受剪自攻螺钉连接试验和模型研究外文翻译资料

 2022-08-06 10:08

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受剪自攻螺钉连接试验和模型研究

Marcin Gryniewicz, Jerzy Kazimierz Szlendak

比亚韦斯托克工业大学，土木与环境工程学院，波兰

marcin.gryniewicz@gmail.com,jerzy.szlendak@gmail.com

摘要

本文进行了连接钢板的自攻螺钉抗剪研究，这些钢板的厚度在0.5mm~1.5mm。采用一种直径的螺钉已经投入了使用，这种单搭接头类型被广泛应用于钢板构造中。连接滑落和剪切刚度的试验和理论数据是应力蒙皮效应中的一个重要议题。现今，连接件的线性模型已经得到很有效的应用。但是在更加高级的分析中，非线性模型需要被考虑。这些非线性模型对于需要考虑蒙皮效应的波纹金属板覆盖钢结构的高级设计和使用是非常必要的。这一种模型研究在这里被提出，旨在研究连接件的一般性行为，其中板厚是最主要的变量因素。试验是根据现有的标准EN1990和ECCS手册来进行的。本文还提出一种设计和估计螺钉滑落极限的数值函数。此外，受剪试验的理论基础也被相应提出。

关键词：冷弯型钢设计，自攻螺栓的剪切连接，理论模型，试验测试

1 引文

冷弯型钢板最广泛的设计应用是它在单个结构单元里的稳定作用，比如屋顶的冷弯檩条。而应力蒙皮效应是对冷弯钢覆盖板的进一步利用，这种设计优点在设计师中很少有人知晓。原因是它的高等和复杂的设计流程需要足够的知识经验。这些问题最近也在被作者研究【2，3】。总的结论是连接件的性质在这种蒙皮结构中是非常重要的；此外，它们的理论模型需要根据现有技术来检验。因此，薄板的自攻螺栓连接件的受剪试验研究需要被开展。

许多研究描述了轻型钢结构连接件的性质。给出了一些关于关于螺栓连接和盲孔螺栓连接的工作，比如Wuwer W的一些工作。人们通常研究冷弯型材框架中的完整接头，这些研究也在【6】被描述中。一些人研究在受火环境下连接件的性质。根据设计规范，本文中被提到的研究需要考虑一组在正常静载荷作用下的单个自攻螺钉连接。这些考虑对用于所有连接件的线性模型的提出有一定的影响。（作为在【1】中所给的替代，0.25mm/kN是适用于所有总直径在4.1mm~4.8mm的螺栓）。作为延伸，特殊用途的双线性函数被发展出来。

2 理论基础

2.1 连接件在有限元中的剪切薄膜分析

从传统意义上讲，连接件模型由两个合适剪切刚度的垂直弹簧组成，这些弹簧连接了两个相同坐标的节点，其中一个节点是平板离散模型的一部分，而另外一个则与结构单元或相邻的板材连接。本文提出了另外一种模型，所有的系统中的连接件将会被等效悬臂框架有限元代替，这些有限单元能够在几乎所有甚至是不怎么先进的科学软件中合理地使用。图一展示了上述所说的连接器数学模型。

图一 单剪力连接器模型展示：s—连接器滑移距离；leq—一个悬臂框架有限元的选定长度；Ieq——单元等效转动惯量

2.2剪力状态下连接器的破坏模式

在试验中，预测和记录连接件的破坏模式是非常重要的，因此参照ECCS手册描述典型破坏模式是非常重要的。这些描述在表格中展示了出来（图表中的“应用符号”是因为研究目的所加的）这篇论文所说的实验被特别地设计来避免特定的连接能力损失，即倾斜和拉出破坏。通过在一个连接件中使用两个螺栓来达到这一效果。

表格1 剪切荷载下紧固件的连接破坏模式特征

符号

破坏模式

洞口扩大

材料起毛

颈缩/撕裂

紧固件的拉出

BF

承压破坏

X

X

NF

净截面破坏

X

X

X

SF

紧固件的剪切破坏

EF

末端破坏

X

X

X

TF

倾斜和拉出

X

3 剪力下的连接件试验

3.1剪力试验的要求

剪力试验的要求在ECCS最近发表的版本中被引入。其中的介绍包括了试验细节的所有必要问题，并且和欧洲规范上的实验辅助设计相一致。所有详细数据都能够在这些参考中找到。总的规律在下面描述：

首先，钢的样本和紧固件的性质应该被确定，钢样本的基本值有：屈服应力（0.2%屈服应力），极限抗拉强度、和断口处的延伸率。至少三次抗拉试验要被进行。对于紧固件来讲（包含金属件和橡胶垫圈），标称的尺寸应进行验证。紧固件的力学性质也需要根据参考手册进行验证。

钢试件的制造应该与生产商的建议和现场测试相一致的方式进行（例如：深度设定控制；扭紧扭矩；工具类型；基材的强度和厚度），紧固件应固定在试件规定位置的1mm以内。

实验次数的相应要求也是根据样本的性质确定的，5次实验的最小数量足够让紧固件的变量确定，但是试验数量越多越精确。

图2展示了试验中有两个紧固件的布置情况。一个紧固件的试验也可以，但是为了防止连接件的盘曲或者变形。设置2个紧固件可以提供低变差的结果。

变形应该通过使用合适的引伸计（如果必要的话），钳口的相对移动不应该包含在变形中，除非没有试件与试验机钳口的滑动和变形读数需要根据超出引伸计长度的试件伸长率来进行修正。

图2.两个紧固件的剪切试验试件（限于不超过6.5mm的紧固件直径）

荷载速率不应超过1kN/min并且变形速率不应超过1mm/min，测量的变形应该超过相对位移的3mm. 记录的最大力应该看作紧固件的极限抗阻力。破坏荷载应该被定义为在变形达到3mm时，超过3mm的峰值应该在图3中被记录。图3展示了破坏荷载识别的方法。

图3.连接件破坏极限准则

3.2抗剪力和柔韧性

一个紧固件的特征抗剪力是从试验结果的数据估计得来的Rk=Rm-k*Sk。

Rm是5次最小试验次数试验结果平均值，k是可以从附件D中获取的分数因子，Sk是标准差。

试验数据的平均值应该根据实际测量的材料抗剪性与名义上的对比进行调整。在5次试验中，分数因子k为2.33，如果根据先前的知识不能知道变异系数。连接的设计抗剪力是通过下列公式决定的。

Rd=Rk/gamma;M2 其中Rd是紧固件的设计抗剪力，Rk是紧固件在静载下的特征抗剪力

gamma;M2是抗剪力的偏因子

紧固件的剪切韧性应该被定义为：Ch=1/(Rd/gamma;1)*Sigma;an/n

其中an是在力等效为Rd/gamma;1的紧固件滑动值

Rd是紧固件设计抗阻力

gamma;1是一个调整因子

n是试验试件数量

在例子中，为了将板材固定到有一个紧固件的下部结构测试中，gamma;1的合适取值为1.5（与风效应因子相一致）

3.3主要试验准备

研究的主要目的是对由薄板和自攻螺钉组成的简单搭接节点的真实行为进行验证。试验结果用于受剪连接件的数学模型，比如，对于屋顶上当作薄膜的板件。在各种类型的连接中，两个相同薄板相连的搭接节点被拿来研究。这种节点能够被看作是两个单独屋顶板之间的接缝连接，比如由冷弯梯形截面构成。设计打算将几个板厚建成一个完整实用的数据列。精确的大小，选定的板厚和标记涵义被展示在图中。

试件安装

引伸计测量点

单个试件

图4.试件尺寸和标注

厚度为0.5mm到1.25mm根据EN10327，由DX51铜制成。一个例外是1.5mm板厚，已随S350材料一起提供（根据EN10326）这个差别是由制造商Pruszynrsquo;ki的制造商引起的。这种差别变化被认为是一种实用的惯例，并且不会被特意的从研究中移除。每个厚度由5个试件组被预备好（完整的70个板块是建造35个组件所必需的）。所有样品均已通过热浸镀锌保护。

使用的连接件是HILT的自攻螺栓：S-MS型号，用于板厚0.5mm，而S-MD型号是给另一种板厚的。所有螺钉的直径都为4.8mm。并且都配备了钢制密封垫圈，S-MD螺钉通常被承包商在施工现场使用。这个实际因素决定了在主要连接上该应用什么样的连接类型。

钢材使用的是不锈钢1.4301（依据EN10088-2[15]）

根据手册和制造商的运输条件。所有的试件应该进行事先特殊养护，试件的安装已经用金属制造螺丝刀：ST1800（由HILTI提供制造完成）。这种工具普便被承包商使用。比如在装修中。扳手可以防止过度拧紧或者螺丝帽破坏。

深度计功能用于控制密封垫的压力来达到最佳密封。通过高精度和合适的控制，所有样本安装被设置成一样的。图5展示了从侧面观看连接好的板。

图5.一个连接点的侧面图

3.4试验描述

正如ECCS手册上建议的那样，力学性质试验要作为第一步来进行。最长应用的是根据ISO6892-1【16】的拉力试验。图6是一个用DX51材料制成的试件组读数图。图像很有使用价值，比如建立一个理想的应力-应变关系来对这种钢材进行计算（数据结果被列于表2）（表和图中符号参考于【16】）

图6.DX51钢材测试组实验中一个具有代表性的试件应立-应变关系

表2根据IS06982-1[16],基于DX51钢样本的试验数据结果

所有试验使用的是一个安装了专用软件-TestXpertⅡ的Zwick/Roell试验机。

对于主要试验来讲，加载速率和位移速率根据手册要求在整个荷载过程中被控制。

(不超过1KN/min和1mm/min的速率）试验过程由电脑系统根据位移和力的控制得到给定最高阙值来结束，因此研究会进行到连接点的完全断裂。

图7.连接节点失效

通常第一个最主要的连接点的破坏模式是承压破坏（见表1）。正如所想的那样，选择了有两个紧固件的剪切试验（见图7）.紧固件的剪切破坏SF以及末端失效破坏EF，或者倾斜/拉出破坏TF不会在特征抗剪力水平下出现。板的净截面破坏是不存在的。图8展示了一个选定厚度的试件在观察周期内的样图来表现所进行测试的知识范围。每一个图包含了5个曲线分别对应每个安装试件。表3根据ECCS手册和欧洲规范把进行的研究用一个数据估测来总结。所有给出的结果均按一个连接件计算。

图8：完整试验过程根据厚度选定的试件图像（每种厚度5次试验/曲线）：a)0.8mm;b)1.00mm

（竖轴——力（N），水平轴——位移(mm)）

表3.根据[10]进行的剪切实验数据

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