蔣首超， 葉中楠， 郭小農(nóng)

(1. 同濟(jì)大學(xué)，土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海 200092)

?

鋁合金構(gòu)件高強(qiáng)螺栓牙板連接性能試驗(yàn)

蔣首超1,2， 葉中楠1,2， 郭小農(nóng)1

(1. 同濟(jì)大學(xué)，土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海 200092)

主要對(duì)鋁合金構(gòu)件采用高強(qiáng)螺栓牙板連接進(jìn)行初步試探性的理論分析和試驗(yàn)研究.分析結(jié)果表明：連接承載力與螺栓預(yù)壓力、板件厚度、牙紋規(guī)格等因素有關(guān)，并初步得出了承載力的計(jì)算公式.進(jìn)行了4組鋁合金構(gòu)件高強(qiáng)螺栓牙板連接的抗剪承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：高強(qiáng)螺栓牙板連接具有變形小、承載力高等特點(diǎn)，而且較普通的摩擦型高強(qiáng)螺栓連接承載力有明顯提高，主要是因?yàn)椤把腊濉痹龃罅耸芰Ψ较虻目够葡禂?shù).

鋁合金； 高強(qiáng)螺栓牙板連接； 抗剪承載力試驗(yàn)

鋁合金自重輕、耐腐蝕、易回收，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用日益廣泛.鋁合金構(gòu)件的主要連接方式有焊接和螺栓連接，而焊接將導(dǎo)致鋁合金焊接熱影響區(qū)的材料強(qiáng)度下降到母材強(qiáng)度的60%以下，因此工程中除特殊情況外大多都采用螺栓連接.螺栓連接對(duì)于安裝精度的要求較高，而且一般摩擦型高強(qiáng)螺栓連接的承載力對(duì)被連接構(gòu)件表面的粗糙度要求較高，當(dāng)構(gòu)件表面摩擦系數(shù)的離散性較大時(shí)，螺栓的利用效率就受到了制約.高強(qiáng)螺栓牙板連接(圖1)作為一種創(chuàng)新型的連接技術(shù)，具有傳力可靠、承載力高、變形較小等優(yōu)點(diǎn)，可用于鋁合金結(jié)構(gòu)的連接.

圖1高強(qiáng)螺栓牙板連接示意圖

Fig.1High strength bolted zigzag-plate connections

高強(qiáng)螺栓牙板連接是在傳統(tǒng)高強(qiáng)螺栓連接的基礎(chǔ)上，將連接件與被連接件的接觸面改進(jìn)為牙紋形，即“牙板”.由于其工作時(shí)螺栓不受剪，因此其螺栓孔可設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔，使安裝精度的要求大大降低；此外，其承載力將由于牙板的齒間預(yù)壓力和齒間咬合摩擦力而大大提高.

1　理論分析

1.1傳力機(jī)理

高強(qiáng)螺栓牙板連接的受力原理與摩擦型高強(qiáng)螺栓連接類似，都是通過旋緊螺栓使螺桿產(chǎn)生預(yù)壓力壓緊構(gòu)件接觸面，靠接觸面的摩擦力來阻止其相互滑移，以達(dá)到傳遞外力的目的.如圖2所示，在預(yù)壓荷載N作用下，A、B和C三塊板件得以緊密接觸，令板件的摩擦面間擁有抗滑移強(qiáng)度，從而可以抵抗外荷載T.外荷載T通過牙板，一部分靠與接觸齒面平行的摩擦力f′傳遞，一部分靠與接觸齒面垂直的壓力N′傳遞，最終全部傳遞至板件A和B.

圖2高強(qiáng)螺栓牙板連接受力簡(jiǎn)圖

Fig.2Forces in HSBZP Connections

圖2僅將螺栓的作用簡(jiǎn)化為一個(gè)大小為N的預(yù)壓力；事實(shí)上，除提供預(yù)壓力外，螺栓還相當(dāng)于一個(gè)置于板件A和B外表面的彈性約束，以致預(yù)壓力的值將隨連接的變形而改變.當(dāng)連接處于摩擦失效的臨界狀態(tài)時(shí)，并不會(huì)立即失效，因?yàn)槁菟ū旧淼膭偠葘⑾拗瓢寮g的滑移，此后，荷載T的增量將繼續(xù)傳至板件A和B，而隨之增大的N′最終將傳至螺栓使螺栓受到的拉力進(jìn)一步增大.

1.2破環(huán)形式

根據(jù)受力機(jī)理，高強(qiáng)螺栓牙板連接可能發(fā)生以下幾種破壞形式：①齒間滑移破壞(圖3a)、②凈截面強(qiáng)度破壞(圖3b)、③螺栓受拉破壞(圖3c)、④牙紋承壓破壞和⑤牙紋受剪破壞.

a 齒間滑移破壞

b 凈截面強(qiáng)度破壞

c 螺栓受拉破壞

圖3破壞形式示意圖

Fig.3Failure mode configurations

當(dāng)牙紋深度較大且剛度較大或螺栓分布不合理時(shí)，在齒間滑移發(fā)生到一定程度后可能會(huì)由于連接的過度變形而使螺栓被拉斷；當(dāng)牙紋數(shù)量較少且咬合并不充分密實(shí)時(shí)，可能只有部分牙紋在受力，此時(shí)將發(fā)生牙紋承壓破壞；當(dāng)牙紋數(shù)量較少、牙紋角度較大且咬合并不充分密實(shí)時(shí)，板件可能出現(xiàn)牙紋受剪破壞.

所以，當(dāng)牙紋深淺適中、牙紋數(shù)量和牙紋角度合適且螺栓排布得當(dāng)時(shí)，后三種破壞形式不會(huì)發(fā)生.因此，可以通過構(gòu)造要求來限制牙板的幾何參數(shù)和螺栓的排列間距及預(yù)壓力大小，以此來排除后三種破壞發(fā)生的可能性；即：設(shè)計(jì)時(shí)只需對(duì)前兩種破壞形式的承載力進(jìn)行計(jì)算即可.

1.3構(gòu)造要求

由于鋁合金結(jié)構(gòu)與鋼直接接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生接觸腐蝕.因此，鋼螺栓需進(jìn)行電鍍鋅或浸鍍鋅等表面處理，以確保不發(fā)生腐蝕.另外，當(dāng)高強(qiáng)螺栓的抗拉強(qiáng)度超過鋁合金構(gòu)件抗拉強(qiáng)度的3倍時(shí)，需采用較大直徑的硬質(zhì)墊圈，以確保螺栓預(yù)緊力可以較為均勻地傳遞至構(gòu)件.更重要地，為了防止連接出現(xiàn)螺栓受拉破壞、牙紋承壓破壞和牙紋受剪破壞，需要對(duì)螺栓的容許間距、預(yù)拉力大小和牙板的幾何尺寸進(jìn)行相關(guān)限制：從受力性能來看，若牙紋角度太小或深度太淺，則牙紋的齒間咬合作用就不太明顯，若牙紋角度太大或深度太大，則牙板的凈截面強(qiáng)度無(wú)法得到保證；從施工便利性來看，牙紋整體尺寸過大會(huì)使得安裝調(diào)整幅度變大.所以，適當(dāng)?shù)难兰y角度和牙紋深度對(duì)于整個(gè)連接而言是不可或缺的.

對(duì)于螺栓的容許間距和預(yù)拉力大小，可參照摩擦型高強(qiáng)螺栓連接中的相關(guān)規(guī)定[1-2].對(duì)于牙板，主要限制其牙紋角度和牙紋深度，本文初步選定其限值見表1.

表1　牙板各參數(shù)的最大、最小限值

注：h為被連接板件中較薄板件的厚度.

1.4承載力計(jì)算

滿足了適當(dāng)?shù)臉?gòu)造要求后，設(shè)計(jì)時(shí)只需對(duì)前兩種的破壞形式的承載力進(jìn)行計(jì)算即可.

1.4.1抗滑移承載力

取其臨界狀態(tài)受力簡(jiǎn)圖如圖4所示.當(dāng)連接處于滑移破壞臨界狀態(tài)時(shí)，螺栓對(duì)板件的壓力為N，板件所受拉力為T，各板件之間將發(fā)生沿齒面的滑移，牙紋角度為α，材料本身的抗滑移系數(shù)為μ′.

根據(jù)投影定理，可求得：

(1)

根據(jù)靜力摩擦公式，當(dāng)T=μ′N′時(shí)，發(fā)生滑移破壞，對(duì)應(yīng)的滑移臨界荷載為

(2)

圖4滑移破壞臨界狀態(tài)下的受力簡(jiǎn)圖

Fig.4Forces in connections of plate shear dislocation

事實(shí)上，發(fā)生齒間滑移破壞時(shí)，牙紋的角度α及螺栓對(duì)板件的壓力N都將由于受力而發(fā)生改變：牙紋的角度α將隨著荷載增加逐漸變小，螺栓對(duì)板件的壓力N將隨著荷載增大到某一定值后逐漸隨荷載增大，而破壞時(shí)的壓力N與牙紋的深度z有關(guān)，z越大，N越大.

偏于安全地可以取α=βα0，N=Np，其中，α0為初始牙紋角度，β為角度變形系數(shù)，Np為螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力.β與材料的彈性模量E、螺栓預(yù)緊力Np等因素都有關(guān)；其值越小，臨界荷載T也將越??；但若牙紋變形超過一定范圍，則連接可判定為發(fā)生了牙紋承壓破壞或牙紋剪切破壞.對(duì)于鋁合金構(gòu)件，可以定性地取β=0.95，此處考慮5%的角度變形已經(jīng)足夠安全.

所以，對(duì)于齒間滑移破壞，其破壞時(shí)的承載力可偏于安全地按式(3)計(jì)算：

(3)

對(duì)于單面牙紋連接，其承載力可按式(4)計(jì)算：

(4)

對(duì)于雙面牙紋連接，其承載力可按式(5)計(jì)算：

(5)

式(3)—(5)中：T為連接破壞時(shí)的承載力；n為高強(qiáng)螺栓數(shù)量；nf為摩擦面數(shù)量，取2；μ′為材料本身的抗滑移系數(shù)；β為牙紋角度變形系數(shù)，可取為0.95；α0為初始牙紋角度；Np為高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力.

1.4.2構(gòu)件凈截面承載力

截面的削弱來源于牙紋凹陷與螺栓孔兩部分，兩處截面均可能發(fā)生凈截面強(qiáng)度破壞，如圖5所示.

I-I截面(首個(gè)牙紋凹陷處的截面)的承載力計(jì)算公式為

(6)

式中：T為連接破壞時(shí)的承載力；AI為I-I截面的截面積；fy為板件的抗拉強(qiáng)度.

圖5　削弱截面示意圖

除I-I截面外，II-II截面(第一排螺栓孔處的截面)也是危險(xiǎn)截面之一.但在這個(gè)截面上，連接所傳遞的軸荷載T已有一部分由孔前的牙板傳遞，所以凈截面上的荷載Tn

設(shè)連接的螺栓數(shù)為n，所計(jì)算截面(最外列螺栓處)上的螺栓數(shù)為n1，則構(gòu)件凈截面所受的力為

(7)

II-II截面的承載力計(jì)算公式為

(8)

式中：An為II-II截面的截面積；fy為板件的抗拉強(qiáng)度.n1為II-II截面上的高強(qiáng)螺栓數(shù)量；n為高強(qiáng)螺栓數(shù)量.

所以，截面削弱破壞時(shí)的臨界荷載為式(6)和(8)中較小的值，即：當(dāng)荷載T達(dá)到此較小值時(shí)，連接將發(fā)生凈截面強(qiáng)度破壞.

2　試驗(yàn)研究

本文通過4組試驗(yàn)來探究鋁合金構(gòu)件高強(qiáng)螺栓牙板連接在給定參數(shù)下的承載性能.所謂的給定參數(shù)包括牙紋深度z，牙紋角度α，開牙范圍lz，開牙面數(shù)量n，抗滑移系數(shù)μ和高強(qiáng)螺栓預(yù)壓力P等.本試驗(yàn)取兩種參數(shù)組合，每種參數(shù)進(jìn)行兩組試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見表2.牙板參數(shù)示意如圖6所示.高強(qiáng)螺栓牙板連接如圖7所示.

2.1試件設(shè)計(jì)

4組試件分別命名為GYL1-1、GYL1-2、GYL2-1和GLY2-2，表3給出了所有試件的具體信息.表中，10.9 SM16×50表示高強(qiáng)度螺栓性能等級(jí)為10.9S，螺栓公稱直徑16 mm，螺桿長(zhǎng)度為50 mm.l,b,h分別為板的長(zhǎng)度、寬度和厚度.

圖6　牙板參數(shù)示意圖

組合編號(hào)GYL1GYL2牙紋深度z/mm1.51牙紋角度α/(°)4545開牙范圍lz/mm7575開牙面數(shù)量n1(單面)2(雙面)抗滑移系數(shù)μ0.150.15高強(qiáng)螺栓預(yù)壓力P/kN8686

a單面b雙面

圖7高強(qiáng)螺栓牙板連接示意圖

Fig.7High strength bolted zigzag-plate connections

每組試件由兩塊被連接板和兩塊連接板經(jīng)兩個(gè)高強(qiáng)螺栓連接而成，如圖8所示.高強(qiáng)螺栓采用10.9S級(jí)別M16×50大六角頭高強(qiáng)螺栓，擬施加86 kN預(yù)緊力，安裝時(shí)分兩次用扭矩扳手?jǐn)Q緊.初擰扭矩值135 N·m，終擰扭矩值275 N·m.

表3　試件尺寸一覽表

圖8　試件組裝示意圖

2.2測(cè)點(diǎn)布置

每組試件布置12個(gè)應(yīng)變片(S1～S12).S1～S2 (S3～S4)用于測(cè)量上(下)部被連接板件在施力處的應(yīng)力情況；S5～S8(S9～S12)用于測(cè)量前(后)蓋板在螺栓孔附近的應(yīng)力情況；各測(cè)點(diǎn)具體位置如圖9所示.對(duì)于單面牙紋連接，S5～S8所在蓋板為平板.

圖9測(cè)點(diǎn)布置示意圖

Fig.9Measuring point arrangement of specimens

2.3材性試驗(yàn)

根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》GB/T 228.1—2010的相關(guān)要求[3]，本試驗(yàn)制作了三根材性試件，試驗(yàn)前后圖片如圖10所示，圖中，a,b,c為試件編號(hào).試驗(yàn)結(jié)果匯總見表4[4-5].

圖10　試驗(yàn)前后的拉伸試樣

注：后文理論承載力均以平均值為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算.

2.4承載力估算

按照式(4)—(5)和式(7)—(8)，代入試件的幾何尺寸及材性試驗(yàn)結(jié)果，算得各試件理論承載力見表5.

表5　承載力估算結(jié)果

注：承壓型承載力和摩擦型承載力僅供對(duì)比參考，連接的理論承載力取抗滑移承載力和凈截面承載力的較小值.

2.5加載方案

本試驗(yàn)采用100 t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單調(diào)加載：加載初期控制應(yīng)力增長(zhǎng)速率為6 MPa·s-1，接近破壞時(shí)控制位移速率為0.5 mm·min-1.若試件出現(xiàn)滑移破壞，則繼續(xù)加載至螺栓受剪破壞或板件孔壁承壓破壞；若試件出現(xiàn)其他破壞形式，則結(jié)束試驗(yàn).

3　試驗(yàn)結(jié)果

GYL1-1、GYL1-2的試驗(yàn)參數(shù)完全相同，同為牙紋深度為1.5 mm的單面牙板連接.GYL1-1在超出理論強(qiáng)度大約30%后于下部連接處發(fā)生滑移破壞，之后試件還可繼續(xù)承載，但承載力降低至100 kN左右；GYL1-2在超出理論強(qiáng)度大約15%后于下部連接處發(fā)生滑移破壞，之后試件還可繼續(xù)承載，但承載力降低至100 kN左右.失效形式如圖11a和圖11b所示.

GYL2-1、GYL2-2的試驗(yàn)參數(shù)完全相同，同為牙紋深度為1 mm的雙面牙板連接.GYL2-1在超出理論強(qiáng)度大約10%后于下部連接處發(fā)生滑移破壞，之后試件還可繼續(xù)承載，但承載力降低至50～100 kN之間；GYL2-2在超出理論強(qiáng)度大約15%后于下部連接處發(fā)現(xiàn)被連接板于薄弱界面處受拉破壞.這兩組試驗(yàn)理論上應(yīng)發(fā)生相同的失效形式，但是由于其抗滑移承載力和凈截面承載力相近(由估算結(jié)果可知)，因此兩種破壞形式出現(xiàn)的隨機(jī)性較大.失效形式如圖11c和圖11d所示.

aGYL1-1bGYL1-2cGYL2-1dGYL2-2

圖11各種破壞形式

Fig.11Failure modes

各組試驗(yàn)承載力與失效形式匯總見表6.

表6　各組試驗(yàn)承載力與失效形式

4　數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)采集裝置，本試驗(yàn)可得到一系列荷載、應(yīng)變以及支座位移的數(shù)據(jù).將應(yīng)變片S1和S2所在斷面定義為截面I-I，將S5、S6、S9和S10所在斷面定義為截面II-II，將S7、S8、S11和S12所在斷面定義為截面III-III，將S3和S4所在斷面定義為截面IV-IV，如圖9所示.

圖12描述了GYL2-1兩塊被連接板I-I和IV-IV截面上測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變關(guān)系.不難看出，隨著荷載增大，兩側(cè)測(cè)點(diǎn)均受拉，且應(yīng)變也不斷增大.S1與S2同為上側(cè)被連接板的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，S3與S4同為下側(cè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn).理論上，若被連接板件尺寸標(biāo)準(zhǔn)、安裝在試驗(yàn)機(jī)上時(shí)是完全對(duì)中且連接處受力均勻，此4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變應(yīng)該等于理論值.而圖12所示曲線有所偏離理論值，這可能是以下三部分原因?qū)е拢孩侔寮穸炔痪鶆驅(qū)е聤A頭夾持力不均勻，使得拉力不是均勻分布在板件寬度方向；②牙板連接的咬合度以及預(yù)緊力沿板件寬度方向分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致傳力不均勻；③安裝時(shí)試件沒有完全對(duì)中.

圖12　GYL2-1荷載-應(yīng)變曲線(S1～S4)

圖13描述了GYL2-1在II-II截面上4個(gè)測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變關(guān)系.圖中理論值指的是：假定在此截面荷載已充分傳至連接板上時(shí)，連接板上應(yīng)有的應(yīng)變.從圖中可以看到，同一塊板上的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，其曲線一條低于理論值，一條高于理論值，這應(yīng)該和之前提及的受力不均勻有關(guān).但就其總體情況而言，此時(shí)連接板已開始和被連接板一同受力，說明牙板確實(shí)可以將荷載由被連接板傳遞至連接板.

圖13　GYL2-1荷載應(yīng)變曲線(II-II截面)

圖14描述了GYL1-1在II-II截面上測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變關(guān)系.對(duì)于本組單面牙板連接試驗(yàn)，一側(cè)為帶有牙紋的牙板(S9與S10)，一側(cè)為平板(S5與S6).由圖可見，平板上測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變一直隨荷載增加而增加，牙板上測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變先是隨荷載增加而增加，到達(dá)一定值之后出現(xiàn)減小的趨勢(shì)并最終進(jìn)入受壓狀態(tài).

考察牙板的受力情況，其受力圖簡(jiǎn)化如圖15a所示.在荷載達(dá)到40 kN以前，可以認(rèn)為N′=T′，所以沒有彎矩產(chǎn)生，牙板與平板共同受力且分配到的荷載相當(dāng).但當(dāng)荷載超過40 kN以后，N′>T′，這將使板件產(chǎn)生相應(yīng)的彎矩，使板件上部受壓，下部受拉，此時(shí)板件在縱向進(jìn)入拉彎狀態(tài)，從而使相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值開始減小.隨荷載繼續(xù)增加，N′>T′的趨勢(shì)越發(fā)明顯，板件上部受壓的趨勢(shì)也將越發(fā)明顯；同時(shí)，N也將隨著N′的增大而增大，這使下部平板的預(yù)壓力增大而增大了其抗滑移承載力.

圖14　GYL1-1荷載應(yīng)變曲線(II-II截面)

a 牙板受力簡(jiǎn)圖

b 平板受力簡(jiǎn)圖

對(duì)于下部的平連接蓋板，其受力圖簡(jiǎn)化如圖15b所示.與牙板相對(duì)的，當(dāng)N′開始加速增長(zhǎng)時(shí)，平板也將出現(xiàn)受彎的趨勢(shì)，并且這個(gè)附加的彎矩將使得兩個(gè)螺栓孔之間的測(cè)點(diǎn)受拉，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率加快.

為了更好地解釋這種附加彎矩效應(yīng)，本文建立了與試驗(yàn)試件規(guī)格相同的ABAQUS模型，如圖16所示.考慮結(jié)構(gòu)及荷載的對(duì)稱性，取左半部分進(jìn)行建模，模型自上而下由5個(gè)構(gòu)件組成：墊圈、牙板、被連接板、平板、墊圈.分別定義各接觸面的切向性質(zhì)和法向性質(zhì)：法向“硬接觸”，認(rèn)為可以傳遞壓應(yīng)力而無(wú)法傳遞拉應(yīng)力；切向考慮抗滑移系數(shù)為0.2且與接觸面壓應(yīng)力成正比的摩擦力.預(yù)壓力視為施加在兩端墊圈表面的均布受壓荷載，連接受到的拉力視為施加在被連接板左側(cè)端部邊界的均布受拉荷載.加載過程采用力控制的分步加載.

圖17和圖18為通過模型計(jì)算得到的相同測(cè)點(diǎn)處的荷載-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)照曲線.從圖中可以看出，數(shù)值分析的結(jié)果與試驗(yàn)所得到的結(jié)果在受力趨勢(shì)上相當(dāng)一致.

圖16　ABAQUS計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

圖17　連接蓋板(牙板)荷載應(yīng)變曲線

圖18　連接蓋板(平板)荷載應(yīng)變曲線

對(duì)于III-III截面，4組試驗(yàn)的荷載-應(yīng)變曲線趨勢(shì)大致相同，圖19所示為GYL2-2的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù).在荷載達(dá)到150 kN之前，本截面基本不受力，之后隨著荷載繼續(xù)增大，截面開始受壓.對(duì)比之前的理論假定，假定荷載由牙板沿長(zhǎng)度方向漸漸開始傳遞，由于本截面靠近板件邊緣，其分擔(dān)到的荷載并不大，這是合理的；之后截面受壓是因?yàn)樵诎寮芎蓵r(shí)，被連接板與連接板間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這導(dǎo)致III-III截面附近的連接板有一種“被頂開”的趨勢(shì)，由于螺栓設(shè)置在III-III截面上方，無(wú)法在此處對(duì)這種趨勢(shì)很好地加以約束，導(dǎo)致連接板在此處呈現(xiàn)“端部翹起”的現(xiàn)象，進(jìn)而使牙板在此截面以下的咬合近乎失效；而由于“端部翹起”效應(yīng)，這些失效的牙紋應(yīng)承受荷載就由螺栓孔附近的牙紋代替它們受載，代替受載范圍可能是以螺栓為中心的環(huán)形區(qū)域.從進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生壓應(yīng)變.由于4組試驗(yàn)在這4個(gè)測(cè)點(diǎn)上的結(jié)果較為一致，可以認(rèn)為：排列螺栓時(shí)，限制最外側(cè)螺栓孔至構(gòu)件邊緣的最大距離是非常有必要的，否則，將導(dǎo)致邊緣區(qū)域的無(wú)效咬合以及無(wú)效摩擦.

將同一個(gè)截面上所有對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值的平均值取為該截面的平均應(yīng)變，GYL2-1試件中各截面的荷載-均值應(yīng)變曲線整理如圖20所示.可見，I-I、IV-IV截面上的荷載由被連接板件獨(dú)自承擔(dān)；進(jìn)入連接區(qū)域后，未到達(dá)螺栓孔截面的III-III截面并沒有和被連接板件共同承載，但到達(dá)II-II截面時(shí)，荷載已充分傳遞至連接板.

圖19　GYL2-2荷載應(yīng)變曲線(III-III截面)

圖20　GYL2-1各截面荷載應(yīng)變曲線

5　結(jié)論

本文針對(duì)鋁合金構(gòu)件高強(qiáng)螺栓牙板連接進(jìn)行了4組試驗(yàn)，結(jié)合理論分析，可得出以下結(jié)論：

(1)高強(qiáng)螺栓牙板連接確能有效應(yīng)用于鋁合金結(jié)構(gòu)，在相同的表面處理以及相同的螺栓設(shè)置和排列下，其抗滑移承載力較摩擦型高強(qiáng)螺栓連接有顯著提高，提高倍數(shù)與構(gòu)件本身的抗滑移系數(shù)以及牙紋角度有關(guān).

(2)高強(qiáng)螺栓牙板連接一共可能出現(xiàn)5種破壞形式：齒間滑移破壞、截面削弱破壞、螺栓受拉破壞、牙紋承壓破壞以及牙紋受剪破壞.通過構(gòu)造要求可以避免連接發(fā)生后三種破壞形式，并通過承載力計(jì)算以確保不發(fā)生前兩種破壞形式.

(3)通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的理論計(jì)算公式的可靠性.理論公式計(jì)算出的承載力都略小于試驗(yàn)測(cè)得的承載力，說明公式是可靠且偏于安全的，能用于該類連接設(shè)計(jì)承載力計(jì)算.

(4)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)單面牙紋高強(qiáng)螺栓牙板連接在承載后期出現(xiàn)“附加彎矩”，這種附加彎矩并不對(duì)承載力造成顯著影響，但使用雙面牙紋高強(qiáng)螺栓牙板連接時(shí)，其結(jié)構(gòu)性能的對(duì)稱性更好.

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Experimental Research on High Strength Bolted Zigzag-Plate Connections of Aluminum Alloy Members

JIANG Shouchao1,2, YE Zhongnan1,2, GUO Xiaonong1

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering(Tongji University)，Shanghai 200092, China)

This paper focuses on the premature theoretical analysis and experimental research of high strength bolted zigzag-plate connections of aluminum alloys. It is found that the factors affecting the bearing capacity of the connection are prestress in boltes, thickness plates and zigzag dimensions. Shear-resistant capacity tests were conducted for aluminum alloy component with high strength bolted zigzag-plate connections (HSBZP). The test results showed that high strength bolted zigzag-plate connections had copious advantages including but not limited to reliable force transferring, comparatively slight deformation and much higher capacity than regular slip-critical bolted connections, The zigzag plates increased the slip resistance of the connection.

aluminum alloy; high strength bolted zigzag-plate connections; shear-bearing capacity tests

2015-11-11

科技部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(SLDRCE15-B-04)

蔣首超(1971—)，男，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榻饘俳Y(jié)構(gòu)及工程結(jié)構(gòu)抗火.E-mail：scjiang@#edu.cn

TU395

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