循环荷载作用下不同孔几何形状抗滑移连接的设计评估

《Journal of Constructional Steel Research》：Design assessment of slip-critical connections with different hole geometries under cyclic loading

　　

**摘要**

抗滑移螺栓连接由于其限制滑移并提供可靠疲劳性能的能力，被广泛应用于承受地震荷载和循环荷载的钢结构中。这些连接的抗滑移能力受表面处理、孔几何形状、螺栓预紧力和螺栓直径的影响，而目前的设计方法很大程度上基于单调加载假设。在本研究中，20 个采用 10.9 级 M16 螺栓的抗滑移连接试件在循环拉伸荷载下进行了测试，考虑了四种表面等级和四种孔几何形状。确定了实验滑移荷载和摩擦系数，并与基于规范的名义预测值进行了评估。使用 C3D8I 单元开发了一个三维有限元模型，并与实验结果进行了验证，随后用于涉及 M24、M27 和 M30 螺栓的参数化研究。结果表明，对于 M16 连接，设计预测通常是保守的，而其准确性随螺栓直径、表面等级和孔几何形状而变化，凸显了循环荷载下固定安全系数的局限性。数值结果与实验结果的紧密吻合表明，所提出的模型适用于抗滑移螺栓连接的面向设计的参数化分析。

**引言**

由于钢结构连接性能不足会导致结构完整性和稳定性的失效，连接被认为是钢结构中最关键的组成部分之一。考虑到与铆接和焊接连接相关的问题，螺栓连接在钢结构建造中更为常用。螺栓连接具有成本低、组装快、易于拆卸以及无需熟练劳动力等主要优势。螺栓连接分为两类：承压型和抗滑移型。大多数抗震设计规范特别推荐在抗震区使用抗滑移连接。在抗滑移连接中，荷载通过钢板之间因螺栓预紧产生的夹紧力而发展的摩擦力进行传递。由于其优异的疲劳性能，它们常用于承受循环或反转荷载的钢结构中。抗滑移连接的荷载 - 变形曲线如图 1 所示。最初，荷载传递通过摩擦实现。然而，当外部荷载超过摩擦阻力时，连接处会发生显著的滑移，导致螺栓与钢板接触。从那时起，连接表现为承压型连接，直到达到其失效模式（图 1）。

承压型螺栓连接在螺栓未预紧时易发生滑移。防止滑移在高层钢结构中尤为重要，因为贯穿结构高度的滑移会导致过大的侧向位移。这些位移可能引起二阶效应，导致柱子严重损坏。因此，准确确定抗滑移连接的性能和摩擦系数至关重要。抗滑移连接的承载能力受多个参数影响，如螺栓直径、螺栓数量、预紧荷载、孔几何形状、腐蚀、表面处理和剪切面数量。因此，文献中有关于抗滑移连接的广泛实验和数值研究。

以前的实验和数值研究表明，抗滑移连接的性能和承载能力强烈受螺栓建模方法、表面处理和连接细节等参数影响 [1], [2], [3], [4]。此外，有限元建模研究表明，三维实体螺栓模型和 C3D8I 单元为抗滑移连接提供了改进的预测精度 [1], [4]。Soo Kim 和 Kuwamura [5] 调查了面外弯曲对螺栓连接极限承载力的影响，并提出了一个能准确预测其失效模式的失效准则。当 Moze 和 Bek [6] 将测试结果与欧洲规范 3 中的方程确定的极限承载力进行比较时，他们发现两者之间不一致；因此，他们推荐了一个能更准确预测螺栓连接承载能力的方程。[7] 进行的数值研究表明，不锈钢螺栓连接的表现与碳钢螺栓连接不同。由于使用三维实体单元构建的数值模型计算成本很高，Shi 等人 [8] 使用简化的弹簧单元研究了螺栓的剪切行为。他们得出结论，这种简化模型准确预测了螺栓连接的性能。Annan 和 Chiza [9] 进行了一项实验研究，考察了使用美国钢结构协会 (AISC) 未指定的锌基金属涂层钢板的抗滑移连接的摩擦系数。他们的测试结果表明，这些连接的摩擦系数高于 AISC 规定的 B 类表面。Jingyuan 等人 [10] 使用在 Abaqus 中开发的有限元模型 (FEM) 进行了一系列数值分析，以研究抗滑移连接的性能。他们的发现表明，从数值模拟中得出的摩擦系数与实验结果吻合良好；然而，它仍然低于中国钢规范中为此类连接规定的值。[11] 测试了一种称为非对称抗滑移连接的新型连接。在测试期间，他们观察到虽然它在地震期间有效地耗散了能量，但在主震后发生的余震期间表现出较少的阻力。Lacey 等人 [12] 进行了一项全面的实验研究，以调查不同表面处理对 G350 钢抗滑移连接极限承载力的影响，并提出了一个预测这些连接承载能力的经验公式。Li 等人 [13] 通过实验和数值方法考察了螺栓扭矩施加顺序对抗滑移连接抗滑移能力的影响，并提出了一种可以估计预紧力中发生松动的数值模型。Wang 等人 [14] 从他们的测试结果中表明，使用富锌涂层钢板的抗滑移连接的摩擦系数低于喷丸涂层，且增加涂层厚度可增强抗滑移能力。根据 Mahmoudi 等人 [15] 的研究，具有槽纹表面的抗滑移连接的抗滑移能力优于具有传统表面处理（如热轧、钢丝刷扫、镀锌或喷砂表面）的连接。Lyu 等人 [16] 对单螺栓抗滑移连接进行了实验和数值分析。他们的结果表明，欧洲规范 3 可靠地预测了摩擦系数，而 AISC 的预测低于安全设计极限。当 Gao 等人 [17] 将获得的抗滑移连接盲孔螺栓试件的测试结果与中国钢规范确定的名义承载力进行比较时，盲孔螺栓将抗滑移能力提高了约 45%。Shahini 等人 [18] 研究了使用 I 形梁腹板上圆形螺栓布置配置的摩擦滑移机制的梁柱连接的弯矩 - 转角行为。最近的研究使用实验和数值方法调查了表面处理、腐蚀损伤、螺栓预紧力和孔几何形状对抗滑移连接性能的影响 [19], [20], [21], [22], [23], [24]。Zhang 等人 [19] 报告说，电弧和超音速喷涂表面处理为铝合金不锈钢连接提供了相对较高的摩擦系数。[20] 进行的实验研究表明，表面处理和预紧力损失均显著影响铝合金抗滑移连接的摩擦行为。[21] 进行的数值分析表明，使用 BT10 螺栓可将抗滑移连接的承载能力提高约 20%。Chen 等人 [22] 提出了一种有限元模型和解析表达式，以评估腐蚀损伤引起的摩擦行为降低。此外，Han 等人 [23] 表明，增加摩擦系数和螺栓预紧力可能会降低疲劳性能，而 Wang 等人 [24] 使用验证的有限元模型研究了带大孔的抗滑移螺栓连接的全范围行为。该研究考察了抗滑移能力和承压阶段的荷载 - 变形行为，并评估了欧洲规范 3 公式对此类连接的适用性。从最近的研究中可以理解，尽管滑移行为具有巨大潜力且研究兴趣日益增加，但循环荷载下抗滑移连接的性能尚未被完全理解 [25], [26]。

BS EN 1090–2 标准 [27] 的附录 G 中规定了与特定表面处理相关的摩擦系数确定测试程序。然而，该标准 [27] 的一个关键局限性是，它只考虑试件中的标准圆孔几何形状，而未解决具有大圆孔、短槽孔和长槽孔几何形状的抗滑移连接。此外，尽管地震区的此类连接需要抵抗多方向和可变荷载，但该标准采用了单调拉伸加载规程。这些方面揭示了现有标准规定 [27] 在考虑的孔几何形状和施加的加载规程方面存在显著差距。此外，以前的有限元研究主要集中在使数值结果与实验结果匹配，而剪切锁定和沙漏模式等关键数值问题尚未得到系统解决 [12], [16], [21], [23], [28], [29], [30], [31], [32]。这一局限性降低了报告数值结果的可靠性和通用性。

为解决这些差距，本研究在循环拉伸荷载下实验调查了 20 个具有标准圆孔、大圆孔、短槽孔和长槽孔几何形状的抗滑移连接试件，并确定了相应的摩擦系数。除了实验测试外，本研究明确考察了剪切锁定和沙漏模式这两个关键但常被忽视的数值问题，并提出了一种能够有效克服这些局限性的有效且经验证的有限元建模策略。在本研究中，具有不同表面处理和孔几何形状的抗滑移连接在循环拉伸荷载下进行了实验调查。随后，使用 Abaqus 软件 [33] 开发了经验证的有限元模型，以研究螺栓直径对抗滑移连接承载能力的影响。最后，将实验和数值发现与土耳其钢规范 (TSC 2016) [34] 的名义设计规定进行了系统比较，从而对当前基于规范的安全系数进行了关键评估。组合的实验和数值结果表明，规定的抗滑移连接安全系数应视为螺栓直径、表面等级和孔几何形状的函数，而不是循环荷载下的固定值。

**章节片段**

**试件**

在本研究中，20 个具有标准圆孔、大圆孔、短槽孔和长槽孔，以及四种不同表面条件（即热轧 (D 类表面)、钢丝刷扫 (C 类表面)、涂碱硅酸盐锌涂料 (B 类表面) 和喷砂 (A 类表面)）的抗滑移连接试件在循环拉伸荷载下进行了测试。此外，试件在喷砂表面处理后的 10 天等待期后进行了测试，以

**有限元研究**

使用 Abaqus 软件 [33] 开发了一个 FEM，以预测具有不同表面处理和孔几何形状的抗滑移连接试件的数值性能。由于试件在测试期间保持在弹性极限内，因此在 FEM 中采用了线弹性材料模型。在抗滑移连接的建模中，FE 类型的选择至关重要。三维八节点六面体单元因其高

**参数化研究**

出于实验室能力和成本考虑，实验测试有意限制在 M16 螺栓。因此，较大的螺栓直径使用经验证的有限元模型进行数值研究。进行了一项参数化研究，以调查螺栓直径对抗滑移连接承载能力的影响。对于参数化研究，抗滑移连接使用 10.9 级高强度 M24、M27 和 M30 螺栓，表面等级 A、B、C，

**试件**

在本节中，展示了使用 10.9 级高强度 M16 螺栓对 20 个抗滑移连接进行测试的结果。试件包括 5 种表面条件和四种孔几何形状，其实验摩擦系数使用公式 2 计算。该方程中的变量定义如下：μ为摩擦系数，Fsi 为实验滑移荷载，Tb 为预紧力，n 为螺栓数量，ns 为滑移面数量。所有试件

**结论**

本研究中展示的实验、数值和参数化调查提供了对具有不同表面处理和孔几何形状的抗滑移螺栓连接的循环性能的综合评估。

研究结果突显了当前基于规范的设计方法的局限性，并强调了修订设计参数以确保结构安全性和经济效率的必要性。基于本研究范围和局限性，主要的 CRediT 作者贡献声明
Huseyin Sogut：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Ramazan Ozcelik：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，概念化。Tuba Eroglu Azak：写作 – 审阅与编辑，验证，方法论，概念化。Ferhat Erdal：写作 – 审阅与编辑，验证，方法论，概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢土耳其科学和技术研究理事会 (TüB?TAK) 在项目编号 121M814 下提供的财务支持。
Huseyin Sogut|Ramazan Ozcelik|Tuba Eroglu Azak|Ferhat Erdal
阿肯迪大学土木工程系，土耳其安塔利亚