CN106969975A - 一种抗剪栓钉 - Google Patents

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Abstract

一种抗剪栓钉，本发明涉及钢‑混凝土组合结构中的栓钉，它要解决现有栓钉在往复荷载作用下抗剪承载能力较低的问题。该抗剪栓钉包括栓钉杆与栓帽，在栓钉杆的顶部设置有栓帽，栓钉杆的上部杆身的钉杆直径为d，栓钉杆的下部杆身呈喇叭锥形，栓钉杆的下部杆身的高度为5d，栓钉杆的杆底直径为2～2.5d，在栓钉杆的杆底还设有圆柱底段。本发明对现有栓钉的形状进行改进，降低栓钉自身的最大应力，提高栓钉在往复荷载作用下屈服极限的抗剪承载能力，同时降低焊接接头热影响区的应力，优化栓钉杆的形状，将塑性应变转移到4倍直径范围以外延性较高的栓钉本身，避免焊接接头在往复荷载作用下的超低周疲劳。

Description

一种抗剪栓钉
技术领域
本发明涉及钢-混凝土组合结构中的栓钉。
背景技术
目前，栓钉作为一种常用的抗剪连接件在钢-混凝土组合结构中大量应用，普通栓钉主要包括两部分：栓钉与栓帽，常用的焊接方式为螺柱焊，是一种高压熔焊的焊接方式。从以往的试验研究结果与有限元分析结果来看，栓钉提供的抗剪承载力主要由距离栓钉与板件(或管件)连接处4倍直径范围内的栓钉与焊接接头决定，其中焊接接头的应力最为集中也最为复杂，4倍直径范围内的栓钉的应力值较高，超过6倍直径范围外的应力则基本不变。
而针对栓钉在单向荷载作用下与往复荷载作用下抗剪承载力的试验结果来看，断裂位置处于栓钉与板件(或管件)的焊接接头的热影响区。同时，与单向荷载作用下的抗剪承载力相比，往复荷载作用下栓钉的极限抗剪承载力与极限抗剪滑移量均显著下降，下降幅度在40％左右。由于焊接接头属于不均匀体，在高温热循环作用下，栓钉与板件(或管件)的母材金相组织发生改变，硬度提高，延性降低，形成热影响区，而且螺柱焊的焊接接头直径与栓钉直径相差不大，高度低，当栓钉提供界面内的抗剪作用力时，焊接接头处应力集中尤其显著，在较低抗剪作用力，应力集中处产生塑性应变，经过十几次循环荷载，塑性应变累积达到阈值，发生脆性断裂。正是由于焊接接头的超低周疲劳，造成栓钉往复荷载作用下抗剪承载能力的显著下降。
发明内容
本发明的目的是要解决现有栓钉在往复荷载作用下抗剪承载能力较低的问题，而提供一种抗剪栓钉。
本发明抗剪栓钉包括栓钉杆与栓帽，在栓钉杆的顶部设置有栓帽，栓钉杆的上部杆身的钉杆直径为d，栓钉杆的下部杆身呈喇叭锥形并随钉杆的轴向向下杆身的直径逐渐增大，栓钉杆的下部杆身的高度为5d，栓钉杆的杆底直径为2～2.5d，在栓钉杆的杆底还设有圆柱底段。
鉴于栓钉4倍直径范围内的应力值最高，以及螺柱焊焊接接头的超低周疲劳显著降低了其在往复荷载作用下的抗剪承载力，本发明对现有栓钉的形状进行改进，降低栓钉自身的最大应力，提高栓钉在往复荷载作用下屈服极限的抗剪承载能力，抗剪承载能力能达到普通栓钉的2～3倍。同时降低焊接接头热影响区的应力，将塑性应变转移到4倍直径范围以外延性较高的栓钉本身，避免焊接接头在往复荷载作用下的超低周疲劳。
本发明所述的新型栓钉能够有效提高栓钉在往复荷载作用下的极限抗剪承载力与极限抗剪滑移量，实现栓钉在往复荷载作用下的延性破坏，另一方面，与具有相同的极限抗剪承载力的普通栓钉相比，可以极大程度上节省材料，充分发挥栓钉的材性特征。并且栓钉造型的改进方法简单，容易操作，通过对配套瓷环的改造，调整焊机参数，容易实现新型栓钉的焊接。
附图说明
图1为现有栓钉的结构示意图；
图2为本发明抗剪栓钉的结构示意图；
图3为图1中A-A的剖面图；
图4是配套的栓钉瓷环的结构示意图；
图5是具体实施方式八中抗剪栓钉的局部示意图；
图6是实施例中栓钉杆5倍直径高度与栓杆半径随高度的变化曲线图；
图7是实施例中试件加载的示意图；
图8是本发明抗剪栓钉与普通栓钉抗剪承载力荷载位移曲线图，图中实线代表实施例的抗剪栓钉，虚线代表普通栓钉。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式抗剪栓钉包括栓钉杆2与栓帽1，在栓钉杆2的顶部设置有栓帽1，栓钉杆2的上部杆身2-1的钉杆直径为d，栓钉杆2的下部杆身2-2呈喇叭锥形并随钉杆的轴向向下杆身的直径逐渐增大，栓钉杆2的下部杆身2-2的高度为5d，栓钉杆2的杆底直径为2～2.5d，在栓钉杆2的杆底还设有圆柱底段3。
本实施方式所述的栓钉杆、栓帽与圆柱底段为一体结构。上部杆身与下部杆身平滑圆角过渡。
本实施方式钢-混凝土组合结构中的抗剪栓钉通过有限元分析设计栓钉截面直径沿高度变化的优化曲线，既能够极大程度上的节省材料，又能够显著提高栓钉在往复荷载作用下的抗剪承载力。
现有栓钉在往复荷载作用下抗剪承载力的试验研究中，栓钉的抗剪承载力显著下降，并且低于现有规范中所提出的抗剪承载力计算结果。本实施方式所提出的栓钉，结合试验数据分析与有限元模拟，能够显著降低栓钉自身4倍直径范围内的应力值，同时显著降低在焊接接头处热影响区的应力集中，避免了焊接接头的超低周疲劳问题，从而有效提高栓钉在往复荷载作用下的抗剪承载能力。
现有的另一种栓钉结构是在普通栓钉的底部设置有底座，从而使栓钉与板件焊接部分的面积增大，而本实施方式的抗剪栓钉通过栓钉杆身外轮廓曲线的优化，不仅缓解了栓钉与板材连接处的应力集中，而且将栓钉4倍直径范围内的应力扩散，用最少的材料获得栓钉的极限抗剪承载力极大程度的提高。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在栓钉杆2的下部杆身2-2的高度为d处，栓钉杆2的直径为1.2～1.4d。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是在栓钉杆2的下部杆身2-2的高度为3d处，栓钉杆2的直径为1.1～1.2d。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是圆柱底段3的厚度为4～6mm。
本实施方式采用螺柱焊焊接抗剪栓钉时，圆柱底段3作为圆柱熔化段，以保证杆底直径为2d。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是栓钉杆2的杆底直径为2.5d。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是在圆柱底段3的下表面中心处设置有引弧结4。
本实施方式的引弧结用于螺柱焊通电引弧。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是在栓钉杆2的下部杆身2-2上还套设有瓷环5。
本实施方式所述的瓷环5具有与栓钉杆的下部杆身喇叭形贴合的内壁轮廓。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是圆柱底段3的外表面设有外螺纹3-1。
本实施方式通过螺纹连接抗剪栓钉与板件，板件上设有与圆柱底段外螺纹配合的内螺纹。
实施例：本实施例抗剪栓钉包括栓钉杆2与栓帽1，栓钉杆2的高度为92mm，在栓钉杆2的顶部设置有栓帽1，栓帽1的直径为29mm，栓钉杆2的上部杆身2-1的钉杆直径为d＝16mm，栓钉杆2的下部杆身2-2呈喇叭锥形并随钉杆的轴向向下杆身的直径逐渐增大，栓钉杆2的下部杆身2-2的高度为5d，栓钉杆2的杆底直径为40mm，在栓钉杆2的杆底还设有厚度为6mm的圆柱熔化段3。
将本实施例的抗剪栓钉与板件表面接触，套上瓷环，通电引弧，待接触面熔化后，施加新型栓钉一定压力完成焊接。
本实施例抗剪栓钉的外轮廓采用样条曲线，以对称轴和底面边线分别为y轴和x轴，样条基准点为(8,80)、(10,64)、(12,16)以及(20,0)，以此四点为基点绘制了如图6所示样条曲线作为外轮廓曲线。
采用通用有限元软件ABAQUS，对普通直径16mm的栓钉(如图1所示)与本实施例直径16mm的栓钉的抗剪承载力进行有限元模拟分析，通过对比说明新型栓钉在提高往复荷载作用下抗剪钢筋的抗剪承载力有非常明显的优势。
试件由两个混凝土块体与钢梁组成，钢梁翼缘焊接了栓钉，每侧四个。进行栓钉抗剪承载力试验时，将混凝土底部固定，在钢梁上施加竖向荷载，将荷载均分得到栓钉的平均抗剪承载力，加载示意图如图7所示。
钢结构部分包括栓钉和钢梁，采用合并(Merge)连为整体。其中单元类型选择C3D8R减缩积分三维实体单元。对于边界条件与相互作用的定义，约束混凝土，并在钢结构部分中钢梁一侧施加水平力，同时，定义钢结构部分与混凝土接触面内的切向摩擦(Penalty)与法向应接触(Hard contact)。对于材料的本构模型定义，混凝土采用塑性损伤本构模型(concrete damaged plasticity)，钢材采用理想弹塑性模型(plasticity)，本构模型中各类材料的强度等级如下:混凝土强度等级为C40，钢板为Q345，栓钉为Q235。
其中，混凝土弹性模量为3.02×104Mpa，膨胀角为32°，抗拉强度与抗压强度比值为0.1，双轴抗压强度与单轴抗压强度比值为1.6，偏心率为0.667，粘性系数为0.001。栓钉的屈服强度440MPa，极限抗拉强度为520MPa，钢梁的屈服强度为345MPa。
图8所示为抗剪栓钉与普通栓钉抗剪承载力荷载位移曲线对比图，从图中可以看出，抗剪栓钉可以极大程度上提高屈服极限抗剪承载力，普通栓钉的极限抗剪承载力为34.584kN，而抗剪栓钉的极限抗剪承载力为76.387kN，是普通栓钉的2.21倍。当抗剪滑移量均达到普通栓钉抗剪滑移量的极限时(2.23mm)，抗剪栓钉的抗剪承载力为58.088kN，为普通栓钉的1.68倍，并且当抗剪栓钉达到普通栓钉的极限抗剪承载力时的抗剪滑移量也是普通栓钉极限抗剪滑移量的2.9倍。
当普通栓钉达到极限抗剪承载力时，焊接接头以及钉身同时受拉，并出现应力集中在焊接接头处，而实施例中的抗剪栓钉达到极限抗剪承载力时，焊接接头与钉身都是一侧受压，另一侧受拉，焊接接头没有出现应力集中，而是在钉身上有应力集中。从应力值分析，抗剪栓钉的应力值远低于普通栓钉的应力值，在达到极限抗剪承载力时，抗剪栓钉也刚进入屈服平台，而普通栓钉则基本达到了极限抗拉强度。以往在栓钉往复荷载作用下的抗剪承载力研究中，栓钉的极限抗剪承载力取决于栓钉与焊接接头的连接处进入屈服时的抗剪承载力，而抗剪栓钉在达到极限抗剪承载力时，栓钉与焊接接头连接处依然处于弹性阶段，可以说，抗剪栓钉在往复荷载作用下的极限抗剪承载力与单向荷载作用下的极限抗剪承载力相近，从而极大程度上提高了栓钉在往复荷载作用下的极限抗剪承载能力。

Claims (8)

1.一种抗剪栓钉，其特征在于该抗剪栓钉包括栓钉杆(2)与栓帽(1)，在栓钉杆(2)的顶部设置有栓帽(1)，栓钉杆(2)的上部杆身(2-1)的钉杆直径为d，栓钉杆(2)的下部杆身(2-2)呈喇叭锥形并随钉杆的轴向向下杆身的直径逐渐增大，栓钉杆(2)的下部杆身(2-2)的高度为5d，栓钉杆(2)的杆底直径为2～2.5d，在栓钉杆(2)的杆底还设有圆柱底段(3)。
2.根据权利要求1所述的一种抗剪栓钉，其特征在于在栓钉杆(2)的下部杆身(2-2)的高度为d处，栓钉杆(2)的直径为1.2～1.4d。
3.根据权利要求2所述的一种抗剪栓钉，其特征在于在栓钉杆(2)的下部杆身(2-2)的高度为3d处，栓钉杆(2)的直径为1.1～1.2d。
4.根据权利要求1所述的一种抗剪栓钉，其特征在于是圆柱底段(3)的厚度为4～6mm。
5.根据权利要求1所述的一种抗剪栓钉，其特征在于栓钉杆(2)的杆底直径为2.5d。
6.根据权利要求4所述的一种抗剪栓钉，其特征在于在圆柱底段(3)的下表面中心处设置有引弧结(4)。
7.根据权利要求6所述的一种抗剪栓钉，其特征在于在栓钉杆(2)的下部杆身(2-2)上还套设有瓷环(5)。
8.根据权利要求1所述的一种抗剪栓钉，其特征在于圆柱底段(3)的外表面设有外螺纹(3-1)。
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