汪大洋，辛志勇，區(qū) 彤，潘步新，葉錫鈞，張永山

(1. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006；2. 珠海安維特工程檢測有限公司，珠海 519100；3. 廣東省建筑設(shè)計研究院，廣州 510145)

自鉆自攻螺釘是金屬屋面圍護(hù)系統(tǒng)中最為常見、也最為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)連接形式，廣泛應(yīng)用于連續(xù)焊接不銹鋼、鋁鎂錳直立鎖邊、壓型板等屋面圍護(hù)系統(tǒng)中。然而，近年來不論是沿海強(qiáng)臺風(fēng)還是內(nèi)陸非強(qiáng)臺風(fēng)地區(qū)，均發(fā)生多起大跨場館建筑金屬屋面風(fēng)掀失效、漏雨等事件[1?2]，如2014 年臺風(fēng)威馬遜造成海口某學(xué)校體育館嚴(yán)重?fù)p毀，2015 年臺風(fēng)彩虹造成湛江奧體中心金屬屋面受損，2016 年臺風(fēng)莫蘭蒂造成廈門航空機(jī)庫損毀，2017 年臺風(fēng)天鴿造成珠海多個場館金屬屋面風(fēng)掀失效，2021 年武漢強(qiáng)降雨造成武漢科技館大片金屬屋面被掀開、武漢火車站屋面漏雨如“水簾洞”。在既有金屬屋面風(fēng)掀事故調(diào)查中，因自鉆自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效而致使大跨屋面系統(tǒng)損毀、漏雨的案例占很大比例[3?5]。

文獻(xiàn)[6]進(jìn)行92 組支座與檁條采用自鉆自攻螺釘連接的節(jié)點(diǎn)抗拉承載力試驗(yàn)研究，修正了連接節(jié)點(diǎn)抗拉承載力計算公式，并進(jìn)行驗(yàn)證分析。文獻(xiàn)[7]對采用自鉆自攻螺釘連接的壓型鋼板屋面進(jìn)行了抗風(fēng)揭分析，研究了屋面板疲勞特性。文獻(xiàn)[8?9]分別研究了直立鎖邊屋面抗風(fēng)性能的參數(shù)研究和優(yōu)化設(shè)計。文獻(xiàn)[10?11]進(jìn)行了216 組自鉆自攻螺釘與冷彎薄壁型鋼連接節(jié)點(diǎn)抗拉脫和抗拔性能試驗(yàn)，建立了采用自鉆自攻螺釘連接的鋼龍骨與OSB 板節(jié)點(diǎn)力學(xué)計算模型。文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了自鉆自攻螺釘連接的S60 幕墻結(jié)構(gòu)的抗拉拔性能試驗(yàn)，對其抗拉拔承載力進(jìn)行了修正。文獻(xiàn)[13]研究了薄鋼板自攻螺釘連接的受剪性能，提出了三段式簡化力學(xué)計算模型。此外，文獻(xiàn)[14?16]建立了自鉆自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力設(shè)計公式，但僅適用于3 mm 以內(nèi)基材?？梢?，目前在該領(lǐng)域研究還較少，自鉆自攻螺釘與不同基材連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能有待深入，不同參數(shù)下(如螺釘材質(zhì)、螺距、基材材料與厚度等)采用自鉆自攻螺釘連接的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有待完善。

針對不同基材、螺釘型號及鉆入方式等參數(shù)，研究其對節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的影響，共開展360 組節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果探討既有規(guī)范節(jié)點(diǎn)拉拔計算公式的適用性，并提出改進(jìn)計算方法。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計

1.1 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)樣本設(shè)計

基材為6063-T5 鋁合金、Q235 鋼和Q345 鋼三種材質(zhì)，基材厚度取常用2 mm～6 mm、間隔1 mm。鋁合金基材分平板和方管兩種形式，平板尺寸50 mm×70 mm×6.0 mm、方管140 mm×50 mm× (2 mm～ 5 mm厚)，基材厚2 mm～5 mm 時采用方管形式、厚6 mm時采用平板形式。型鋼基材分平板和幾字型兩種形式，2 mm 厚Q235 鋼采用平板形式，3 mm～6 mm厚Q345 鋼采用幾字型形式，平板尺寸140 mm×70 mm×2.0 mm、幾字型尺寸140 mm×100 mm ×(3 mm～6 mm 厚)。自鉆自攻螺釘考慮碳鋼和不銹鋼復(fù)合兩種材質(zhì)，自鉆自攻螺釘尺寸如圖1 所示?；暮妥糟@自攻螺釘均各來自同一批次材料。

圖1 自鉆自攻螺釘示意圖 /mm Fig. 1 Self-tapping self-drilling screws

螺釘與基材采用手動Maikita6823N 鉆鉆入和機(jī)械NTY-ZB-001 鉆板機(jī)鉆入兩種形式，最大轉(zhuǎn)速均為2500 r/min，機(jī)械鉆通過增減砝碼控制鉆入軸向力，鉆入速度和垂度可調(diào)。樣本設(shè)計見表1，CSA、SSA、SSS 三類連接樣本數(shù)各120 組，共計360 組樣本，其中“H”代表手動鉆、“M”代表機(jī)械鉆、每個樣本編號對應(yīng)設(shè)計3 組樣本。

表1 試驗(yàn)樣本設(shè)計表Table 1 Design table of the test sample

1.2 加載方案設(shè)計

采用WDW-100 電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，最大拉拔能力10 t。首先將樣本安置在萬能試驗(yàn)機(jī)指定位置上，然后兩端用夾具夾緊，端部夾具與樣本試件軸線找正，克服因試件過小、軸線不居中而產(chǎn)生的彎曲變形，確保試驗(yàn)精度。樣本在萬能試驗(yàn)機(jī)上工裝完成后，基于規(guī)范AISI S905[17]相關(guān)加載要求進(jìn)行加載，加載速度保持0.033 kN/s。當(dāng)樣本出現(xiàn)損傷失效，如自鉆自攻螺釘拔出、拉斷等現(xiàn)象時，停止加載，記錄相應(yīng)的試驗(yàn)損傷現(xiàn)象和測試數(shù)據(jù)。圖2 給出了三種基材連接的現(xiàn)場加載圖。

圖2 測試加載圖Fig. 2 Test loading

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試件損傷失效現(xiàn)象

2.1.1 碳鋼螺釘與鋁基材連接CSA 節(jié)點(diǎn)

CSA 樣本代表性失效如圖3 所示。可見，CSA節(jié)點(diǎn)連接主要通過接觸部位的相互咬合在基材內(nèi)部形成內(nèi)螺紋，以提供節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力。不同螺釘直徑、螺距條件下，與方管鋁基材(2.0 mm～5.0 mm 厚)的連接節(jié)點(diǎn)呈一致變化規(guī)律，即隨加載增大，螺釘與鋁基材首先共同承擔(dān)荷載，螺孔附近基材隨螺釘一起向上變形凸起，基材厚度越小凸起變形越大；隨后，螺紋與基材之間的咬合連接開始逐漸損傷，主要體現(xiàn)在螺紋局部變形損傷和部分被螺紋咬合的基材變形損傷兩方面；最后，螺釘被拔出，螺釘與基材咬合處的螺紋破壞、部分基材被卷出，荷載迅速下降，螺孔處基材面產(chǎn)生殘余變形。與平板鋁基材(6.0 mm 厚)連接節(jié)點(diǎn)的失效模式與方管鋁基材基本一致，螺釘被拔出，咬合處的螺紋與基材同樣產(chǎn)生了一定程度的變形失效，主要區(qū)別在于平板厚度較大，螺孔附近基材面基本未產(chǎn)生凸起變形現(xiàn)象，如圖3(m)～圖3(p)所示。手動和機(jī)械兩種鉆入方式下，CSA樣本節(jié)點(diǎn)破壞模式一致。

圖3 碳鋼自鉆自攻螺釘與鋁基材連接CSA 樣本節(jié)點(diǎn)損傷失效圖Fig. 3 Damage failure of CSA sample for carbon steel self-tapping self-drilling screw and aluminum substrate

2.1.2 不銹鋼復(fù)合螺釘與鋁基材連接SSA 節(jié)點(diǎn)

SSA 樣本節(jié)點(diǎn)代表性損傷失效如圖4 所示?？梢?，所有樣本試件節(jié)點(diǎn)均表現(xiàn)為螺釘被拔出失效破壞，螺釘在整個加載過程中保持整體完好，無螺釘拉斷現(xiàn)象發(fā)生，僅產(chǎn)生螺紋與基材咬合處的損傷變形失效，咬合處的部分基材被卷出。當(dāng)基材厚度低于3 mm 時，螺孔處的基材面產(chǎn)生一定的凸起殘余變形；當(dāng)基材厚度超過4 mm 時，螺孔處的基材面無明顯變形。手動和機(jī)械兩種鉆入方式下，SSA 樣本節(jié)點(diǎn)的破壞模式也一致。

圖4 不銹鋼復(fù)合自鉆自攻螺釘與鋁基材連接SSA 樣本節(jié)點(diǎn)損傷失效圖Fig. 4 Damage failure of SSA sample for stainless steel self-tapping self-drilling screw and aluminum substrate

2.1.3 不銹鋼復(fù)合螺釘與鋼基材連接SSS 節(jié)點(diǎn)

SSS 樣本節(jié)點(diǎn)代表性損傷失效如圖5 所示。可見，與平板鋼基材(2.0 mm 厚)連接節(jié)點(diǎn)均發(fā)生螺釘被拔出破壞，螺釘與基材的咬合處產(chǎn)生了損傷，螺孔基材面產(chǎn)生較大的凸起殘余變形(如圖5(a)～圖5(d))，螺釘均無拉斷現(xiàn)象，但螺距1.8mm 螺釘螺紋產(chǎn)生輕微磨損，螺距1.1 mm 螺釘螺紋磨損不明顯。與幾字型鋼基材(3.0 mm～6 mm 厚)的連接節(jié)點(diǎn)絕大部分發(fā)生螺釘被拔出的失效破壞，個別與6 mm 厚鋼基材連接的樣本發(fā)生螺釘被拉斷現(xiàn)象(如圖5(p)所示)，螺釘與基材之間的咬合處同樣產(chǎn)生了損傷失效現(xiàn)象，螺孔處的基材面在3.0 mm 基材厚時產(chǎn)生了輕微的凸起殘余變形、4.0 mm～6 mm厚時無明顯變形。對于螺釘被拔出的失效情況，在相同基材厚度條件下螺距1.8 mm 螺釘?shù)穆菁y磨損情況較螺距1.1 mm 螺釘嚴(yán)重，在相同螺距條件下螺釘螺紋隨基材厚度的增加磨損逐漸加重，當(dāng)基材厚達(dá)到5.0 mm 時咬合處的螺紋基本被磨平，同時咬合處的基材成絲狀被卷出，基材孔內(nèi)可見螺紋。手動和機(jī)械兩種鉆入方式下，SSS 樣本節(jié)點(diǎn)的破壞模式亦保持一致。

圖5 不銹鋼復(fù)合自鉆自攻螺釘與鋼基材連接SSS 樣本節(jié)點(diǎn)損傷失效圖Fig. 5 Damage failure of SSS sample for stainless steel self-tapping self-drilling screw and steel substrate

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 基材與螺釘材質(zhì)

圖6 給出了自鉆自攻螺釘分別與鋁和鋼兩種基材材質(zhì)連接時的抗拉拔承載力圖(均為3 組樣本取均值)。可見，在螺釘直徑、螺距與基材厚度相同的情況下，SSS 樣本節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能均優(yōu)于SSA樣本，前者承載力高且性能變化穩(wěn)定。如圖6(a)所示，螺釘直徑-螺距-基材厚分別為“5.1-1.1-2、5.1-1.8-2、6.3-1.8-2”條件下，SSS 樣本承載力較SSA 樣本分別高53.77%、58.25%、72.11%。在相同螺釘尺寸下，與鋼基材連接時隨基材厚度增加均呈穩(wěn)定上升趨勢，即三種螺釘(5.1-1.1、5.1-1.8、6.3-1.8)連接時，節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力隨厚度增長率保持一致，說明與鋼材質(zhì)連接力學(xué)性能更穩(wěn)定；相對而言，與鋁基材的連接，其承載力增長率存在較大區(qū)別，尤其是與螺釘(5.1-1.1)連接時。

圖6 基材材質(zhì)對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響Fig. 6 Effect of base material on mechanical properties

隨著基材厚度的增加，自鉆自攻螺釘與兩種材質(zhì)基材連接節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力差距呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，說明基材厚度的增加有利于提升鋁基材材質(zhì)連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。如在螺釘(5.1-1.8)連接時，兩種基材材質(zhì)節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力隨基材厚度增長(2 mm～6 mm)的差異依次為68.25%、44.93%、28.78%、29.04%、15.57%，同樣地在螺釘(6.3-1.8)連接時的差異依次為72.11%、57.13%、36.02%、44.23%、13.5%，二者之間的差異不斷下降。

相同鋁基材條件下，圖7 給出了CSA/SSA 樣本節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力圖。可見，在螺釘直徑、螺距與基材厚度相同情況下，CSA 樣本節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能均優(yōu)于SSA 樣本節(jié)點(diǎn)，前者承載力高于后者。如螺釘直徑-螺距-基材厚分別為“5.1-1.1-2、5.1-1.8-2、6.3-1.3-2、6.3-1.8-2”時，CSA 樣本節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力較SSA 樣本分別提升20.55%、27.14%、53.28%、20.57%，對應(yīng)地“5.1-1.1-4、5.1-1.8-4、6.3-1.3-4、6.3-1.8-4”條件下，前者較后者依次提升137.61%、7.91%、37.39%、3.31%。

圖7 自鉆自攻螺釘材質(zhì)對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響Fig. 7 Effect of self drilling screw material on mechanical properties of the joints

在基材材質(zhì)相同的條件下，螺釘尺寸越大，碳鋼與不銹鋼復(fù)合螺釘連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能越接近，尤其是螺釘螺距的增加更有利于確保碳鋼和不銹鋼復(fù)合連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的一致性。如樣本“5.1-1.8-6、6.3-1.8-6”螺釘直徑從5.1 mm 增長到6.3 mm 時，CSA/SSA 樣本節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的差異分別為15.83%、8.59%；樣本“6.3-1.3-6、6.3-1.8-6”螺距從1.3 mm 增長到1.8 mm 時，CSA/SSA 樣本節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的差異分別為53.5%、8.59%；同理，樣本“5.1-1.1-6、5.1-1.8-6”螺距從1.1 mm 增長到1.8 mm 時，CSA/SSA 樣本節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的差異分別為81.79%、15.83%。由此，建議采用碳鋼材質(zhì)螺釘與鋁基材相連，以確保節(jié)點(diǎn)的有效力學(xué)性能，而當(dāng)必須用不銹鋼復(fù)合螺釘時，宜選1.8 mm 螺距復(fù)合螺釘。

2.2.2 基材厚度

隨著基材厚度的增加，CSA/SSA/SSS 三類連接節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力均呈現(xiàn)逐漸上升的增長趨勢，螺釘直徑和螺距越大增長趨勢越明顯。當(dāng)采用螺距為1.8 mm 的自鉆自攻螺釘時，CSA/SSA/SSS三類連接節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力與基材厚度之間均呈現(xiàn)線性增長關(guān)系；當(dāng)采用螺距為1.1 mm 的自鉆自攻螺釘時，不銹鋼螺釘與鋼基材連接SSS 樣本節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力與基材厚度之間雖同樣呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，但較1.8 mm 螺距要低很多，如圖8(c)所示；對于采用1.1 mm、1.3 mm 螺距螺釘?shù)匿X基材連接節(jié)點(diǎn)，不論是碳鋼材質(zhì)還是不銹鋼復(fù)合材質(zhì)的螺釘，其抗拉拔承載力與基材厚度之間均不再呈現(xiàn)線性的變化關(guān)系，尤其是1.1 mm 螺距螺釘，且承載能力同樣較1.8 mm 螺距低很多，如圖8(a)、圖8(b)所示。由此可見，雖然基材厚度增長有助于CSA/SSA/SSS 三類連接節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力提升，但選擇適宜大螺距的自鉆自攻螺釘是確保節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的有效途徑之一。

圖8 基材厚度對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響Fig. 8 Effect of base material thickness on mechanical properties of the joints

2.2.3 螺釘直徑與螺距

螺釘直徑和螺距對三類節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的影響，見表2、表3。在相同螺距1.8 mm、不同基材厚度條件下，CSA 樣本采用5.5 mm、6.3 mm 螺釘直徑的承載力差異依次為8.2%(2 mm)、9.8%(3 mm)、8.0%(4 mm)、9.5%(5 mm)、11.2%(6 mm)，平均9.3%、最大11.23%；對應(yīng)地，SSA 樣本采用兩種螺釘直徑的承載力差異均值和最大值分別為14.0%、18.7%，SSS 樣本采用兩種螺釘直徑的承載力差異均值和最大值分別為20%、24.6%。在相同螺釘直徑6.3 mm、不同基材厚度條件下，CSA樣本采用兩種螺釘螺距(1.8 mm 與1.3 mm/1.1 mm)的承載力差異均值和最大值分別為26.0%、37.2%，對應(yīng)地，SSA 樣本承載力差異均值和最大值分別為72.6%、94.5%，SSS 樣本承載力差異均值和最大值分別為52.4%、75%。顯然，相同螺釘螺距、基材厚度條件下改變螺釘直徑對三類樣本節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的響應(yīng)較小，最大僅24.6%；而相同螺釘直徑、基材厚度條件下改變螺釘螺距對三類樣本節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的響應(yīng)則很大，最大達(dá)94.5%(螺釘直徑6.3 mm)，再次說明相同條件下選擇大螺距對于提升自鉆自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)抗拉拔性能的有效性，實(shí)際金屬屋面螺釘連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計中可予以考慮。

表2 自鉆自攻螺釘直徑對連接節(jié)點(diǎn)拉拔承載力F/kN 的影響Table 2 Effect of screw diameter on mechanical properties of the joints

表3 自鉆自攻螺釘螺距對連接節(jié)點(diǎn)拉拔承載力F/kN 的影響Table 3 Effect of screw pitch on mechanical properties of the joints

此外，值得說明的是，在5.5 mm 螺釘直徑、不同基材厚度條件下，SSA 樣本采用兩種螺釘螺距的節(jié)點(diǎn)承載力差異均值和最大值分別達(dá)到147.45%、267.11%，其主要原因在于此條件下SSA 樣本采用1.1 mm/1.3 mm 螺距時的節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力很低(如圖8(b)所示)，進(jìn)而導(dǎo)致兩種螺距之間的結(jié)果差異巨大。實(shí)際上，這也同樣說明了螺釘與鋁基材的連接節(jié)點(diǎn)不宜采用1.1 mm/1.3 mm螺距的自鉆自攻螺釘，尤其是不銹鋼復(fù)合螺釘與鋁基材的連接節(jié)點(diǎn)。

2.2.4 螺釘鉆入方式

圖9 給出了手動和機(jī)械兩種螺釘鉆入方式對CSA/SSA/SSS 三類樣本連接節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的影響，由圖可見，兩種鉆入方式下節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力存在一定的區(qū)別，但總體而言誤差在可接受范圍內(nèi)，對比誤差低于5%的樣本占半數(shù)以上，誤差低于10%的樣本3/4 以上，說明自鉆自攻螺釘采用手動和機(jī)械兩種鉆入方式均可達(dá)到良好的力學(xué)性能要求，實(shí)際工程中建議對工人進(jìn)行訓(xùn)練作業(yè)后，直接采用手動鉆入方式即可。當(dāng)然，圖9中部分對比結(jié)果的誤差較大，甚至達(dá)到67.18%，其主要原因仍在于采用了1.1 mm/1.3 mm 螺距的自鉆自攻螺釘，該種螺距不能保證有效的螺釘與基材之間的連接性能，進(jìn)而導(dǎo)致了過大的誤差。

圖9 螺釘鉆入方式對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響Fig. 9 Effect of screw drilling way on mechanical properties of the joints

3 節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計計算公式

國內(nèi)外規(guī)范針對自鉆自攻螺釘鉆入基材節(jié)點(diǎn)的抗拉承載力設(shè)計公式多針對型鋼基材給出[18?21]，且研究成果相對較少[16]，關(guān)于其與鋁基材連接節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計公式在《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50429?2007)[22]規(guī)范中亦未給出。結(jié)合上述研究可見螺釘螺距是影響節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力的重要因素，為此本文結(jié)合既有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)擬合方式建立自鉆自攻螺釘與鋁基材、鋼基材連接節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計公式。

《冷灣薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50018?2002)[18]規(guī)定，自鉆自攻螺釘與型鋼基材連接節(jié)點(diǎn)的抗拉承載力設(shè)計值可按下式計算：

式中：tc/mm 為螺釘鉆入深度；dc/mm 為螺釘直徑；fm/MPa 為基材抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。該式描述了節(jié)點(diǎn)承載力與螺釘直徑、鉆入厚度及基材材質(zhì)之間的關(guān)系，且主要應(yīng)用在與鋼基材的連接節(jié)點(diǎn)。然而，該式并沒有考慮螺距因素，實(shí)際上從上述分析可知，螺距對抗拉拔承載力的影響很大。由此，為進(jìn)一步考慮螺距因素，文獻(xiàn)[16]通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，給出了抗拉拔承載力計算公式：

式中：pc/mm 為螺距；k為修正系數(shù)，當(dāng)tc≤1.5 mm時取0.70，當(dāng)1.5 mm

鑒于目前國內(nèi)沒有給出關(guān)于自鉆自攻螺釘與鋁基材連接的承載力設(shè)計公式，若直接采用式(1)和式(2)進(jìn)行上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，可得試驗(yàn)拉拔承載力與理論計算值對比如圖10 所示(限于篇幅未全部給出)。可知：不論對于現(xiàn)有規(guī)范[18]中給出的式(1)，還是基于文獻(xiàn)研究擬合出的式(2)，均未能很好地擬合理論與試驗(yàn)值，尤其是對于螺釘與鋁基材的連接節(jié)點(diǎn)。其原因一方面在于式(1)是針對螺釘與型鋼基材的節(jié)點(diǎn)連接計算公式，其對鋁基材節(jié)點(diǎn)的擬合較差，對鋁基材樣本CSA 和SSA、鋼基材樣本SSS 擬合得到的R2值，分別為?0.8397、?0.2553 和0.8693；另一方面，式(2)雖考慮螺距的影響，相對式(1)的擬合結(jié)果有很好的改進(jìn)，其對于鋁基材樣本CSA、鋁基材樣本SSA、鋼基材樣本SSS 擬合得到的R2值分別為0.8775、0.6375 和0.8346，然而，該公式主要針對3 mm 以內(nèi)厚度鋼基材擬合得到的計算公式，對于3 mm 以上的節(jié)點(diǎn)連接力學(xué)性能仍不能得到滿意的擬合結(jié)果。

圖10 樣本試驗(yàn)拉拔承載力與理論計算結(jié)果對比Fig. 10 Comparison of the bearing capacity between test and theoretical results

實(shí)際上，常見基材厚超3 mm 的連接節(jié)點(diǎn)，本文亦開展了大量超過3 mm 的樣本試驗(yàn)，最厚達(dá)6 mm。結(jié)合上述研究成果，提出自鉆自攻螺釘與鋼基材、鋁基材連接的節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力設(shè)計公式：

式中：χ、α、β、γ 均為常數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，見表4。由此可得所提出節(jié)點(diǎn)拉拔承載力試驗(yàn)值與理論值的對比結(jié)果，如圖11 所示?？梢钥闯觯谠摂M合計算公式，CSA、SSA、SSS 三類節(jié)點(diǎn)抗拉拔承載力理論和試驗(yàn)值吻合度良好，較式(1)、式(2)的吻合度提高很多。如，CSA 樣本節(jié)點(diǎn)按式(1)、式(2)、式(3)的R2擬合結(jié)果依次為?0.8397、0.8775、0.9663，相應(yīng)地，SSA 樣本擬合結(jié)果依次為?0.2553、0.6375、0.9568，SSS 樣本擬合結(jié)果依次為0.8693、0.8346、0.9372。顯然，基于樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合提出的三類連接節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力設(shè)計公式，能更好地反映螺釘與不同厚度基材連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

表4 承載力設(shè)計擬合常數(shù)值Table 4 Design fitting constant value of bearing capacity

圖11 樣本試驗(yàn)拉拔承載力與式(3)理論計算結(jié)果對比Fig. 11 Comparison of the bearing capacity between test and theoretical results with equation (3)

4 結(jié)論

進(jìn)行了360 組自鉆自攻螺釘與基材連接節(jié)點(diǎn)的抗拉拔力學(xué)性能試驗(yàn)，提出了自鉆自攻螺釘與鋼基材、鋁基材連接的設(shè)計計算公式，結(jié)論如下：

(1)除部分螺釘與6 mm 厚鋼基材連接節(jié)點(diǎn)外，自鉆自攻螺釘與鋁基材、鋼基材連接的破壞模式基本相同，且兩種鉆入方式的破壞模式也一致：螺釘與基材共同承擔(dān)外荷載作用，當(dāng)荷載增到一定程度時螺紋與基材咬合處逐漸產(chǎn)生損傷變形行為，最后螺釘從基材中拔出；螺釘整體完整，但咬合處螺紋有磨損，隨基材厚度、螺距增加磨損加?。宦菘赘浇耐蛊痣S其厚度增加而降低，當(dāng)鋁基材厚達(dá)4 mm、鋼基材達(dá)3 mm 時凸起變形基本消失。

(2)同等條件下三類自鉆自攻螺釘與基材連接的節(jié)點(diǎn)抗拉拔力學(xué)性能依次為SSS 節(jié)點(diǎn)、CSA 節(jié)點(diǎn)、SSA 節(jié)點(diǎn)，基材厚增加可提升CSA/SSA/SSS三類節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力，且可顯著降低三類節(jié)點(diǎn)之間抗拉拔承載力的差距。

(3)螺釘直徑和螺距對三類節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力均有一定程度的影響，尤其是螺距的影響更為顯著，相同條件下改變螺釘直徑對三類節(jié)點(diǎn)承載能力的影響最大僅為24.63%，而改變螺距對三類節(jié)點(diǎn)承載能力的影響最大可達(dá)94.54%。當(dāng)為鋁基材時，建議采用碳鋼材質(zhì)自鉆自攻螺釘；當(dāng)必須采用不銹鋼復(fù)合螺釘時，應(yīng)考慮1.8 mm 螺距復(fù)合螺釘。手動和機(jī)械兩種螺釘鉆入方式均能保證CSA/SSA/SSS 三類節(jié)點(diǎn)的抗拉拔承載力。

(4)所提CSA/SSA/SSS 三類節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合度良好，能反映自鉆自攻螺釘與鋼基材、鋁基材連接節(jié)點(diǎn)的抗拉拔力學(xué)行為。