组合楼盖作为冷弯薄壁型钢结构住宅中的水平结构体系，起着承受竖向荷载和传递水平荷载的作用。楼盖采用自攻螺钉将压型钢板与冷弯薄壁型钢梁进行连接，并在压型钢板上浇筑混凝土或石膏基自流平砂浆组成一种共同受力、协同变形的结构体系。其中，自攻螺钉连接的抗剪性能是影响组合楼盖平面内、外受力性能的重要因素^[1-2]，楼盖的破坏主要发生在自攻螺钉连接处^[2]。

目前，国内外学者对钢板-钢板自攻螺钉连接件^[3-4]和钢板-非钢板自攻螺钉连接件^[5-6]进行了大量的抗剪性能试验，讨论了自攻螺钉直径、面板材料、连接板材厚度、螺钉端距以及加载速度等因素对连接件受剪性能的影响，分析了螺钉连接件的破坏机理和受力特点，并基于试验结果提出了螺钉连接的设计方法^[7-8]。我国规范《冷弯薄壁型钢结构设计规范》(GB 50018-2002)^[9]提出了钢板-钢板单颗自攻螺钉连接抗剪承载力的设计方法。石宇^[10]对钢板-非钢板自攻螺钉连接件进行了抗剪试验，提出了单颗螺钉抗剪承载力的计算公式。

钢板-钢板自攻螺钉连接件抗剪试验研究了单颗自攻螺钉发生连接破坏时的极限抗剪承载力，破坏模式主要为螺钉被剪断、螺钉倾斜拔出以及板件承压破坏等。在实际工程中的组合楼盖，当承受水平荷载而发生面内破坏时，楼盖周边的自攻螺钉连接会被剪断或拔出，但部分自攻螺钉仅发生倾斜现象，甚至并未发生破坏^[2]，故不能仅以钢板-钢板自攻螺钉连接件的抗剪性能去分析整个组合楼盖的受力行为。

因此，本文按照组合楼盖中冷弯薄壁型钢梁与组合板之间自攻螺钉连接的真实受力状态，对自攻螺钉连接推出试件的抗剪性能进行研究，并将推出试件中单颗自攻螺钉的抗剪承载力与冷弯薄壁型钢结构设计规范理论公式计算结果进行对比分析。

1 螺钉连接静载推出试验 1.1 推出试件设计

4个冷弯型钢构件与组合板自攻螺钉连接推出试件的尺寸及构造见表 1，其中试件TS-1、TS-2和TS-3改变了推出试件中的抗剪构造措施，试件TS-1和TS-4改变了推出试件中的楼面板材料。

推出试件中的冷弯型钢构件为2个截面尺寸为C254 mm×40 mm×13 mm×1.5 mm的C形梁背靠背连接组成的工字形截面，高度为535 mm，设计原因是为了避免单个C形冷弯型钢构件在竖向加载时易扭转及发生偏心的不利影响。为防止加载端发生破坏，设置了2个C形冷弯型钢加劲件，其截面尺寸为C100 mm×35 mm×15 mm×1.5 mm，各C形冷弯型钢构件之间采用ST4.8自攻螺钉进行连接。组合板中的压型钢板厚度为0.75 mm，规格为YX14-63-820 mm，与冷弯型钢构件之间采用ST5.5自攻螺钉进行连接，每侧设置4颗。为保证在竖向荷载作用下，冷弯型钢构件与组合板之间具有足够的变形空间，将组合板伸出冷弯型钢构件60 mm。推出试件的详细构造见图 1所示。

推出试件中石膏基自流平砂浆面板和混凝土面板的设计厚度均为40 mm，强度等级均为C30。推出试件TS-2在组合板内设置了1层钢丝网，网孔尺寸为60 mm×60 mm，钢丝直径为1.9 mm；钢丝网与压型钢板之间通过ST4.8自攻螺钉和钢夹片进行连接，间距为125 mm。在推出试件TS-3螺钉位置处设置Z形冷弯薄壁抗剪件，厚度为1.5 mm，宽度为20 mm，高度为25 mm。

1.2 材料性能试验

按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)^[11]的制作规定，钢材拉伸试件为板状试样，从冷弯薄壁型钢构件腹板切取3个矩形横截面比例试样及从压型钢板切取3个非比例试样，采用WDW3330微控制电子万能试验机进行拉伸试验，试件编号及材性试验结果见表 2。

浇筑推出试件面板时，留置100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块及100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，同条件养护28 d后，采用WAW31000微机控制电液伺服万能试验机对立方体试块进行抗压试验，并对棱柱体试块进行弹性模量试验，试验结果见表 3。

1.3 试验装置和测点布置

试验采用电液伺服作动器施加竖向荷载，采用DH3816静态应变测试系统采集力和位移数据。试验加载装置如图 2(a)，推出试件放置于刚性台座顶面，作动器固定于反力门架，对试件施加轴向荷载。试验加载前，为保证推出试件与刚性台座接触紧密，预先在推出试件底部铺设细砂。采用YHD-100型位移传感器测取冷弯型钢构件与组合板之间的相对位移，位移计架设位置见图 2(b)。

1.4 试验加载制度

先对推出试件进行几何对中，然后施加竖向荷载，试验分两步进行加载：1) (预加载)：分三级施加3 kN的预压力，后分三级卸完，每次操作持续时间为3 min。在预加载阶段，通过位移数据检查位移计的工作状态，保证推出试件与加载装置之间接触良好，然后方可正式加载。2)(正式加载)：试验采用荷载-位移混合控制加载方式。加载初期，采用荷载控制加载方式，以每级级差1 kN进行加载；当加载至90%的预估极限荷载时，改为以每级级差0.5 kN进行加载。加载后期，当推出试件承载力降低时，改用位移控制加载方式，以每级级差0.4 mm进行加载，直至荷载降低至极限荷载的50%为止。每级加载持续时间为3 min。

2 螺钉连接静载推出试验现象 2.1 试件TS-1

荷载作用初期，荷载-位移曲线呈线性变化。当荷载加载至35 kN时，压型钢板与冷弯薄壁型钢构件螺钉连接发生倾斜现象(图 3(a))，随后石膏基自流平砂浆面板下部螺钉位置处突然开裂(图 3(b))，砂浆面板与压型钢板脱离，但未脱落。

当位移加载至13 mm时，推出试件上部螺钉位置处的石膏基自流平砂浆面板突然开裂(图 3(c))，压型钢板与石膏基自流平砂浆面板完全脱离，但未脱落。随着位移继续增大，推出试件因压型钢板屈曲严重而发生失稳破坏(图 3(d))。

2.2 试件TS-2

加载初期，试件整体工作性能较好。当荷载加载至10 kN时，螺钉连接处压型钢板与石膏基自流平砂浆之间产生缝隙，并随着荷载的增加而增大。当荷载加载至25 kN时，荷载-位移曲线出现下降段，螺钉连接位置处压型钢板发生屈曲(图 4(a))，压型钢板与石膏基自流平砂浆面板脱离，两者之间的组合效应失效(图 4(b))。随着加载进行，石膏基自流平砂浆面板逐步退出工作，推出试件的受力方式转向为仅压型钢板与冷弯型钢构件螺钉连接的受力情况，内力发生重分布，自攻螺钉抗剪，压型钢板承压，推出试件的承载力增加。当荷载加载至30 kN时，自攻螺钉发生倾斜现象(图 4(c))。当位移加载至13 mm时，压型钢板与石膏基自流平砂浆面板几乎全部脱离，推出试件因压型钢板屈曲严重而发生破坏(图 4(d))。

2.3 试件TS-3

荷载作用初期，荷载-位移曲线呈线性变化。当荷载加载至28 kN时，螺钉连接处石膏基自流平砂浆面板与压型钢板之间产生缝隙(图 5(a))，自攻螺钉发生倾斜现象(图 5(b))；随着荷载继续增加，压型钢板屈曲加剧。当荷载加载至32 kN时，石膏基自流平砂浆面板上部螺钉位置处突然开裂(图 5(c))。当位移加载至17 mm时，压型钢板与石膏基自流平砂浆面板几乎全部脱离，推出试件因压型钢板屈曲严重而发生破坏(图 5(d))。

2.4 试件TS-4

荷载作用初期，试件整体工作性能较好。当荷载加载至20 kN时，自攻螺钉连接处压型钢板与混凝土之间产生缝隙(图 6(a))，随着荷载继续增加，缝隙逐渐增大。当荷载加载至25 kN时，一侧混凝土面板与压型钢板组合效应失效，混凝土面板整体脱落，另一侧混凝土面板下部螺钉位置处开裂，最终试件发生失稳破坏(图 6(b))。

由4个推出试件的试验现象可知：

1) 石膏基自流平砂浆推出试件的破坏顺序为：螺钉位置处压型钢板与石膏基自流平砂浆面板脱离，发生局部粘结破坏→自攻螺钉倾斜、压型钢板屈曲→石膏基自流平砂浆面板开裂→推出试件破坏。推出试件破坏表现为组合板在螺钉位置处发生粘结破坏后，石膏基自流平砂浆面板退出工作，压型钢板因刚度较低而屈曲加剧，推出试件承载力降低。3个推出试件自攻螺钉连接处均发生倾斜。

2) 混凝土推出试件的破坏顺序为：自攻螺钉位置处混凝土面板与压型钢板脱离，出现局部粘结破坏→混凝土面板脱落→推出试件破坏。推出试件中组合板的破坏模式表现出较差的粘结性能。推出试件中自攻螺钉连接并未发生破坏。

3) 比较试件TS-1、TS-2和TS-3的试验现象可知，加入钢丝网和Z形抗剪件的组合板粘结性能较好，表现为推出试件未因石膏基自流平砂浆面板开裂而失稳破坏，压型钢板塑性变形发展较充分；其中，在组合板中设置Z形抗剪件比加入钢丝网能体现出更好的粘结性能，原因为推出试件TS-2中石膏基自流平砂浆面板较早地退出了工作，组合板过早发生局部粘结失效。在组合板中加入抗剪构造措施可提高压型钢板与石膏基自流平砂浆面板之间的粘结性能，避免石膏基自流平砂浆面板突然发生断裂，同时保证石膏基自流平砂浆面板在开裂后，还能为推出试件提供一定的承载能力，即便压型钢板与石膏基自流平砂浆面板完全脱离，石膏基自流平砂浆面板也不会脱落，不会危及生命安全。

4) 比较推出试件TS-1和TS-4可知，石膏基自流平砂浆组合板的粘结性能优于混凝土组合板，推出试件TS-4因混凝土面板脱落影响了自攻螺钉抗剪连接的充分发挥。建议在混凝土组合板中加入抗剪构造以提高组合板的粘结性能，进而提高推出试件的承载能力。

因此，为了保证推出试件具有较高的承载能力及抗剪刚度，以期螺钉连接破坏先于组合板的粘结破坏和压型钢板的失稳破坏，充分发挥自攻螺钉的抗剪性能，建议在组合板中加入钢丝网或Z形抗剪件等构造措施，增强推出试件的组合效应以及组合板的粘结性能。

3 螺钉连接静载推出试验结果分析 3.1 试验结果分析

图 7为4个推出试件的荷载-位移曲线。推出试件的弹性抗剪刚度参照欧洲规范ECCS^[12]的规定取荷载-位移曲线上升段0.4倍峰值荷载F_m处的割线刚度作为弹性刚度K_e，对应的弹性位移为Δ_e，表达式为

$ {{K}_{\text{e}}}=0.4{{F}_{\text{m}}}/{{\Delta }_{e}} $

(1)

推出试件的抗剪刚度K参照文献[13]取0.8倍峰值荷载F_m对应的位移Δ_0.8来进行计算，表达式为

$ K=0.8{{F}_{\text{m}}}/{{\Delta }_{0.8}} $

(2)

推出试件承载力、刚度计算结果以及单颗螺钉抗剪承载力值如表 4所示。表中单颗螺钉的抗剪承载力假定为推出试件的抗剪承载力平均分配到8个螺钉连接位置处。由图 7和表 4可知：

1) 推出试件的抗剪刚度略小于推出试件的弹性抗剪刚度，表明在组合板粘结失效之前，随着荷载的增加，推出试件的刚度退化并不显著。

2) 4个推出试件的抗剪刚度大小依次为：K_TS-4 > K_TS-2 > K_TS-3 > K_TS-1。对比试件TS-1和TS-4可知，混凝土推出试件的抗剪刚度远大于石膏基自流平砂浆推出试件的抗剪刚度，这与楼面板的材料性能有关。对比试件TS-1、TS-2和TS-3可知，在组合板中设置抗剪构造措施，可提高推出试件的抗剪刚度，即是提高螺钉连接的抗剪刚度，减小螺钉连接失效前的滑移。其中，在组合板中设置钢丝网对螺钉连接抗剪刚度的提高最为有效;

3) 对比4个推出试件的抗剪承载力结果可知，因混凝土面板脱落导致试件TS-4破坏，螺钉连接的抗剪性能并未得到体现，故单颗螺钉抗剪承载力最小。在组合板中设置抗剪构造措施，降低了推出试件的抗剪承载力，降低原因与石膏基自流平砂浆面板厚度较薄有关。其中，在组合板中设置钢丝网对减小螺钉连接的抗剪承载力影响最大。

3.2 试验结果与规范理论计算对比

《冷弯薄壁型钢结构设计规范》(GB 50018-2002)^[9]中计算自攻螺钉连接抗剪承载力的计算公式为

$ N_{\text{V}}^{\text{f}}=3.7\sqrt{{{t}^{3}}df}且N_{\text{V}}^{\text{f}}2.4tdf, \text{ }{{t}_{1}}/t=1 $

(3)

$ N_{\text{V}}^{\text{f}}=2.4tdf, \ {{t}_{1}}/t\ge 2.5 $

(4)

式中：N_V^f为自攻螺钉的抗剪承载力; d为自攻螺钉的直径; t为较薄板的厚度; t₁为较厚板的厚度; f为被连接钢板的抗拉强度，取材性试验中钢材的抗拉强度f_u。采用理论计算时，仅考虑冷弯型钢构件与压型钢板的厚度，忽略Z形抗剪件和钢夹片厚度以及钢丝网直径的影响。当1 < t₁/t < 2.5时，由N_V^f式(3)和(4)差值求得。

单颗自攻螺钉连接抗剪承载力理论计算结果与试验结果对比见表 4。由表可知：推出试件TS-2和TS-3中单颗自攻螺钉抗剪承载力规范理论计算结果与试验结果较为接近。推出试件TS-4中单颗自攻螺钉抗剪承载力试验结果小于规范理论计算结果，原因为混凝土与压型钢板之间的粘结破坏先于自攻螺钉连接破坏，导致推出试件中螺钉连接的抗剪性能并未充分发挥。推出试件TS-1试验结果与理论结果误差较大的原因为压型钢板不平整以及制作试件时产生的误差，导致推出试件下部组合板与冷弯型钢构件之间的摩擦力增大，从而推出试件单颗自攻螺钉的抗剪承载力变大。综上，采用冷弯规范计算推出试件中单颗螺钉连接抗剪承载力是较为合理的。

4 结论

1) 石膏基自流平砂浆推出试件在组合板发生粘结破坏后，石膏基自流平砂浆面板逐步退出工作，导致压型钢板屈曲加剧，最终破坏，自攻螺钉连接为倾斜破坏。混凝土推出试件在组合板发生粘结破坏后，混凝土面板脱落，试件破坏，自攻螺钉连接未发生破坏。

2) 在组合板中加入抗剪构造措施可提高压型钢板与石膏基自流平砂浆面板之间的粘结性能和推出试件的抗剪刚度，但会降低推出试件的抗剪承载力。建议在组合板中加入抗剪构造措施，以增强推出试件的组合效应和组合板的粘结性能，充分发挥自攻螺钉连接的抗剪性能，以期螺钉连接破坏先于组合板的粘结破坏和压型钢板的失稳破坏。

3) 采用冷弯薄壁型钢结构设计规范计算推出试件中单颗螺钉连接抗剪承载力是较为合理的。