李國強(qiáng)，張杰華，蔣蘊(yùn)涵，陳 琛，張 龍，許炎斌

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092; 3.同濟(jì)大學(xué) 國家土建結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化工程技術(shù)研究中心，上海 200092)

0引 言

常規(guī)螺栓緊固件一般由螺母、螺桿組成，安裝時需要在一側(cè)夾緊螺母或螺栓頭，從另一側(cè)用扳手?jǐn)Q緊螺栓頭或螺母。通常安裝人員能夠接觸到被緊固物體的兩側(cè)，但對于特殊應(yīng)用場合，比如封閉的管狀結(jié)構(gòu)或一端不易觸及的結(jié)構(gòu)，普通螺栓的使用受到很大限制。以鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)為例，對于H形梁與H形柱之間的端板連接，由于H形梁與H形柱都是開口截面，因此常規(guī)螺栓可以使用；如果將開口的H形柱換成矩形鋼管柱，由于后者是閉口的封閉截面，此時常規(guī)的高強(qiáng)螺栓無法使用。因此，對于采用封閉截面的構(gòu)件連接提出了新的要求，需要一種能夠從封閉截面鋼構(gòu)件外側(cè)完成連接的螺栓，即單向螺栓。

鋼結(jié)構(gòu)用單向螺栓的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代，Horne等[1]改進(jìn)高強(qiáng)螺栓的頭部或尾部構(gòu)造成為單向螺栓，用于方鋼管或者圓鋼管的連接。國外使用的螺栓和鉚釘已由原來需要在被緊固的板材2個方向同時工作，改為只需要從板材的一個方向進(jìn)行緊固。這種改進(jìn)不但大大加快了施工進(jìn)度，而且在很多工程結(jié)構(gòu)施工中解決了本來無法進(jìn)行或者要采用特殊手段才能雙面進(jìn)行的緊固作業(yè)。因此，大幅節(jié)省了建設(shè)資金，也保證了工程質(zhì)量和安全施工。從1994年開始，一些國家陸續(xù)開發(fā)出幾類較成熟的單向螺栓產(chǎn)品，例如英國Lindapter International公司的Hollo-Bolt以及根據(jù)Hollo-Bolt改進(jìn)而成的RMH螺栓[2-3]和EHB螺栓[4-5]、英國Advanced Bolting Solutions公司的Molabolt螺栓、英國Blind Bolt公司的Blind Bolt螺栓、美國LNA Solutions公司的BoxBolt、Huck International公司的BOM，HSBB[6]和Ultra-Twist螺栓、澳大利亞Ajax Engineered Fasteners公司的ONESIDE Fastener螺栓、荷蘭Flowdrill B V公司的Flowdrill技術(shù)等。另一方面，國內(nèi)外也有學(xué)者進(jìn)行了單向螺栓連接及節(jié)點(diǎn)受力性能研究[7-14]。

單向螺栓具有很多的應(yīng)用場景，工字梁與方鋼管柱之間的單向螺栓連接保證了節(jié)點(diǎn)安裝高效快捷；方鋼管柱間的單向螺栓連接解決了傳統(tǒng)法蘭連接使柱截面突出的缺點(diǎn)，形成的節(jié)點(diǎn)外形美觀，承載性能優(yōu)越；管狀結(jié)構(gòu)與管狀結(jié)構(gòu)間的單向螺栓連接解決了普通螺栓無法連接的問題。

鑒于中國以前沒有國產(chǎn)單向螺栓產(chǎn)品，進(jìn)口國外的單向螺栓價格較高，本文研制開發(fā)出8.8級自鎖式單向螺栓STUCK-BOM(包括SB16和SB20各3種型號)，為了給國產(chǎn)單向螺栓在實(shí)際連接節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)，本文對單個國產(chǎn)單向螺栓進(jìn)行力學(xué)性能研究，通過單向拉伸和單向剪切試驗(yàn)分別獲得了單向螺栓在拉力和剪力作用下的荷載-位移曲線，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得單向螺栓的抗拉極限強(qiáng)度、抗剪極限強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)，明確單向螺栓在拉力或剪力下的破壞模式和破壞機(jī)理，為此類單向螺栓在工程上的設(shè)計使用提供依據(jù)。

1國產(chǎn)單向螺栓

國產(chǎn)自鎖式8.8級單向螺栓(圖1)主要由5個部件組成：金屬墊圈、橡膠墊圈、套筒、錐頭和螺桿。螺桿為8.8級標(biāo)準(zhǔn)普通高強(qiáng)螺栓，套筒采用標(biāo)準(zhǔn)Q345鋼制成，套筒內(nèi)側(cè)光滑，開有4條縫，套在螺桿上；錐頭內(nèi)側(cè)有螺紋，與螺桿旋緊，卡住套筒。將金屬墊圈、橡膠墊圈、套筒、錐頭依次套在螺桿上，單向螺栓即可成型。

使用時，將螺栓放入螺孔后，先用一個扳手固定住金屬墊圈，再用扭矩扳手在六角螺桿頭部進(jìn)行擰緊，利用橡膠墊圈的摩擦鎖緊套筒，套筒卡緊錐頭使錐頭不能轉(zhuǎn)動，旋緊時錐頭逐漸將套筒撐開，卡住連接部件(圖2)。因此，這種單向螺栓克服了普通高強(qiáng)螺栓不能直接用于鋼管等閉合截面的缺點(diǎn)，具有單邊擰緊、施工快捷的優(yōu)點(diǎn)。

本文研究的國產(chǎn)自鎖式單向螺栓有6種型號(表1)，螺栓等級全部為8.8級，表1中尺寸表示的是單向螺栓中螺桿的尺寸，另外由于橡膠墊圈的關(guān)系，靠近螺栓頭的鋼板厚度不得小于8 mm。

表1單向螺栓型號Tab.1Types of One-side Bolts

2試驗(yàn)方案

2.1抗拉試驗(yàn)輔助裝置

單向拉伸試驗(yàn)輔助裝置如圖3所示，其中h為單塊輔助構(gòu)件的連接板板厚，隨不同的試驗(yàn)組別而改變?？估囼?yàn)輔助裝置如圖4所示。材料均采用Q345鋼材，一個試件由4塊鋼材焊接而成，一組試驗(yàn)有2個試件，經(jīng)驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度、鋼板強(qiáng)度與剛度均滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)時利用單向螺栓將2塊輔助構(gòu)件牢固拼接在一起，然后安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)。

2.2抗剪試驗(yàn)輔助裝置

抗剪試驗(yàn)輔助裝置如圖5，6所示(鋼材厚度b為單塊輔助構(gòu)件的連接板板厚，隨不同試驗(yàn)組別而改變)，材料均采用Q345鋼材，1個試件由2塊鋼材焊接而成，1組試驗(yàn)有2個試件，經(jīng)驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度、鋼板強(qiáng)度與剛度均滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)時利用單向螺栓將2塊輔助構(gòu)件牢固拼接在一起，然后安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。

2.3試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的主要設(shè)備包括新三思(SANS)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(圖7)和SHT4206電液式萬能試驗(yàn)機(jī)(單剪試驗(yàn)中2塊連接板板厚之和大于40 mm的采用后者，其余采用前者)、扭矩扳手、電動扳手等。

2.4抗拉與抗剪試件

根據(jù)不同型號單向螺栓的適用板厚范圍，選取2種和3種板厚組合，合理覆蓋了其適用范圍，拉伸試驗(yàn)試件見表2，剪切試驗(yàn)試件見表3，每種測試3個試件。

表2抗拉試驗(yàn)試件Tab.2Specimens of Tensile Tests

3拉伸試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

使用扭矩扳手將單向螺栓牢固連接于2塊輔助試件上(SB16型單向螺栓安裝扭矩為300 kN·m，SB20型單向螺栓安裝扭矩為400 kN·m)，即可安裝于萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。按照設(shè)定的扭矩值，通過扭矩扳手?jǐn)Q緊單向螺栓，即對單向螺栓施加了預(yù)緊力。單向螺栓的工作原理可認(rèn)為類似于高強(qiáng)螺栓的工作原理。

表3抗剪試驗(yàn)試件Tab.3Specimens of Shear Tests

部分試件破壞記錄與結(jié)果見圖8～11，其中，荷載-位移曲線表示的是試驗(yàn)機(jī)施加的荷載與2塊被連接鋼板在試驗(yàn)中被拉開的距離的關(guān)系。拉伸試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果列于表4。

4剪切試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

部分試件破壞記錄與結(jié)果見圖12～15，其中，荷載-位移曲線表示的是試驗(yàn)機(jī)施加的荷載與2塊被連接鋼板端部在試驗(yàn)中被拉開的距離的關(guān)系。剪切試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果列于表5。

5試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

5.1拉伸試驗(yàn)

在單向拉伸試驗(yàn)中，對于小型號的單向螺栓(SB16-1和SB20-1)，大部分由于連接鋼板變形過大，螺栓孔變形，撐開的套筒被壓回和最終單向螺栓被拔出而失效，SB16-1的抗拉極限承載力在140 kN左右，SB20-1的抗拉極限承載力在170 kN左右；對于其他型號的單向螺栓，破壞模式均為螺桿被拉斷，受力模式為靠近螺栓頭部的鋼板把力傳到鋼墊圈上進(jìn)而傳到螺桿上，靠近錐頭的鋼板通過套筒把力傳到錐頭和螺桿上，因此套筒只受到來自鋼板和錐頭的擠壓力，全部拉力均由螺桿承擔(dān)。由此可知，除SB16-1和SB20-1以外的單向螺栓，其理論抗拉極限承載力即為8.8級螺栓的抗拉極限承載力。

表4拉伸試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果Tab.4Phenomenons and Results of Tensile Tests

表5剪切試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果Tab.5Phenomenons and Results of Shear Tests

SB16-2和SB16-3理論抗拉極限承載力Fmax=σsAe=125.33 kN，其中σs為螺桿的抗拉強(qiáng)度，Ae為螺栓的有效面積。SB20-2和SB20-3的理論抗拉極限承載力為195.74 kN。

在本次試驗(yàn)中，SB16-2和SB16-3的抗拉極限承載力為140 kN，SB20-2和SB20-3的抗拉極限承載力為210 kN。

單向螺栓破壞模式和現(xiàn)有承壓型連接的高強(qiáng)螺栓破壞模式相同，均為螺桿拉斷導(dǎo)致連接失效，故可知單向螺栓抗拉承載力的理論值和高強(qiáng)螺栓承壓型連接的抗拉承載力理論值相同。由以上分析可知，除個別情況以外，單向螺栓抗拉承載力的試驗(yàn)值均高于理論值，單向螺栓抗拉承載力和同等級的承壓型高強(qiáng)螺栓相當(dāng)。

對于小型號的單向螺栓(SB16-1和SB20-1)，由于連接鋼板較薄，連接板厚度對試驗(yàn)測得的剛度影響較大，初始剛度隨板厚增大而逐漸增大，但另一方面，由于短單向螺栓與長單向螺栓受力原理基本一致，SB16-1和SB20-1可取其對應(yīng)的長螺栓測得的初始剛度。對于其他型號的單向螺栓，鋼板厚度的影響基本可以忽略，試驗(yàn)中測得的初始拉伸剛度可以認(rèn)為是國產(chǎn)自鎖式單向螺栓的初始拉伸剛度，SB16初始拉伸剛度約為110 kN·mm-1，SB20初始拉伸剛度約為90 kN·mm-1。

5.2剪切試驗(yàn)

對于小型號的單向螺栓(SB16-1和SB20-1)，試驗(yàn)期間隨著荷載增大，被連接鋼板逐漸彎曲變形，使單向螺栓從純受剪作用轉(zhuǎn)向拉剪共同作用，由于從鋼板傳遞的力由套筒式螺桿同時承擔(dān)，而鋼板的彎曲變形使只承擔(dān)剪力的套筒受力占比逐漸減少，同時承擔(dān)剪力和拉力的螺桿受力占比逐漸增加，最終因螺桿拉剪破壞而失效，套筒和鋼板均有較大變形，SB16-1的抗剪極限承載力為190 kN左右，SB20-1的抗剪極限承載力為300 kN左右。對于其他型號的單向螺栓，由于其適用板厚較厚，被連接的鋼板變形較小甚至幾乎無變形，可以認(rèn)為單向螺栓受純剪作用，隨著荷載增大，荷載-位移曲線發(fā)展正常，最終由于套筒和螺桿同時被剪斷而失效，其抗剪承載力為套筒的抗剪承載力和螺桿的抗剪承載力之和。

SB16理論抗剪極限承載力為Vmax=τsAs=174.70 kN，其中τs為單向螺栓的抗剪強(qiáng)度(包括螺桿和套筒)，As為單向螺栓的截面積(包括螺桿和套筒)。SB20理論抗剪極限承載力為287.78 kN。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，SB16單向螺栓抗剪極限承載力為190 kN左右，SB20單向螺栓抗剪極限承載力為300 kN左右，試驗(yàn)值與理論值吻合較好。

另外，普通8.8級M16螺栓的極限抗剪承載力為87.92 kN，普通8.8級M20螺栓的極限抗剪承載力為137.21 kN。

由于單向螺栓中套筒和螺桿共同受剪，單向螺栓的抗剪承載力相較于普通螺栓有較大提高。

初始剪切剛度與初始拉伸剛度類似，薄鋼板連接受鋼板連接影響較大，以厚鋼板試驗(yàn)所測得的剛度為準(zhǔn)，SB16初始剪切剛度約為80 kN·mm-1，SB20初始剪切剛度約為80 kN·mm-1。

5.3設(shè)計承載力建議

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)[15]對高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)度設(shè)計值的取用方法，選取48%抗拉極限承載力為8.8級單向螺栓的抗拉設(shè)計承載力，取30%抗剪極限承載力為8.8級單向螺栓的抗剪設(shè)計承載力。

鋼結(jié)構(gòu)用國產(chǎn)自鎖式8.8級單向螺栓的拉剪極限承載力與建議設(shè)計承載力如表6所示。

表6自鎖式8.8級單向螺栓的承載力極限值與建議設(shè)計值Tab.6Ultimate Values of Bearing Capacity and Proposed Design Values of Class 8.8 Self-lock One-side Bolt

對比英國Hollo-Bolt同尺寸產(chǎn)品(表7)可以發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)用國產(chǎn)自鎖式8.8級單向螺栓的性能更好，但本文對設(shè)計承載力安全系數(shù)取值更大，相比英國產(chǎn)品更為安全。

表7英國Hollo-Bolt承載力Tab.7Bearing Capacity of British Hollo-Bolt

6結(jié)語

(1)單向螺栓克服了普通高強(qiáng)螺栓不能直接用于鋼管等閉合截面的缺點(diǎn)，具有單邊擰緊、施工快捷的優(yōu)點(diǎn)，有良好的工程應(yīng)用前景。

(2)依據(jù)抗拉試驗(yàn)結(jié)果，SB16單向螺栓的抗拉極限承載力為140 kN，SB20-1的抗拉極限承載力為170 kN，SB20-2和SB20-3的抗拉極限承載力為210 kN。

(3)根據(jù)抗剪試驗(yàn)結(jié)果，SB16的單向螺栓的抗剪極限承載力為190 kN，SB20的單向螺栓的抗剪極限承載力為300 kN。

(4)單向螺栓抗剪承載力相較于同等級普通螺栓有較大的提高。本文的國產(chǎn)自鎖式單向螺栓抗拉抗剪性能良好，能夠滿足一般工程應(yīng)用需要。

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