压型钢板-UHPC组合连接件抗剪性能试验研究

Shear Performance Test of Profiled Steel Sheet-UHPC Composite Connectors

摘要

为研究新型自攻螺钉连接的压型钢板-超高性能混凝土（ultra-high performance concrete， UHPC）组合连接件的抗剪性能，对15组组合连接件开展了推出试验研究，测试并分析了自攻螺钉的直径、埋深、埋深与直径比值（长径比）及间距等参数对连接件抗剪承载性能的影响。试件所用压型钢板厚度为1.2 mm。结果表明：自攻螺钉直径、长径比对连接件的破坏模式与抗剪承载力影响显著；当螺钉直径较小（4.2 mm、4.8 mm）时，螺钉的横截面相对较小，连接件发生自攻螺钉剪断破坏；当螺钉直径较大（5.5 mm、6.3 mm）时，螺钉抗剪承载力提高，压型钢板因厚度较小，孔壁压屈失效先于螺钉剪断，连接件以钢板孔壁承压-螺钉剪切组合失效为主，建议螺钉直径不小于4倍板厚。连接件的抗剪承载力随螺钉埋深增大总体呈上升趋势；当螺钉直径较大（6.3 mm）或螺钉直径与板厚比值较大时，连接件的抗剪承载力主要由孔壁承压强度控制；螺钉埋深与直径比值不小于3.52时，未发生拔出失效；螺钉间距与直径比值超过7.0时，间距对连接件抗剪承载力影响较小。对比现行相关规范中连接件的计算方法可知，《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB/T 50018—2025）与Eurocode 4中对螺钉剪切失效承载力的预测方法可较好预测自攻螺钉的剪切破坏承载力。

Abstract

To investigate the shear performance of novel profiled steel sheet-ultra-high performance concrete （UHPC） composite connectors fastened by self-tapping screws， 15 groups of push-out tests were conducted on the composite connector specimens. The effects of screw diameter， embedded depth， embedded depth-to-diameter ratio， and screw spacing on the shear-bearing performance of the connectors were tested and analyzed. The thickness of the profiled steel sheets used in the specimens was 1.2 mm. The test results show that the screw diameter and embedded depth-to-diameter ratio of self-tapping screw have a significant impact on the failure mode and shear-bearing capacity of the connectors. When the screw diameter was small， such as 4.2 mm and 4.8 mm， the cross-sectional area of the screw was relatively small， and shear failure of the self-tapping screw occurred. When the screw diameter was larger， such as 5.5 mm and 6.3 mm， the load required for screw shear failure increased due to the larger screw diameter. In contrast， because the profiled steel sheet was relatively thin， bearing buckling failure of the hole wall occurred before the screw shear failure， resulting in a combined failure mode of screw bearing and screw shearing. It is recommended that the screw diameter should be no less than four times the steel sheet thickness. The shear-bearing capacity of the connector generally increased with the embedded depth of the screw. However， when the screw diameter was large （6.3 mm） or the ratio of screw diameter to sheet thickness was large， the shear-bearing capacity of the connector was mainly governed by the bearing strength of the hole wall. No screw pull-out failure occurred when the embedded depth-to-diameter ratio was not less than 3.52. When the screw spacing-to-diameter ratio exceeded 7.0， the shear-bearing capacity of the connector was less sensitive to the screw spacing. A comparison among the calculation methods in current relevant codes showed that the bearing capacity prediction methods for screw shear failure in Technical code of cold-formed thin-wall steel structures（GB/T 50018—2025） and Eurocode 4 can reliably predict the shear-bearing capacity of self-tapping screws in the profiled steel sheet-UHPC connectors.

Graphical abstract

关键词

压型钢板-UHPC组合连接件 / 自攻螺钉 / 抗剪性能 / 推出试验 / 抗剪承载力

Key words

profiled steel sheet-ultra-high performance concrete（UHPC） composite connector / self-tapping screw / shear performance / push-out test / shear-bearing capacity

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete， UHPC）具有超高强度、良好延性、高韧性与优异耐久性等优点^［1］。UHPC与压型钢板组合而成的组合结构承载力高、用钢量小，且可省去底模拆除工序，施工便捷高效。为实现UHPC与压型钢板的协同受力，需合理设计组合界面连接件；但压型钢板厚度通常较小（≤3.0 mm），仅适合采用自攻螺钉类连接件。自攻螺钉广泛应用于冷弯薄壁型钢结构连接中^［2-6］，张文莹等^［7］、卢林枫等^［8］、HUYNH等^［9-10］的研究表明，自攻螺钉直径、埋深、排列方式等参数对冷弯型钢自攻螺钉连接件的抗剪性能影响显著，并提出了连接件的抗剪强度计算方法。CAI等^［11］、ROY等^［12］对高强冷弯型钢螺栓连接开展了试验研究，考虑螺栓形状、数量与间距等参数影响，发现螺栓会出现承压、倾斜、拉伸和剪切等不同破坏模式；相关学者^［13-15］研究了UHPC与钢材通过栓钉连接的连接件抗剪性能，结果表明栓钉直径、混凝土强度及钢纤维体积掺量对连接件抗剪强度和初始刚度均有影响，而栓钉长度对初始刚度影响较小。国内外学者对压型钢板-普通混凝土组合结构的受力性能开展了相关研究^［16-18］，发现压型钢板与混凝土界面的机械咬合作用较弱，抗剪连接件类型会影响试件的失效模式。

目前，针对压型钢板-UHPC组合结构及连接件的研究尚未见公开报道。本文对15组自攻螺钉连接的压型钢板-UHPC组合连接件开展了推出试验研究，测试分析自攻螺钉间距、埋深、直径及长径比对连接件的抗剪失效模式与承载性能的影响，并对比相关规范抗剪承载力计算公式与试验结果，探讨新型自攻螺钉连接的压型钢板-UHPC组合连接件的抗剪承载力计算方法。

1 试件设计

压型钢板-UHPC组合连接件试件设计如图1所示，主要试件参数见表1。连接件采用自攻螺钉连接，螺钉型号为ST4.2、ST4.8、ST5.5、ST6.3；压型钢板型号为YL75-200-600，钢材牌号为S355，钢板厚度为1.2 mm。自攻螺钉安装时，按规范要求在钢板上预钻小孔，再用手提电钻将螺钉攻入孔内。根据自攻螺钉布置间距、直径、埋深不同，共设置15组试件，每组3个试件。图1中，ɛ₁~ɛ₅为压型钢板表面的应变测点。表1中试件编号用于表征不同试件的主要设计变量，编号形式为“T-D-d-e”。其中，T表示压型钢板-UHPC组合连接件试件类型，D表示自攻螺钉布置间距，d表示自攻螺钉直径，e表示自攻螺钉公称长度。通过上述编号方式，可直观区分不同螺钉间距、螺钉直径和埋深条件下的试件。对于同一参数组合下的平行试件，试件编号后括号中的1、2、3分别表示同组试件中的第1、第2、第3个平行试件（图6）。

2 试验方案

压型钢板-UHPC组合连接件推出试验装置如图2所示。参考文献［19］，将试件前端伸出的压型钢板用高强螺栓固定于试验台座上翼缘（宽度略小于压型钢板平直段），通过对高强螺栓施加预紧力来限制加载过程中压型钢板水平位移。在试件顶面铺设聚四氟乙烯板，板上放置压重块与另一块聚四氟乙烯板，采用门式限位装置并对两侧长门架螺杆施加预紧力，限制试件竖向位移。通过固定于反力架的千斤顶施加水平推力，在加载端部焊接辅助板以降低加载点高度（距钢-混凝土接触面约3 mm），最大程度减小水平力竖向偏移的影响。

试验按自攻螺钉预估抗剪承载力的10%进行分级加载。当试验荷载降至峰值荷载的75%或试件变形超过15 mm时^［20］，判定试件失效。在压型钢板下部靠近工字钢底座的自攻螺钉孔壁中部布置应变片（图1a）），记录加载过程中压型钢板孔壁应变；在试块端部界面上方UHPC底面布置水平位移计，测量混凝土块端部位移。

3 材料性能指标

受实验室混凝土搅拌机容量限制，试件制作中UHPC分两批搅拌。依据《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）^［21］和《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）^［22］，对两批次UHPC标准试块进行材性测试。采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试块测试混凝土劈裂抗拉强度f_ts与抗压强度f_c；采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试块测试混凝土轴心抗压强度f_cp与弹性模量E_c。两批次UHPC主要力学性能指标见表2。第1、2批次试件抗压强度平均值分别为142.7 MPa、124.74 MPa，弹性模量平均值分别为46.5 GPa、43.33 GPa。

按照《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2021）^［23］中单轴拉伸试验方法，测定压型钢板材性指标；自攻螺钉材性指标由厂家提供，见表3。表中E_s、σ_y、σ_u分别为钢材的弹性模量、屈服强度、极限强度，ε_y、ε_u分别为钢材的屈服应变和极限应变。

4 试验结果与分析

4.1 试验现象分析

试验共观察到三种失效模式：（1） 螺钉剪切失效：自攻螺钉受剪变形直至剪断；（2） 螺钉拔出失效：自攻螺钉从UHPC中被部分拔出；（3） 板件孔壁承压-螺钉剪切组合失效：孔壁受压钢板挤压堆积形成褶皱，最终发生破坏。各试件失效模式见表1。由表1可知：当螺钉直径为4.2 mm、4.8 mm时，螺钉直径与压型钢板厚度（1.2 mm）比值不大于4，钉杆横截面相对较小，试件主要发生自攻螺钉剪切破坏（图3a））。当螺钉嵌入UHPC的长度较短时（如试件T-50-4.2-9.5），钉身与UHPC嵌固力较小，荷载增大后自攻螺钉受剪力和弯矩的作用发生倾斜，直至部分或全部螺钉被拔出（图3b））。当螺钉直径为5.5 mm、6.3 mm时，钉杆横截面相对较大，直径与板厚比值分别为4.58、5.25，钉杆抗剪能力高于孔壁承压能力，试件发生孔壁承压-螺钉剪切组合失效（图3c））；钢板的螺钉孔壁受压变形明显且沿推力方向伸长，荷载持续增大后孔壁挤压堆积形成褶皱，最终破坏。

4.2 影响因素分析

将各试件所测得的承载力峰值除以螺钉数量，得到单个螺钉承载力P_max，exp，见表1；同组试件取平均值即为表1中的P_max，av。根据试验结果，分别分析螺钉直径、埋深与间距的影响，典型试验结果如图4所示。由图4可知：（1） 图4a）、b）中，取螺钉间距为50 mm，螺钉直径分别4.2 mm、4.8 mm、5.5 mm、6.3 mm的试件组进行分析，连接件的抗剪承载力随螺钉埋深与螺钉直径增大而提高。螺钉直径由4.2 mm依次增至4.8 mm、5.5 mm、6.3 mm时，承载力增幅分别为48.82%、27.77%、14.64%。钉长较短时，螺钉与混凝土相互嵌合力较小，易出现拔出破坏，自攻螺钉抗剪作用无法充分发挥。（2） 同一螺钉直径的试件，埋深增至一定值后，对试件抗剪承载力的影响减弱。当螺钉长径比为3.52、4.96、4.32时，增大埋深对单钉抗剪承载力影响极小；螺钉直径为6.3 mm时，抗剪承载力随螺钉埋深增大略有下降。原因在于，螺钉直径较小、长径比较小时，连接件的抗剪承载力主要由嵌固力与螺钉抗剪承载力决定，随长径比增大而提高；长径比达到一定值后，对承载力的影响显著减弱。螺钉直径较大时，连接件的抗剪承载力主要由压型钢板孔壁承压强度控制，继续增大长径比，连接件的抗剪承载力反而小幅下降。（3） 图4c）为试件组T-30-4.2-16、T-40-4.2-16、T-50-4.2-16的测试结果：单钉承载力随螺钉间距增大略有降低；间距由30 mm依次增至40 mm、50 mm时，承载力降幅分别为1.2%、7.7%，表明螺钉间距对单钉承载力影响较小。

4.3 荷载-应变曲线

根据压型钢板下部靠近工字钢底座的螺钉孔壁处应变片（图1a））实测数据，绘制自攻螺钉直径为4.2 mm、4.8 mm、5.5 mm、6.3 mm各组代表性试件的孔壁应变随推出荷载变化的关系曲线，如图5所示。由图5可知，自加载端由近及远，测点应变逐渐递减，表明加载端附近的自攻螺钉承担了更多的界面剪力，远端螺钉受力较小，界面剪力传递不均匀。

连接件失效时，距加载端最近的孔壁钢板率先屈服，承担了主要剪力传递作用；螺钉孔壁在破坏过程中产生了明显塑性变形，塑性性能得到充分发挥。不同螺钉直径的试件其荷载-应变分布规律相似，螺钉直径较大的试件应变值更大，表明增大螺钉直径可提升界面连接的抗剪性能。

4.4 荷载-位移曲线

不同失效模式典型试件的荷载-位移曲线如图6所示，主要特征如下：（1） 螺钉剪切失效（图6a））：加载初期，位移随荷载增加呈线性增长趋势；接近峰值荷载之前，位移呈越来越明显的非线性增长趋势；达到峰值荷载后承载力骤降，试件破坏呈明显脆性。（2） 螺钉拔出失效（图6b）），加载初期位移随荷载的增加呈线性增长趋势，达到峰值荷载之前，位移同样呈越来越明显的非线性增长趋势；达到峰值荷载后承载力缓慢下降，试件的极限荷载低于同直径螺钉试件剪切失效时的极限荷载，峰值荷载对应的位移显著增大，故试件破坏具有一定延性。（3） 孔壁承压-螺钉剪切组合失效（图6c））：加载初期位移随荷载线性增长，峰值荷载前，试件的荷载-位移曲线出现一段明显的屈服平台，故试件失效时表现出良好延性；因钢板堆叠撕裂过程具有随机性，同组不同试件的荷载-位移曲线在峰值前后差异较大。

4.5 抗剪承载力计算方法

栓钉与自攻螺钉抗剪承载力相关规范计算公式见表4，其中Eurocode 4^［24］、AASHTO LRFD-8th-2017^［25］、《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）^［26］适用于组合连接件中栓钉连接件破坏预测；《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB/T 50018—2025）^［27］、ANSI/AISC 360-16^［28］适用于钢板连接自攻螺钉剪切破坏预测。结合前述材性试验指标，将由规范Eurocode 4^［24］、AASHTO LRFD-8th-2017^［25］、《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）^［26］、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB/T 50018—2025）^［27］和ANSI/AISC 360-16^［28］所得计算结果P_EC4、P_AA、P_GB17、P_GB18和P_AISC分别与试验值P_max，exp对比，比值见图7，δ为规范计算结果与试验结果比值的方差。

图7中，P_code为规范计算值，P_exp为试验值。由P_code/P_exp可以发现，规范计算结果P_AA、P_GB17与试验值的平均比值分别为1.97、2.49，可见两类计算方法得到的自攻螺钉连接件抗剪承载力预测结果均显著偏高；P_AISC规范计算值与试验值的平均比值为0.67，说明该规范计算结果偏于保守。P_EC4、P_GB18与试验值的平均比值分别为1.05、1.26，可见Eurocode 4与《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）^［26］均可较好预测自攻螺钉连接件的抗剪承载力。

5 结论

通过15组自攻螺钉连接的压型钢板–UHPC组合连接件推出试验，分析螺钉直径、埋深、长径比及间距对连接件失效模式与承载力的影响，主要结论与建议如下：

（1） 螺钉直径为4.2 mm、4.8 mm时，螺钉直径与压型钢板板厚比值不大于4，连接件因螺钉杆身剪切失效破坏，破坏呈明显脆性；其余试件以孔壁承压-螺钉剪切组合失效为主。建议螺钉直径与板厚比值不宜小于4。

（2） 连接件的抗剪承载力随螺钉埋深增大总体呈上升趋势；螺钉直径较大（6.3 mm）或直径与板厚比值较大时，抗剪承载力由孔壁承压强度控制。螺钉直径为4.2 mm、埋深较浅（9.5 mm，长径比为1.98）时发生拔出失效，连接件极限荷载显著降低；长径比大于3.52的试件均未出现拔出破坏。建议自攻螺钉埋深不小于4d。

（3） 螺钉间距与直径比值均大于7.0时，无明显群钉效应，连接件抗剪承载力受间距影响较小，主要取决于螺钉杆身抗剪能力与压型钢板孔壁承压能力。

（4） 对比规范计算值与试验值可知：AASHTO LRFD-8th-2017与《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）明显高估连接件的抗剪承载力，ANSI/AISC 360-16偏保守；《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB/T 50018—2025）与Eurocode 4可较好预测本文压型钢板-UHPC组合连接件自攻螺钉的抗剪承载力。

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