u + 1.04fu+219.77

(1)

钢板承压强度标准值:

fc2=0.000 74f2u+0.78fu+76.36

(2)

图4　钢板实际抗拉强度与承压强度变化趋势

通过统计规律可发现，承压强度随着钢材抗拉强度的增加呈二次曲线的变化趋势，也就是说高强度钢材(Q460—Q690)的孔壁承压强度确实有所提高。如表3所示，将统计函数得出的设计值与规范已有值进行比较，对于牌号为Q235和Q345钢材，得出的设计值与规范值一致，对于牌号为Q390、Q420、Q460钢材，得出设计值分别比规范值高5，15，15 MPa，通过与规范已有设计值比较可表明统计规律的正确性，也可表明随钢材强度的提高孔壁承压强度提高的程度会变大。现行规范并未对Q550、Q690钢材孔壁承压强度设计值进行规定，相对于规范在Q235—Q460时取用的fc=1.26fu，对于Q550、Q690分别达到了fc=1.36fu、fc=1.42fu。而在高强钢应用中，孔壁承压强度的增加有助于布置更多的螺栓，所以高强度钢孔壁承压强度的设计值可考虑其提高程度的增加。

表3　规范设计值与试验建议值对比　MPa

钢材牌号最小抗拉强度fu规范承压强度设计值fc本文承压强度设计值fc2计算值取值计算值取值Q160LY220277—280280Q235370466470467470Q345470592590596590Q390490617615624620Q420520655655671670Q460550693695717710Q550670(t≤40)844—915915620(40<><><><>

注：t为钢板厚度，mm。

5　结　论

1)分析螺栓预拉力对钢板承压性能的影响，预拉力对强度较低钢材(Q235—Q460)提高强度可达10%，但对高强度钢材(Q550—Q690)提高不足10%。由于高强钢强度增加，极限状态时释放的预拉力也会更多，在实际应用中，螺栓预拉力会随时间而损失，所以在高强钢应用中可将预拉力的施加作为安全因素来考虑，不考虑其对承压强度的提高。

2)在钢板承压性能试验方面，由于结构在使用

期间荷载变化，使连接面反复磨损造成表面的光滑，本文研究了接触面的状态与承压性能的关系，试验证明表面光滑(涂石墨)的试板承压强度相对于正常的试板有5%～10%的降低。

3)在螺栓连接孔壁承压试验中，低强钢(Q235—Q460)，应继续沿用我国GB 50017—2003中规定的螺栓承压强度设计值fc=1.26fu，而对于高强钢，诸如Q550、Q690的螺栓承压强度分别达到了fc=1.36fu、fc=1.42fu。由于在高强钢应用中孔壁承压强度的增加有助于布置更多的螺栓，所以高强度钢孔壁承压强度的设计值可考虑其提高程度的增加。

参考文献

[1]　侯兆新.承压型高强度螺栓连接的性能研究[J].工业建筑，1992, 22(9)：62-75.

[2]　石永久，班慧勇，施刚，等.高强度钢材钢结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]　王玉春，陈鸿德，史永吉，等.高强度螺栓接合[M].沈家骅，译.北京：中国铁道出版社，1984.

[4]　Zhang Ming, Jiang Yanyao.Finite Element Modeling of Self-loosening of Bolted Joints[J].Journal of Mechanical Design,2006,192(2):218-226.

[5]　潘斌,石永久,王元清.高强度螺栓抗剪连接性能进展[J].钢结构,2010(增刊)：382-398.

[6]　应付钊.承压型和摩擦型连接高强螺栓的应用探讨[J].钢结构，2013,28(3)：23-26.

收稿日期：2015-08-03

DOI:10.13206/j.gjg201512006