楊亞,唐興榮*,唐路堯,朱永順

(1.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215011； 2.蘇州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司, 江蘇 蘇州 215129)

0 引言

模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑是建筑工業(yè)化發(fā)展的最高階段[1]，是一種高度裝配化的建筑，正越來越受到建筑界的高度重視。模塊單元之間的節(jié)點連接構(gòu)造是模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)鍵部位，也是模塊單元連接質(zhì)量檢測的主控項目。對模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑，當(dāng)相鄰模塊單元間采用螺栓連接時，上、下模塊單元柱節(jié)點連接板之間接觸面的壓緊程度會直接影響模塊單元柱的傳力機(jī)理。因此，應(yīng)對上、下模塊單元柱端板間接觸面的壓緊程度進(jìn)行檢測。

《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50205—2020)規(guī)定，設(shè)計要求頂緊的節(jié)點，接觸面不應(yīng)少于70 %緊貼，且邊緣最大間隙不應(yīng)大于0.8 mm。檢驗方法：用鋼尺及0.3 mm和0.8 mm厚的塞尺現(xiàn)場實測。該方法局限性較大，無法在模塊單元柱節(jié)點連接板壓緊度檢測中實施，因此需要研發(fā)適用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑特征的模塊單元柱節(jié)點連接板壓緊度的檢驗方法。

1 超聲波回波損耗率與真實接觸面積之間的關(guān)系

超聲波在傳播過程中發(fā)生的反射、透射、折射等現(xiàn)象可以表征表面的接觸情況，并受到越來越廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)為了防腐與增加摩擦力通常會在鋼結(jié)構(gòu)表面涂一層漆膜。超聲波傳播到接觸面時，在兩粗糙接觸表面的微凸體發(fā)生接觸處，由于漆膜的厚度相對于超聲波的波長很小，可以忽略不計，同時漆膜與鋼材的聲阻抗相差不大，所以超聲波在接觸面發(fā)生完全透射。在兩粗糙接觸表面的微凸體未發(fā)生接觸處，空隙處被空氣填充，此時的接觸面為空氣與鋼板的固-氣異質(zhì)界面，超聲波傳播到異質(zhì)界面會發(fā)生完全反射[9]。因此超聲波傳播到接觸界面時的透射率與真實接觸面積是成正比的，假設(shè)入射聲強(qiáng)為I0，反射聲強(qiáng)為Ir，透射聲強(qiáng)為It，則在兩接觸面處有

(1)

超聲波在兩塊不等厚節(jié)點板(h1

圖1 超聲波在不等厚節(jié)點板內(nèi)反射和透射示意圖(h1

設(shè)超聲波在節(jié)點板接觸表面處的聲強(qiáng)反射率為R，聲波反射率與透射率之和為1，則

(2)

考慮超聲波在介質(zhì)中傳播的損耗。由超聲波衰減的理論可知，超聲波衰減只與傳播距離x有關(guān)。假設(shè)超聲波的衰減系數(shù)為λx，考慮超聲波的衰減作用后的探頭接收到的聲強(qiáng)為

(3)

當(dāng)只使用一個既能發(fā)射超聲波信號又能接收信號的雙晶超聲探頭時，可以用二次回波聲強(qiáng)和三次回波聲強(qiáng)之和與一次回波聲強(qiáng)之比r作為真實接觸面積占比檢測的指標(biāo)，其公式推導(dǎo)如下:

Ir=Ir2+Ir3=R2I0λ4h1+(1-R)2I0λ(2h1+2h2)，

(4)

(5)

超聲波聲強(qiáng)按Ix=I0e-x的規(guī)律衰減，可得

(6)

(7)

為了消除超聲波聲強(qiáng)衰減的影響，對單塊節(jié)點板或者接觸面未接觸時進(jìn)行超聲波檢測，在厚度為h1節(jié)點板處的二次回波聲強(qiáng)與一次回波聲強(qiáng)之比為r2′；在厚度為h2節(jié)點板處的二次回波聲強(qiáng)與一次回波聲強(qiáng)之比為r2″。

(8)

由式(7)、式(8)可得，超聲波回波損耗率(r/r2′)與接觸面真實接觸面積的關(guān)系為

(9)

式(9)也適用于h2

(10)

(11)

由式(3)、式(10)和式(11)可得到超聲波回波損耗率(r/r2′)和真實接觸面積占比之間的關(guān)系為

(12)

2 真實接觸面積與接觸面壓應(yīng)力之間的關(guān)系

節(jié)點板間真實接觸面積中，相對較小的接觸點由于其頂端曲率半徑較小，更容易產(chǎn)生較大的變形，當(dāng)最大微接觸點橫截面積alac[式(13)]時，接觸點發(fā)生彈性變形。

(13)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究成果，可確定分形表面彈性接觸點、塑性接觸點上的接觸面積和載荷的關(guān)系，其表達(dá)式分別為

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(15)

則節(jié)點板接觸面平均壓應(yīng)力為

p=pe+pp。

(16)

① 當(dāng)1

(17)

(18)

② 當(dāng)D=1.5時，有

(19)

(20)

3 螺栓連接不等厚節(jié)點板壓緊度超聲檢測試驗研究

3.1 試驗設(shè)計

本次試驗共設(shè)計制作了3個高強(qiáng)螺栓連接不等厚節(jié)點板試件(表1)，連接板材料均為Q345鋼。螺栓均采用S10.9級M24摩擦型高強(qiáng)螺栓，節(jié)點板表面均涂環(huán)氧富鋅漆。

表1 試件設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of specimen

試驗采用南通友聯(lián)PXUT-300C數(shù)字超聲波探傷儀，雙晶直探頭規(guī)格為7 MHz PT-06(中心頻率為7 MHz，晶片直徑尺寸為6 mm)置于節(jié)點板中心位置。使用南京賽峰數(shù)顯扭矩扳手，扭矩量程范圍為400～2 000 N·m，使得螺栓達(dá)到相應(yīng)的預(yù)緊力。高強(qiáng)螺栓終擰扭矩Tc=kP0d，其中k為扭矩系數(shù)平均值，每種規(guī)格取8個高強(qiáng)螺栓通過高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)度檢測儀測得，k=0.124 3(M24×120)，k=0.112 6(M24×90)；P0為高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力，取230 kN；d為高強(qiáng)螺栓公稱直徑。

3.2 加載工況

根據(jù)表1將不同連接板疊放，此后根據(jù)相應(yīng)的工況，緊固完相應(yīng)的螺栓以后再進(jìn)行超聲檢測。每一次超聲檢測均進(jìn)行10次數(shù)據(jù)讀取，對不同螺栓連接工況按1到6進(jìn)行編號。螺栓1、2、3、4的編號如圖2所示，各工況下高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力的大小值和螺栓的編號如表2所示。

表2 不同工況高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力Tab.2 Preload of high-strength bolts under different working conditions (單位：kN)

3.3 試驗結(jié)果分析

計算時取鋼材彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，根據(jù)文獻(xiàn)[12]連接板分形參數(shù)試驗結(jié)果，取粗糙接觸表形貌的分形維數(shù)D=1.20，粗糙接觸表面形貌的分形特征尺度系數(shù)G取值見表3。

由圖3可見，隨著節(jié)點板高強(qiáng)螺栓施加荷載P的增大，連接板中心處實測超聲波回波損耗率(r/r2′)逐漸降低，且不等厚節(jié)點板厚度越大，(r/r2′)值降低越多。

圖3 各試件荷載與超聲波回波損耗率關(guān)系(P/P0-r/r2′)Fig.3 Relationship between load and ultrasonic return loss rate of each specimen(P/P0-r/r2′)

表3 各試件試驗計算值與有限元模擬值比較Tab.3 Comparison of test values and finite element values of each specimen

4 高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點板非線性有限元分析

鋼材采用Q345鋼，選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)推薦的線性強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)關(guān)系(圖6)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(σs-εs)為

(21)

圖6 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σs-εs)Fig.6 Stress-strain curve of steel(σs-εs)

構(gòu)件均采用實體單元，單元類型選擇ABAQUS單元庫中的C3D8I單元(八節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)單元)。模型中的接觸關(guān)系較多，法向采用“硬”接觸，切向選用的penalty即“罰”函數(shù)，摩擦系數(shù)取0.45[13]；接觸面的主面和從面由接觸構(gòu)件的剛度決定，各接觸關(guān)系見表4。

表4 有限元模型接觸關(guān)系Tab.4 Contact relation of finite element model

采用上述建立的ABAQUS大型有限元非線性分析模型，對3個高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點板接觸面的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析，模擬值見表3。各試件接觸面壓應(yīng)力的試驗計算值與有限元模擬值比較見圖7，由圖7可知，試驗計算值與有限元模擬值符合較好，這也進(jìn)一步驗證了基于分形接觸理論和超聲波回波技術(shù)建立的高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點板接觸面壓應(yīng)力的檢測方法的準(zhǔn)確性。

(a) 試件 30-40

(b) 試件 20-40

(c) 試件 10-20

5 主要結(jié)論

① 隨著節(jié)點板高強(qiáng)螺栓施加荷載P的增大，連接板中心處實測超聲波回波損耗率(r/r2′)逐漸降低，且不等厚節(jié)點板厚度越大，(r/r2′)值降低越多。

③ 接觸面壓應(yīng)力的試驗計算值與有限元模擬值符合較好，這也進(jìn)一步驗證了基于分形接觸理論和超聲波回波技術(shù)建立的高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點板接觸面壓應(yīng)力的檢測方法的準(zhǔn)確性。