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裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中自攻螺絲連接受力性能研究評述雷宏剛,，邱 斌，姬艷玲 (太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024) 摘 要：基于國內(nèi)外學(xué)者對裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中自攻螺絲的相關(guān)研究文獻(xiàn),從抗剪、抗拉以及抗震性能等3個(gè)方面，對自攻螺絲連接性能的研究成果及進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)與評述,。對比了中國、美國,、歐洲各國等規(guī)范中,，關(guān)于自攻螺絲抗剪和抗拉承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。最后,對自攻螺絲連接尚待深入研究的問題給出了建議,。 關(guān)鍵詞：裝配式,；輕鋼結(jié)構(gòu)住宅；自攻螺絲,；抗剪性能,；抗拉性能；抗震性能 在“節(jié)能環(huán)保,、綠色建筑”理念的倡導(dǎo)下,裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅逐漸成為建筑領(lǐng)域的主流趨勢[1-4],。在低層裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中,自攻螺絲[5-6]作為主要連接件，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體系中的金屬屋面板,、復(fù)合墻體,，以及鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的連接,且作用日益重要。在自攻螺絲連接體系中,連接部位的受力性能是影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和剛度的重要因素,。多年來,國內(nèi)外學(xué)者對自攻螺絲連接的受力性能進(jìn)行了大量的研究工作,有些研究成果已經(jīng)寫入其國家相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范之中,。各類自攻螺絲及輕鋼結(jié)構(gòu)住宅示意圖如圖1所示。  圖1 各類自攻螺絲及輕鋼結(jié)構(gòu)住宅 1 抗剪性能1.1 金屬蒙皮結(jié)構(gòu) 在建筑結(jié)構(gòu)中,其表面覆蓋材料如屋面板,、墻板,利用自身的剛度和強(qiáng)度對建筑物整體剛度的加強(qiáng)作用,稱之為蒙皮效應(yīng)[7-8],。自攻螺絲常用于固定壓型金屬板屋面,連接壓型金屬板墻面等構(gòu)件,因此自攻螺絲的連接受力性能直接影響結(jié)構(gòu)的使用性能。國外對自攻螺絲連接受力蒙皮體的研究較早,很多研究成果已經(jīng)收錄其國家的金屬蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范之中。國內(nèi)對受力蒙皮中自攻螺絲連接的力學(xué)性能研究則相對較晚,。張耀春等[9]采用臥式懸臂梁方法,，對自攻螺絲連接不同尺寸的蒙皮體進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究,提出了非對稱受力模型的概念,并給出了蒙皮組合體平面強(qiáng)度和剛度的簡化計(jì)算公式。龍莉萍等[10],，韋松等[11]對國內(nèi)常用的V-840型壓型鋼板,，采用自攻螺絲連接的受力蒙皮體進(jìn)行了抗剪試驗(yàn)研究,得到了蒙皮體的幾種破壞形式和不同間距布置的連接件對蒙皮抗剪性能的影響。劉洋等[12-13]基于蒙皮結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程做法,通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,，推導(dǎo)出了采用自攻螺絲連接的受力蒙皮單元的抗剪強(qiáng)度和剛度的簡化計(jì)算公式,。張雪麗等[14-15]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),波峰連接的蒙皮體抗剪承載力和剛度遠(yuǎn)低于同等條件下波谷連接的相應(yīng)性能,且壓型鋼板波高越高,試件的抗剪承載力越低;支承板厚度在一定范圍內(nèi)對抗剪性能影響較大。郭靜等[16]考慮截面形狀,、波高,、鋼板厚度以及邊界條件等因素，對蒙皮板整體屈曲的影響,利用有限元方法對蒙皮板的整體屈曲荷載簡化公式予以了探討,給出了小波距低波板的建議邊界影響系數(shù),。舒贛平等[17]試驗(yàn)研究了金屬蒙皮分別在自攻螺絲和電阻點(diǎn)焊兩種連接形式下,，可能出現(xiàn)的破壞形態(tài),并對其破壞機(jī)理和受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析,擬合出了金屬蒙皮的兩類抗剪連接的強(qiáng)度和剛度冪函數(shù)公式,且抗剪強(qiáng)度公式的擬合精度較好。趙海鳳等[18-19]試驗(yàn)得出,，自攻螺絲連接蒙皮體的抗剪性能要優(yōu)于焊縫連接的抗剪性能,建議在實(shí)際應(yīng)用中選用自攻螺絲連接,。薛剛等[20]試驗(yàn)研究和有限元分析結(jié)果表明，通過改變連接件間距,、板厚和檁條數(shù)量,，可以提高蒙皮體的抗剪強(qiáng)度。 1.2 梁柱節(jié)點(diǎn) YE et al[21]研究了輕鋼結(jié)構(gòu)的自攻螺絲連接節(jié)點(diǎn)的受力性能,。試驗(yàn)結(jié)果表明,所有節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)非線性特征,且節(jié)點(diǎn)的初始剛度及抗彎能力受自攻螺絲數(shù)量和螺絲間距的影響,并隨著螺絲數(shù)量的增加而增大,。黃川等[22-23]試驗(yàn)得到了冷彎薄壁C型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的M-θ曲線,通過非線性回歸方法建立了M-θ關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；建議在設(shè)計(jì)與分析自攻螺絲連接的輕型冷彎薄壁C型鋼龍骨結(jié)構(gòu)框架時(shí),，應(yīng)考慮實(shí)際連接的非線性影響,。王小平等[24]，徐磊等[25]研究了鋼桁架梁在豎向荷載作用下的極限承載能力,、破壞形態(tài)及抗彎剛度。楊松嶺等[26]介紹了冷彎薄壁型鋼墻體立柱的兩端自攻螺絲連接特點(diǎn),應(yīng)用假想荷載法推導(dǎo)了立柱在軸壓力作用下的彎曲計(jì)算長度系數(shù),最后對3種截面形式立柱的彎曲計(jì)算長度系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和比較分析,為墻體立柱軸壓承載力計(jì)算提供理論依據(jù),。劉巖[27],謝志榮[28]分別對卷邊槽鋼檁條的自攻螺絲連接節(jié)點(diǎn)的剛度和靜力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析,對其實(shí)際工程中的應(yīng)用提出了建議,。石紅雷[29]研究了自攻螺絲連接新型輕鋼龍骨體系鋼管桁架各種節(jié)點(diǎn)的極限承載力和設(shè)計(jì)方法,為其工程應(yīng)用提供了理論支持和數(shù)值參考。劉雁等[30]得到了自攻螺絲連接冷彎薄壁型鋼組合框架剪力墻節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)方向的荷載-位移曲線,，以及各自的平均曲線,；并利用數(shù)值方法擬合出2條多項(xiàng)式曲線,為該類結(jié)構(gòu)的有限元分析提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。趙瑩等[31]研究了自攻螺絲連接節(jié)點(diǎn)的破壞過程,、彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系以及承載力,試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合較好,。劉殿忠等[32]對自攻螺絲連接的冷彎薄壁型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的有限元分析結(jié)果表明,自攻螺絲連接與普通螺栓連接具有相似的破壞模式和變形趨勢。楮云鵬等[33]基于輕鋼結(jié)構(gòu)墻體與樓蓋節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果,建立了自攻螺絲連接墻架柱梁節(jié)點(diǎn)的數(shù)值模型,分析結(jié)果表明,節(jié)點(diǎn)的承載力和能耗隨著墻體軸壓比的增大而降低,建議墻體設(shè)計(jì)軸壓比不宜超過0.6. 已有的自攻螺絲連接鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能研究大多數(shù)基于試驗(yàn)研究。由于試驗(yàn)研究受限于試驗(yàn)周期長,、耗費(fèi)大等因素,導(dǎo)致其研究的節(jié)點(diǎn)形式過于單一,以及可研究參數(shù)指標(biāo)過少,無法形成完整的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法,。因此,應(yīng)以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ),多嘗試建立合理有效的各類節(jié)點(diǎn)連接的數(shù)值模型,完善自攻螺絲連接梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能的研究。梁柱節(jié)點(diǎn),，自攻螺絲連接試驗(yàn)加載如圖2所示,。  圖2 梁柱節(jié)點(diǎn)自攻螺絲連試驗(yàn)加載 1.3 鋼板-鋼板連接 1.3.1 單顆自攻螺絲連接 LABOUBE et al[34-36]研究了自攻螺絲連接低延性和正常延性鋼材的抗剪承載力。此外,BAMBACH et al[37]對120組單個(gè)自攻螺絲連接件進(jìn)行了抗剪試驗(yàn),并考慮了彎剪作用,、螺絲傾斜及螺絲受扭等組合因素的影響,給出了自攻螺絲抗剪設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式,。ROGERS et al[38]研究自攻螺絲連接G550和G300高強(qiáng)度鋼材的承載力性能,給出了考慮螺絲直徑與鋼板最小厚度的比值影響的設(shè)計(jì)公式；并建議根據(jù)北美及澳洲規(guī)范,，在估算高強(qiáng)鋼(G550)自攻螺絲連接抗剪承載力時(shí),，應(yīng)降低承載力系數(shù)。20世紀(jì)90年代,國內(nèi)才開展對自攻螺絲連接抗剪承載力性能的研究,。林醒山等[39]研究了111個(gè)自攻螺絲,、拉鉚釘連接的抗剪性能。隨后,潘景龍[40]基于國內(nèi)外的試驗(yàn)結(jié)果,提出了自攻螺絲連接的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式,；并驗(yàn)算了自攻螺絲連接在拉剪聯(lián)合作用下的強(qiáng)度,證明了它適用于橢圓公式,。方文琦[41]探討了冷彎薄壁型鋼自攻自鉆螺絲抗剪承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。楊亞龍等[42]研究了螺絲端距對自攻螺絲連接抗剪性能的影響,建議在實(shí)際應(yīng)用中端距取4～5倍螺絲直徑,。劉楠等[43-44]研究了自攻螺絲在單面和雙面受剪狀態(tài)下的破壞形式,，以及抗剪承載力,提出了適用于單個(gè)自攻螺絲與鋼板連接抗剪承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法。董軍等[45]通過不銹鋼螺絲連接抗剪性能的試驗(yàn)研究,明確了連接破壞形式,并考察單剪和雙剪構(gòu)造,、連接板厚和連接長度等關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律,提出了螺絲抗剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算式及相關(guān)設(shè)計(jì)建議,。 1.3.2 自攻螺絲群連接 LABOUBE et al[36]通過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)多顆自攻螺絲連接件存在“群體折減效應(yīng)”,且給出了自攻螺絲連接Q235鋼板時(shí)考慮自攻螺絲群體效應(yīng)折減系數(shù)的表達(dá)式,，以及自攻螺絲連接的抗剪承載力計(jì)算公式,。宋延勇[46]展開的自攻螺絲連接的剪切試驗(yàn),驗(yàn)證了LABOUBE等人關(guān)于自攻螺絲群連接抗剪承載力計(jì)算公式的可行性,且引入螺絲間距修正系數(shù)來考慮螺絲間距對自攻螺絲連接承載力的影響。李元齊等[47]對螺絲端距,、間距,、排列方式以及螺絲數(shù)目、連接板件材料等因素對抗剪性能的影響做了系統(tǒng)的研究,提出了考慮群效應(yīng)的螺絲連接抗剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法和避免發(fā)生螺絲剪斷破壞的方法,。潘斯勇[48]對板件壁厚在2 mm以下,屈服強(qiáng)度超過550 MPa的高強(qiáng)冷彎超薄壁型鋼構(gòu)件自攻螺絲的連接性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,，自攻螺絲在發(fā)生剪斷破壞時(shí)存在“刀口效應(yīng)”；且多顆自攻螺絲群連接試件受拉時(shí)會(huì)出現(xiàn)螺絲群效應(yīng),計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮群效應(yīng)折減系數(shù),；最后給出了550 MPa高強(qiáng)鋼板自攻螺絲連接試件的抗剪承載力計(jì)算方法,。方文琦等[41, 49]較為系統(tǒng)地探討了螺絲直徑、連接板件厚度,、螺絲排列方式,、螺絲個(gè)數(shù)及螺絲間距，對自攻自鉆螺絲抗剪承載力的影響,結(jié)果均表明，多顆自攻螺絲連接存在“群體折減效應(yīng)”,。王身偉等[50]著重研究了螺絲間距對自攻螺絲群連接抗剪承載力的影響,，通過對已有試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析,擬合出螺絲間距影響系數(shù)的計(jì)算公式,最后給出了同時(shí)考慮群體折減效應(yīng)和螺絲間距影響的自攻螺絲群連接抗剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法。 1.3.3 數(shù)值分析 FAN et al[51]進(jìn)行了自攻螺絲連接不同板厚鋼材在靜力剪切作用下抗剪性能的有限元模擬分析,模型考慮了接觸非線性,、橡膠墊圈以及預(yù)緊力的作用,但忽略了螺絲的破壞,得到了自攻螺絲連接在發(fā)生破壞時(shí)的變形以及應(yīng)力分布情況,分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,。SKIFFNER et al[52]利用Adina軟件預(yù)加應(yīng)變桁架單元和等效梁單元，來模擬實(shí)際中自攻螺絲連接的接觸面,進(jìn)行有限元分析,進(jìn)一步探討了螺絲是否破壞對結(jié)構(gòu)的影響,為利用有限元模擬自攻螺絲連接提供了參考,。王小平等[53]通過建立7種有限元模型,，研究了自攻螺絲連接的極限承載力以及破壞形式,為自攻螺絲抗剪承載力的理論研究提供了建模思路。梁元瑋等[54]在對金屬蒙皮結(jié)構(gòu)自攻螺絲連接的連接性能進(jìn)行有限元模擬時(shí),考慮材料非線性與接觸非線性, 給出了自攻螺絲等厚連接常見的破壞模式和連接的p-Δ曲線,。陳娟婷等[55-56]擬合出了連接的抗剪強(qiáng)度與抗剪剛度公式, 并指出連接的強(qiáng)度和剛度都隨著鋼板的厚度以及螺絲直徑的增加而增大,且與連接的板厚差異無關(guān),。盧林楓等[57]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立面面接觸及模擬實(shí)際試驗(yàn)的邊界條件,對冷彎薄壁型鋼自攻螺絲連接試件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析方法的可靠性。劉志凌等[58]考慮材料非線性和接觸非線性,對薄-薄,、薄-厚,、厚-厚3種典型連接形式下的破壞模式進(jìn)行了詳細(xì)的研究,得出了發(fā)生不同破壞模式的板的臨界值和極限荷載值,為工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。吳銀飛等[59]對在拉剪耦合作用下的自攻螺絲連接承載力進(jìn)行了數(shù)值分析,計(jì)算結(jié)果與依規(guī)范計(jì)算的結(jié)果吻合較好,；同時(shí)還得出,螺絲連接的抗剪和抗拉承載力,，隨著板厚及螺絲直徑的增大而增大;在拉剪共同作用極限狀態(tài)下,剪力施力比與拉力施力比呈非線性負(fù)相關(guān)。 1.4 鋼板-非鋼板連接 FIORINO et al[60]對自攻螺絲連接OSB板和GWB板的抗剪性能和破壞模式展開了研究,指出板材類型,、加載方向,、端距及加載方式，對抗剪強(qiáng)度和剛度均有不同程度的影響,。NITHYADHARAN et al[61]對硅酸鈣墻面板與冷彎薄壁型鋼龍骨,，通過自攻螺絲連接，在不同加載方式下的平面內(nèi)抗剪強(qiáng)度,、破壞形式及螺絲端距和板厚對抗剪性能的影響進(jìn)行了研究,給出了板平面內(nèi)剪切的荷載-位移關(guān)系曲線,以及極限抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式,。YE et al[21]對GWB、BMG,、CSB,、OSB 4種板材通過自攻螺絲分別與鋼板連接的共51組試件展開了試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:CSB板會(huì)發(fā)生明顯的脆性破壞;單調(diào)加載下的試件抗剪承載力和抗變形能力均高于滯回加載;抗剪承載力受螺絲端距的影響明顯,且隨著端距的增大而增大;除CSB板外,加載方向?qū)辜裟芰Φ挠绊懖⒉淮蟆６姷?span>[62]的試驗(yàn)結(jié)果表明,NAFC,、LCFC板材與龍骨間自攻螺栓連接的性能與板的性能有明顯的對應(yīng)關(guān)系,承載力主要由自攻螺栓孔邊板的承壓強(qiáng)度控制,。滕學(xué)鋒等[63]開展了對冷彎薄壁型鋼-OSB板組合樓蓋足尺模型的靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明,自攻螺絲連接的卷邊C型鋼和OSB板能夠共同工作,且具備較高的承載力和較好的延性,。石宇等[64-65]試驗(yàn)研究表明，自攻螺絲連接鋼板-定向刨花板的承載力要高于鋼板-石膏板連接,且均具有方向性;試件的受剪承載力會(huì)隨著板厚的增加,、螺絲端距的增大而增大,但提高加載速率會(huì)降低試件的受剪承載力;給出了鋼板-非鋼板單顆自攻螺絲連接的抗剪承載力設(shè)計(jì)方法,。郝際平等[66]通過試驗(yàn)得到,自攻螺絲連接鋼板與OSB板，在荷載作用下，主要發(fā)生自攻螺絲的過度傾斜破壞和OSB板的劈裂破壞,；而鋼板與硅酸鈣板的連接,，則表現(xiàn)為硅酸鈣板的凈截面破壞；但鋼板厚度,、板材受力方向,、加載速度以及螺絲端距等因素，對試件受剪承載力的影響規(guī)律則與文獻(xiàn)[64]類似,。 綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者對自攻螺絲連接的抗剪承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究,但是由于自攻螺絲與被連接構(gòu)件之間的孔壁接觸面情況復(fù)雜,給理論分析造成了較大的困難,至今難以形成統(tǒng)一的自攻螺絲計(jì)算模式和計(jì)算公式,。盡管各國規(guī)范中均有自攻螺絲承載力相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法(如表1),但基本是依試驗(yàn)結(jié)果而確定的。由圖3的對比結(jié)果可以看出,北美規(guī)范的計(jì)算結(jié)果最高,，偏于經(jīng)濟(jì),；英國的計(jì)算值最低，過于保守,；中國規(guī)范計(jì)算值居于兩者之間,偏保守,。各國規(guī)范中均沒有考慮螺釘被剪斷的情況,且忽略了自攻螺絲群連接效應(yīng)和端距對承載力的影響,導(dǎo)致規(guī)范計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符。其次,自攻螺絲連接鋼板-鋼板的抗剪承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法相對成熟,而對于鋼板-非鋼板之間連接的抗剪承載力計(jì)算方法卻沒有明確的規(guī)定,。  圖3 各國規(guī)范中抗剪承載力計(jì)算值 2 抗拉性能裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的屋面板,、外墻板，在風(fēng)吸力,、地震作用等情況下,自攻螺絲會(huì)承受拉力,。此外,自攻螺絲廣泛使用在木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接以及木結(jié)構(gòu)建筑的加固,這些都與自攻螺絲的抗拉性能息息相關(guān)。MAHENDRAN et al[71-76]采用足尺風(fēng)洞試驗(yàn),、梯形板縮尺試驗(yàn)及有限元模擬的方法,研究了高強(qiáng)薄壁型鋼自攻螺絲的連接件,，在風(fēng)吸力作用下的抗拉性能,得到了自攻螺絲在拉力作用下的破壞模式,并分析了歐美規(guī)范中對于螺絲抗拉承載力計(jì)算方法的可行性。ELLINGSBO et al[77]對自攻螺絲順紋抗拉拔性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元模擬,兩者的結(jié)果吻合良好,并初步給出了螺絲的抗拉承載力計(jì)算公式,。BLASS et al[78]研究了采用自攻螺絲加固木結(jié)構(gòu)后,，受拉和受壓性能的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明，自攻螺絲在木節(jié)點(diǎn)中既可以傳遞拉力,也可以傳遞壓力,并且使木節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度約提高了3倍,。段圣杰[79]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),筑巢輕鋼結(jié)構(gòu)體系節(jié)點(diǎn),，往往因?yàn)樽怨ヂ萁z受到彎矩被拔出而發(fā)生破壞;考慮自攻螺絲數(shù)量、排數(shù)以及連接件是否帶肋等因素,得到了節(jié)點(diǎn)處自攻螺絲的荷載-位移關(guān)系曲線,；并提出了簡化的半剛性計(jì)算模型,其結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,。李元齊等[80]將不同板厚的LQ550鋼板與不同板厚的S350鋼板，通過不同直徑的自攻螺絲連接,進(jìn)行了111個(gè)抗拉脫性能和105個(gè)抗拔性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,，自攻螺絲的抗拉脫承載力隨著板厚和自攻螺絲釘頭直徑的增大而增大,抗拔承載力則與板厚成正比,比例系數(shù)和板厚與螺紋間距的比值有關(guān),。周元等[81]考慮材料非線性和接觸非線性，建立自攻螺絲抗拉的有限元模型,結(jié)果表明,，螺絲抗拔的破壞形式和螺絲直徑與板厚的比值密切相關(guān),。曾濱等[82]研究發(fā)現(xiàn),在S60框架幕墻系統(tǒng)中,，自攻螺絲的抗拉承載力隨著自攻螺絲入槽深度的增加而增大,試驗(yàn)結(jié)果與按照美國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果相近；并提出了自攻螺絲抗拉承載力的建議算式,。曾祥新[83]通過數(shù)值模擬,，得到了自攻螺絲固定金屬屋面板抗風(fēng)承載力的計(jì)算公式,并對金屬屋面在風(fēng)致疲勞下的疲勞損傷和壽命進(jìn)行了深入研究,得到了各屋面板的疲勞壽命曲線，以及各工況下,、各參數(shù)下屋面板的危險(xiǎn)部位和疲勞損傷,。倪鳴等[84],程小武等[85]分別研究了膠合木和杉木中自攻螺絲連接的抗拔性能,指出自攻螺絲連接的拉拔承載力隨著錨固長度的增加而增大,而發(fā)生的破壞模式主要是木材的剪切破壞(或自攻螺絲被拔出)和自攻螺絲的屈服破壞,個(gè)別出現(xiàn)劈裂破壞。 表1 各國鋼板-鋼板連接抗剪承載力設(shè)計(jì)方法 Table 1 Design method of shear capacity between steel plate and steel plate connection in different countries  規(guī) 范計(jì) 算 公 式破壞模式備 注中國規(guī)范[67]GB50018—2002t1/t=1.0Ntv=3.7(t3d)12f螺釘傾斜拔出Nfv≤2.4tdf連接板件撕裂破壞t1/t≥2.5Nfv=2.4tdf連接板件撕裂破壞當(dāng)1.0 各國鋼板-鋼板連接抗拉承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法見表2所示,；各規(guī)范中抗拉承載力計(jì)算值見圖4所示,。比較各國規(guī)范可知,在計(jì)算自攻螺絲連接抗拉承載力時(shí),北美和澳洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果最低,過于保守；中國現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算值偏大,且當(dāng)板厚為1 mm左右時(shí),抗拉承載力規(guī)范設(shè)計(jì)值與螺釘直徑無關(guān),。就整個(gè)研究狀況而言,國外對自攻螺絲的抗拉承載力開展了較多研究,而國內(nèi)的研究卻相對偏少,相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范也在完善之中,。鑒于自攻螺絲連接接觸面的復(fù)雜性,要進(jìn)行精確的數(shù)值分析仍存在一定的困難。目前,，對自攻螺絲抗拉性能的研究,，更多的是依賴于試驗(yàn)研究,理論研究尚且不夠深入和系統(tǒng)。  圖4 各規(guī)范中抗拉承載力計(jì)算值 表2 各國鋼板-鋼板連接抗拉承載力設(shè)計(jì)方法 Table 2 Design method of tensile capacity between steel plate and steel plate connection in different countries  規(guī) 范計(jì)算公式備 注中國規(guī)范0.5mm≤t≤1.5mmGB50018—2002Nft=17tf征求意見稿Nftov=1.2dwtfNftov,Nft為抗拉脫承載力設(shè)計(jì)值;t為緊臨釘頭側(cè)的壓型鋼板厚度,應(yīng)滿足0.5mm≤t≤1.5mm;f為被連接鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值tc>0.9mmNft≤Nftot=0.75tcdfNftot為抗拔承載力設(shè)計(jì)值;d為自攻螺釘?shù)闹睆?tc為釘桿鉆入基材中的深度北美/澳洲規(guī)范N*t≤φNt0.5mm≤t1≤1.5mmNov=1.5t1dwfu1t2>0.9mmNou≤0.85t2dfu2N*t為抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;φ為折減系數(shù),抗拔與抗拉脫計(jì)算時(shí)取0.5;Nt為名義抗拉承載力;t1,fu1分別為遠(yuǎn)離釘頭側(cè)的板件厚度和抗拉強(qiáng)度;dw為釘頭直徑,當(dāng)有墊圈時(shí)為墊圈的直徑,但墊圈直徑不應(yīng)超過12.5mm,當(dāng)自攻螺釘受拉時(shí),自攻螺釘釘頭或墊圈直徑不小于8mm,墊圈厚度不應(yīng)小于1.27mm;t2,fu2分別為靠近釘頭側(cè)的板件厚度和抗拉強(qiáng)度;d為自攻螺釘名義直徑;Nt取Nov,、Nou以及自攻螺釘連接抗拉承載力設(shè)計(jì)值1.25倍的最小值英國規(guī)范BS5950-5:1998t<2mmds≤25mmpt=1.1t1dspyt4>0.9mmpt=0.65t4dpypft≥1.25pt釘頭或墊圈直徑不應(yīng)小于8mm;t1為自攻螺釘頭相鄰的鋼板厚度;t4為自攻螺釘鉆入基材深度;d為自攻螺釘名義直徑;ds為自攻螺釘釘頭或墊圈直徑;py為構(gòu)件的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度;自攻螺釘抗拉承載力設(shè)計(jì)值取pt,pft的最小值歐洲規(guī)范[86]Fp,Rd=dwtfuγM2tsups<> 3 抗震性能我國絕大部分地區(qū)對建筑結(jié)構(gòu)都有抗震設(shè)防要求,。隨著自攻螺絲在裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛,其連接的整體結(jié)構(gòu)的抗震性能成為關(guān)鍵問題。近年來,國內(nèi)外陸續(xù)開展了對裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中自攻螺絲連接的框架梁柱節(jié)點(diǎn),，以及組合墻體結(jié)構(gòu)的抗震性能的試驗(yàn)研究,。FüL?P et al[87]研究了冷彎薄壁型鋼剪力墻板的足尺模型在單調(diào)和循環(huán)荷載下的抗震性能。SERRETTE et al[88]研究了自攻螺絲連接木質(zhì)覆板與型鋼龍骨剪力墻的可行性和抗震性能,。ZEYNALIAN et al[89]對纖維水泥板的冷彎薄壁型鋼框架墻體進(jìn)行了4個(gè)足尺模型試驗(yàn),著重研究了纖維水泥板在側(cè)向往復(fù)荷載下的抗震性能,。JAVAHERI-TAFTI et al[90]研究了24個(gè)足尺的冷彎型薄鋼板墻體，在自攻螺絲不同的構(gòu)造連接下的抗震性能,并給出了合理的抗震反應(yīng)修正系數(shù),。MOHEBBI et al[91-92]研究了裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)中石膏板和水泥纖維板剪力墻體在往復(fù)加載下的抗震效應(yīng),并對比了單側(cè)覆板與雙側(cè)覆板墻體的側(cè)向剛度,、抗剪強(qiáng)度和耗能能力。CASAFONT et al[93]研究了X支撐與剪力墻之間采用自攻螺絲連接的抗震性能,改變板的厚度,、鋼材等級以及螺絲數(shù)量與直徑,結(jié)果表明,，試件主要發(fā)生螺絲傾斜與板凈截面破壞兩者組合形式的破壞,螺絲傾斜、板件承壓破壞與螺絲被拔出三者組合形式的破壞;最后指出,，螺絲傾斜與板凈截面破壞兩者組合形式的破壞模式更適合抗震設(shè)計(jì),。YU[94]研究了裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅剪力墻單面覆板上用自攻螺絲連接的3種不同板厚(均小于1 mm)的鋼面板，在單調(diào)加載和滯回加載下的受力性能,對兩種高寬比的剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)象表明,，剪力墻主要出現(xiàn)鋼面板屈曲和螺絲被拔出兩種破壞模式,。李元齊等[95]試驗(yàn)研究了自攻螺絲連接輕鋼龍骨與OSB板的靜力性能和抗震性能,得到了恢復(fù)力模型,為該類復(fù)合墻體的抗震性能的有限元分析提供了依據(jù)。李元齊等[96]對兩層高強(qiáng)超薄壁冷彎型鋼住宅進(jìn)行了足尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),結(jié)果表明,，采用雙面覆板構(gòu)造的復(fù)合墻體結(jié)構(gòu),能夠滿足抗震設(shè)防地區(qū)“大震不倒”的要求,；但應(yīng)在部分連接處加強(qiáng)自攻螺絲的可靠性和門窗開洞的構(gòu)造措施,。何敏娟等[97-98]對自攻螺絲連接木梁柱節(jié)點(diǎn)的抗側(cè)力性能展開了較為系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明,自攻螺絲可以提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和延性,明顯減輕節(jié)點(diǎn)和延緩木材的開裂;隨著自攻螺絲數(shù)量,、直徑和布置排數(shù)的增加,節(jié)點(diǎn)的承載力強(qiáng)度、延性系數(shù)及耗能能力等抗震性能指標(biāo)均有不同程度的提高,。李玉順等[99]對鋼-竹組合墻體受力性能,、破壞機(jī)理、抗震性能指標(biāo),，以及其承載力計(jì)算模型進(jìn)行了研究和闡述,。劉斌等[100]對無支撐和有交叉鋼帶支撐骨架形式的2個(gè)復(fù)合式冷彎薄壁型鋼墻體足尺試件進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)，結(jié)論如下:該類墻體主要破壞形式為墻板與型鋼骨架間螺絲連接破壞,，邊立柱底部局部失穩(wěn),，以及輕質(zhì)砂漿與型鋼骨架間的黏結(jié)滑移;輕質(zhì)砂漿、硅酸鈣板與型鋼骨架三者的共同作用使得墻體的整體承載力和延性有所增強(qiáng);鋼支撐的設(shè)置提高了結(jié)構(gòu)的受剪承載力和邊立柱的軸向壓力,但降低了結(jié)構(gòu)的延性,。楊亞龍等[101]對3個(gè)足尺的冷彎超薄壁C型鋼墻梁節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn),結(jié)果指出,，墻架柱截面大小和軸壓比對結(jié)構(gòu)的抗震性能影響較大,為其實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考。 國內(nèi)外已陸續(xù)開展了對輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中自攻螺絲連接的抗震性能研究,并取得了諸多有益的成果和結(jié)論,；但試驗(yàn)中更多的是研究單個(gè)墻體在模擬地震作用下的受力性能,對結(jié)構(gòu)整體模型抗震性能的試驗(yàn)研究卻較為缺乏,。裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中復(fù)合墻體的構(gòu)造形式見圖5所示。同時(shí),考慮到開展足尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),經(jīng)費(fèi),、時(shí)間及人力消耗巨大,因此可嘗試建立結(jié)構(gòu)的整體數(shù)值模型,通過設(shè)置合理的關(guān)鍵性參數(shù)來研究輕鋼結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,。 4 結(jié)論與建議綜上所述,對裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)中自攻螺絲連接承載力性能的研究愈發(fā)成熟和全面,尤其是在靜力承載力研究方面,取得了顯著的成果,在各國規(guī)范的設(shè)計(jì)方法中也均有體現(xiàn)。但隨著住宅形式的多樣化發(fā)展,筆者認(rèn)為在以下幾方面亟待研究,。  圖5 裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中復(fù)合墻體的構(gòu)造形式 1) 既有的自攻螺絲連接抗剪性能的試驗(yàn)研究,，均未考慮自攻螺絲擰緊程度以及連接板件之間的摩擦因素等對抗剪承載力的影響。其次,對自攻螺絲在彎矩,、扭矩等組合的復(fù)雜受力狀態(tài)下的連接性能仍需進(jìn)一步研究探討,。 2) 隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展,僅用普通自攻螺絲連接遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。在部分已建成的鋼結(jié)構(gòu)建筑中,大直徑自攻絲螺栓已經(jīng)應(yīng)用于高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁柱節(jié)點(diǎn)連接之中,，因此,需開展大直徑(d≥10 mm)自攻絲螺栓連接厚鋼板(10 mm以上),，以及自攻螺絲連接高強(qiáng)度鋼板(屈服強(qiáng)度超過450 MPa,甚至550 MPa)承載力設(shè)計(jì)方法的研究。 3) 材料在隨機(jī)反復(fù)荷載作用下容易發(fā)生疲勞破壞,對于高強(qiáng)螺栓的疲勞性能已有學(xué)者開展研究[102-103],但國內(nèi)外關(guān)于自攻螺絲連接的疲勞問題研究極為缺乏,研究亟待開展,。 4) 國內(nèi)對裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中自攻螺絲連接的整體抗震性能試驗(yàn)研究尚處于起步階段,理論研究更是少之又少,。今后應(yīng)在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,建立合理的數(shù)值模型,以便進(jìn)一步完整有效的研究自攻螺絲連接的整體抗震性能,為我國的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范編制提供參考依據(jù)。 參考文獻(xiàn)： [1] 葉之皓.我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅現(xiàn)狀及對策研究[D].南昌：南昌大學(xué),2012. 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In this paper,the progress in research on shear, tensile and seismic properties of various components connected by self-tapping screws are summarized in details, which is based on the relevant research literature at home and abroad.And the design methods of shear and tensile strength of self-tapping screws in China, USA, Europe and other countries are compared.Finally, some suggestions are put forward about the problems of the self-tapping screw connection that need to conduct further study. Key words：prefabricated;light-guage steel structure residence;self-tapping screw;shear performance;tensile properities;seismic behavior 文章編號：1007-9432(2017)03-0265-10 收稿日期：2016-04-07 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：基于健康監(jiān)測的平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞動(dòng)態(tài)可靠性分析與疲勞壽命評估(51578357) 作者簡介：雷宏剛(1964-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事鋼結(jié)構(gòu)研究,(E-mail)[email protected] 引文格式：雷宏剛,，邱斌,，姬艷玲.裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中自攻螺絲連接受力性能研究評述[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),，2017，48(3)：265-274. 中圖分類號：TU392.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2017.03.001 |
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