钢结构连接节点建筑材料力学性能测试的抗剪强度评估要点

钢结构连接节点是结构传力的核心环节，其抗剪强度直接决定了结构的整体稳定性与安全性。作为连接节点力学性能测试的关键指标，抗剪强度评估需综合考虑样本制备、测试方法、加载控制、数据采集等多维度因素——任何环节的疏漏都可能导致评估结果偏离实际，进而影响结构设计的可靠性。本文围绕钢结构连接节点抗剪强度评估的核心要点展开，从样本制备到数据处理，逐一拆解保证评估准确性的关键环节，为测试实践提供可操作的技术指引。

测试样本的制备：从源头上规避评估误差

样本是抗剪强度测试的基础，其质量直接决定结果的可靠性。首先，样本尺寸需严格遵循规范要求——以GB 50017《钢结构设计标准》为例，搭接节点样本的搭接长度应不小于5倍板厚，螺栓孔直径需比螺栓杆大1~2mm，确保受力时螺栓能自由穿入。其次，样本材料需保证一致性：应选用同批次、同牌号的钢材，且进行材质复验（如拉伸试验验证屈服强度与抗拉强度），避免因材质不均匀导致结果离散。

加工工艺同样关键：样本切割需采用等离子切割或机械剪切，避免气割产生的热影响区；边缘毛刺需用砂轮打磨至R0.5mm以下，防止应力集中引发过早破坏。此外，样本数量需满足统计要求——根据GB/T 14452《金属材料 弯曲试验方法》，平行样本数量不应少于3个，以确保结果具有统计意义；若样本离散性过大（变异系数超过10%），需增加样本量重新测试。

测试方法的选择：匹配节点的实际受力特征

不同连接节点的受力工况差异显著，需选择对应的测试方法。单剪试验适用于单面搭接节点（如檩条与钢梁的连接），其受力模式为“一侧受拉、一侧受压”，但因存在偏心弯矩，结果易偏于保守；双剪试验更接近实际对称受力（如钢柱对接的双面搭接节点），通过上下两块盖板均匀传递剪力，测试结果更贴合真实工况，是焊接与高强螺栓节点的首选方法。

对于高强螺栓连接，扭矩剪试验更具针对性：通过扭矩扳手施加预拉力，模拟螺栓的实际工作状态（预拉力+剪力），评估“摩擦力+螺栓杆剪切”的复合抗剪机制；而焊接节点则需采用“焊缝抗剪试验”，测试焊缝金属与热影响区的共同抗剪能力——需注意，焊缝样本的焊脚尺寸需符合设计要求，且焊缝表面不得有气孔、夹渣等缺陷，避免因焊缝质量导致抗剪强度偏低。

加载控制：还原节点的真实受力历程

加载速率是影响抗剪强度的重要因素。准静态加载（加载速率0.5~2mm/min）是最常用的方式，符合GB/T 1591《低合金高强度结构钢》的要求——速率过快会导致钢材塑性变形不充分，表现为抗剪强度偏高但塑性降低；速率过慢则可能因应力松弛导致结果偏低。对于承受反复荷载的节点（如地震区的框架节点），需采用循环加载制度：按“加载-卸载-反向加载”的程序，记录每次循环的峰值荷载与残余变形，评估节点的抗剪疲劳性能。

加载的均匀性同样不可忽视：加载头需与样本中心线对齐，偏差不得超过0.5mm，避免产生附加弯矩；对于螺栓连接样本，需确保螺栓预拉力达到设计值（如10.9级螺栓的预拉力为155kN），通过扭矩扳手或轴力传感器验证——若预拉力不足，接触面摩擦力会下降，导致抗剪强度明显降低。

试件安装：消除附加应力的干扰

安装精度直接影响测试结果的准确性。对于搭接节点，上下板的对齐偏差需控制在0.2mm以内，螺栓孔的同心度偏差不得超过0.5mm——若对齐不良，剪力会转化为扭矩，导致螺栓杆受扭剪断，而非纯剪切破坏。对于焊接节点，焊缝间隙需严格按设计要求控制（如角焊缝的间隙为0~2mm），间隙过大易导致焊缝未熔合，过小则会产生烧穿缺陷，两者都会降低抗剪强度。

夹具的选择也很重要：需采用与样本形状匹配的刚性夹具（如焊接节点用“U型夹具”固定，螺栓节点用“螺栓定位夹具”），避免夹具变形导致荷载传递不均。安装完成后，需通过百分表测量样本的初始位移，确保无初始应力——若样本存在弯曲变形，需先进行校直，或在数据处理时扣除初始位移。

传感器布置与数据采集：精准捕捉力学响应

应变片与力传感器的布置需贴合节点的受力特点。对于螺栓连接，应变片应贴在螺栓杆的中间位置（剪切面处），测量螺栓的剪应变；同时在连接板表面贴应变片，记录接触面的滑移变形。对于焊接节点，应变片需贴在焊缝两侧的母材上（距离焊缝边缘2倍板厚处），监测热影响区的应变分布——需注意，应变片的粘贴方向需与剪力方向一致，避免横向应变干扰。

数据采集需保证高频与同步：力传感器的采样频率应不低于100Hz，应变片的采样频率不低于50Hz，确保捕捉到失效瞬间的峰值荷载与应变突变。数据采集系统需提前校准（如用标准砝码校准力传感器，用应变校准仪校准应变片），避免系统误差——若采集到的数据出现“跳点”（如力值突然增大或减小），需检查传感器连接是否松动，或样本是否发生滑移。

材料本构的影响：从钢材特性到抗剪性能

钢材的本构关系（应力-应变曲线）直接决定抗剪强度。屈服强度高的钢材（如Q460），其抗剪强度通常也高（抗剪强度约为屈服强度的0.5~0.6倍），但塑性较好的钢材（如Q235）能承受更大的塑性变形，失效模式更趋于延性（如螺栓杆剪断前有明显的颈缩）。冷加工会改变钢材的本构：冷弯后的钢材屈服强度提高10%~20%，但塑性降低，抗剪强度评估需考虑冷加工硬化的影响——可通过拉伸试验获取冷加工后的屈服强度，再修正抗剪强度公式。

钢材的各向异性也需关注：轧制方向的抗剪强度比横向高5%~10%，因轧制使晶粒沿轧制方向排列，抗剪能力更强。因此，样本需标记轧制方向，测试时确保剪力方向与轧制方向一致，避免因方向错误导致结果偏低。

连接形式差异：针对性评估抗剪机制

不同连接形式的抗剪机制完全不同，需针对性评估。高强螺栓连接的抗剪由“接触面摩擦力”与“螺栓杆剪切”共同承担：当荷载较小时，摩擦力抵抗剪力；当荷载超过摩擦力（滑移荷载），螺栓杆开始受剪。评估时需先测试摩擦面的抗滑移系数（μ），再通过公式计算抗剪承载力（Nvb=0.9nfuP，其中nf为摩擦面数量，u为抗滑移系数，P为预拉力）。

焊接节点的抗剪机制是“焊缝金属的剪切”与“母材的承载”：角焊缝的抗剪强度取决于焊脚尺寸（hf）与焊缝长度（lw），公式为Nvw=0.7hf lw fvw（fvw为焊缝抗剪强度设计值）；坡口焊缝的抗剪强度则取决于焊缝厚度（t）与长度（lw），公式为Nvw=t lw fvw。评估时需注意，焊缝的熔深需达到板厚的80%以上，否则会因未熔合导致抗剪强度下降。

失效判定：明确抗剪强度的终止阈值

失效判定是抗剪强度评估的核心——需结合视觉观察与数据采集，明确“何时算真正破坏”。对于高强螺栓连接，失效模式有两种：一是螺栓杆剪断（表现为荷载-位移曲线急剧下降，螺栓杆出现颈缩），二是接触面滑移（表现为位移突然增大，荷载保持不变）。判定时需以“滑移荷载”作为摩擦型螺栓的抗剪强度，以“螺栓杆剪断荷载”作为承压型螺栓的抗剪强度。

焊接节点的失效模式通常为“焊缝开裂”或“母材撕裂”：焊缝开裂表现为焊缝表面出现裂纹（可通过放大镜观察），同时应变片数据突然增大；母材撕裂则表现为母材出现颈缩或断裂，荷载-位移曲线出现拐点。失效判定需遵循“三原则”：荷载下降至峰值的80%、位移达到样本厚度的5%、出现明显的宏观裂纹——满足任意一条即可判定失效。

需避免过早判定失效：如焊接节点在加载初期可能出现微小裂纹（长度小于1mm），这是正常的塑性变形，并非真正破坏；需继续加载至裂纹扩展至焊缝长度的1/3，或荷载下降至峰值的80%，再判定失效。对于螺栓连接，若样本因螺栓孔错位导致过早滑移，需视为无效样本，重新测试。

数据处理：从原始数据到有效结论

数据处理需遵循统计学原则，确保结果可靠。首先，去除异常值：若某样本的抗剪强度比平均值低20%以上，且原因是加工缺陷（如螺栓孔偏心、焊缝夹渣），需将其剔除。其次，计算统计参数：平均值（x̄）反映抗剪强度的平均水平，标准差（s）反映离散性，变异系数（CV=s/x̄）反映结果的稳定性——CV≤10%为合格，否则需增加样本量重新测试。

结果验证也很重要：将测试结果与规范公式计算值对比（如高强螺栓的抗剪强度计算值Nvb=0.9nfuP），若偏差超过15%，需检查测试环节（如预拉力是否达标、摩擦系数是否准确）。最后，给出抗剪强度的最终结论：需包含平均值、标准差、变异系数，以及对应的置信区间（如95%置信区间），确保结论具有科学性与参考性。