高強(qiáng)螺栓作為橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)的性能分析

劉 燦 吳 波

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院1） 廣州 510650） （華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院2） 廣州 510640）

研究表明，采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓作為橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，能有效的提高梁的抗剪承載力和斜截面抗裂能力［1］，但目前高強(qiáng)螺栓主要在鋼結(jié)構(gòu)中使用，具體應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)螺栓的性能如何？本文對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓作為橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)和計(jì)算預(yù)拉力時(shí)的剪應(yīng)力影響系數(shù)進(jìn)行了探討.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在華南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，共設(shè)計(jì)了2個(gè)階梯形的構(gòu)件，編號(hào)L－6～L－7.橫向預(yù)應(yīng)力筋采用10.9級(jí)M18高強(qiáng)螺栓.橫向預(yù)應(yīng)力的施加采用后張法，先在梁內(nèi)部預(yù)留孔道，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后在孔道內(nèi)穿入10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓，孔道附近的梁上、下表面設(shè)有鋼墊板，圓形鋼墊板直徑為100mm、厚度為16mm，最終通過(guò)轉(zhuǎn)矩扳手?jǐn)Q緊螺母產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力.試件簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1～2，試件主要參數(shù)見(jiàn)表1.

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)矩扳手?jǐn)Q緊高強(qiáng)螺栓施加預(yù)拉力，對(duì)每個(gè)高強(qiáng)螺栓，把終擰轉(zhuǎn)矩390N·m 分成3級(jí)，逐級(jí)擰緊.轉(zhuǎn)矩扳手在廣東省計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行了標(biāo)定.

圖1 小試件L－6簡(jiǎn)圖（單位：mm）

圖2 大試件L－7簡(jiǎn)圖（單位：mm）

表1 試件主要參數(shù)

在每根高強(qiáng)螺栓的底部布置了振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)，用XP02型振弦式頻率讀數(shù)儀讀取鋼筋測(cè)力計(jì)讀數(shù)，可測(cè)到每根高強(qiáng)螺栓實(shí)際施加上去的預(yù)拉力.考慮到轉(zhuǎn)矩扳手在擰緊高強(qiáng)螺栓時(shí)，使高強(qiáng)螺栓不但受拉，而且受扭，所以在每根高強(qiáng)螺栓的中部粘貼了應(yīng)變花，量測(cè)高強(qiáng)螺栓的實(shí)際應(yīng)力情況，所有應(yīng)變數(shù)據(jù)都采用DH3816靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集.

2 采用高強(qiáng)螺栓作為橫向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，采用了10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓作為橫向預(yù)應(yīng)力筋，高強(qiáng)螺栓主要應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)中，為了加強(qiáng)工程質(zhì)量管理，國(guó)家對(duì)高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)有嚴(yán)格的驗(yàn)收規(guī)范.高強(qiáng)螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)的研究，對(duì)高強(qiáng)螺栓聯(lián)接件的制造檢驗(yàn)及工程質(zhì)量的控制具有實(shí)際意義［2－7］.

由于擰緊轉(zhuǎn)矩T 的作用，使螺紋聯(lián)接件與被聯(lián)接件之間產(chǎn)生預(yù)緊力F，若螺紋公稱直徑為d，則轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 為

K 值反映螺栓聯(lián)接副的施擰轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力的關(guān)系，K 值太大，則預(yù)緊力不能滿足工程要求；K 值太小，則導(dǎo)致整個(gè)聯(lián)接件過(guò)載變形或被拉斷.

試驗(yàn)中采用M18的10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓作為橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，各高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩－預(yù)拉力曲線見(jiàn)圖3～6.

各高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 可以根據(jù)施加的轉(zhuǎn)矩T 和施加上去的預(yù)拉力F 計(jì)算得到，各高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

圖3 大試件L－7短螺栓轉(zhuǎn)矩－預(yù)拉力曲線

圖4 小試件L－6短螺栓轉(zhuǎn)矩－預(yù)拉力曲線

圖5 大試件L－7長(zhǎng)螺栓轉(zhuǎn)矩－預(yù)拉力曲線

圖6 小試件L－6長(zhǎng)螺栓轉(zhuǎn)矩－預(yù)拉力曲線

表2 各高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)度為650 mm 的高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 平均值為0.407，長(zhǎng)度為850mm 的高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 平均值為0.432.而普通的高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 一般在0.1～0.2之間變動(dòng).很明顯，本實(shí)驗(yàn)測(cè)到的高強(qiáng)螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 比普通的情況要大，這主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)中采用的高強(qiáng)螺栓長(zhǎng)度比普通的高強(qiáng)螺栓要長(zhǎng)，高強(qiáng)螺栓的受力情況更為復(fù)雜，而且在混凝土結(jié)構(gòu)中使用，表面情況比鋼結(jié)構(gòu)要粗糙，預(yù)拉力更難施加上去.

另外，同樣是使用在混凝土結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)度為850mm 的高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 平均值高于長(zhǎng)度為650mm 的高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 平均值，進(jìn)一步說(shuō)明即使是同樣使用在混凝土結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)度對(duì)高強(qiáng)螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 的大小也是有影響的，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 越大.這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)度越長(zhǎng)的螺栓，受力情況越復(fù)雜，所以在施加同樣的轉(zhuǎn)矩的情況下，預(yù)拉力更難施加上去.

3 預(yù)拉力計(jì)算

文獻(xiàn)［8］中第7.2.2條的條文說(shuō)明中，給出了高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力的計(jì)算公式為

式中：fu為高強(qiáng)螺栓的最低抗拉強(qiáng)度；Ae為螺紋處的有效面積；第一個(gè)系數(shù)0.9是考慮螺栓材質(zhì)不均勻的折減系數(shù)；第二個(gè)系數(shù)0.9是考慮施工時(shí)一般會(huì)進(jìn)行超張拉的超張拉系數(shù)；第三個(gè)系數(shù)0.9是由于以螺栓的抗拉強(qiáng)度為準(zhǔn)引進(jìn)的附加安全系數(shù)；第四個(gè)系數(shù)1.2是由于擰緊螺栓時(shí)，除使螺栓產(chǎn)生拉應(yīng)力還使螺栓產(chǎn)生剪應(yīng)力，在正常施工條件下考慮的對(duì)應(yīng)力的影響系數(shù).

在上述公式中的第四個(gè)系數(shù)取為1.2是否合理，本文根據(jù)L－6和L－7的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析.考慮到轉(zhuǎn)矩扳手在擰緊高強(qiáng)螺栓時(shí)，除使螺栓產(chǎn)生拉應(yīng)力，還使螺栓產(chǎn)生剪應(yīng)力，所以試驗(yàn)時(shí)在每根高強(qiáng)螺栓的中部粘貼了應(yīng)變花，量測(cè)高強(qiáng)螺栓的實(shí)際應(yīng)力情況.對(duì)應(yīng)變花的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到各高強(qiáng)螺栓上實(shí)際的σ1，σ2和σ3，根據(jù)Mises 屈服準(zhǔn)則［9－10］，與剪應(yīng)力有關(guān)的強(qiáng)度條件應(yīng)為

而高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力計(jì)算公式中使用了單軸拉伸試驗(yàn)得到的fu，即使用的強(qiáng)度條件為：σ≤［σ］.

表3 實(shí)際應(yīng)考慮的剪應(yīng)力影響系數(shù)

由表3 可見(jiàn)，剪應(yīng)力的影響系數(shù)從1.01 到1.6不等，平均值為1.22，可見(jiàn)規(guī)范取此影響系數(shù)為1.2是基本可靠的.但考慮到采用擰緊螺母的方式施加預(yù)應(yīng)力，人為的影響因素較大，加力的均勻性有限，導(dǎo)致部分螺栓測(cè)到的影響系數(shù)為1.4～1.6，所以此影響系數(shù)建議偏于保守的取為1.3.建議在施工時(shí)，擰緊螺母要盡量保持加力的均勻性，這樣有利于高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力的施加.

4 結(jié) 論

1）在本文的試驗(yàn)中，把高強(qiáng)螺栓應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)中作為橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，實(shí)驗(yàn)測(cè)到的高強(qiáng)螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 比在鋼結(jié)構(gòu)中使用的普通高強(qiáng)螺栓要大，這主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)中采用的高強(qiáng)螺栓長(zhǎng)度比普通的高強(qiáng)螺栓要長(zhǎng)，高強(qiáng)螺栓的受力情況更為復(fù)雜，而且在混凝土結(jié)構(gòu)中使用，表面情況比鋼結(jié)構(gòu)要粗糙，預(yù)拉力更難施加上去.

2）同樣是使用在混凝土結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)度為850 mm 的高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 平均值高于長(zhǎng)度為650mm 的高強(qiáng)螺栓的轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 平均值，進(jìn)一步說(shuō)明即使是同樣使用在混凝土結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)度對(duì)高強(qiáng)螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 的大小也是有影響的，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)K 越大.

3）采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓作為橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，扳手在擰緊螺栓時(shí)，除使螺栓產(chǎn)生拉應(yīng)力，還使螺栓產(chǎn)生剪應(yīng)力.在本文的試驗(yàn)中，通過(guò)在高強(qiáng)螺栓上粘貼應(yīng)變花的方式，測(cè)到了高強(qiáng)螺栓的實(shí)際應(yīng)力分布，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力計(jì)算公式中的剪應(yīng)力影響系數(shù)進(jìn)行了改進(jìn).建議在施工時(shí)，擰緊螺母要盡量保持加力的均勻性，這樣有利于高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力的施加.

［1］吳 波，劉 燦.橫向預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗剪性能試驗(yàn)研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2007，27（2）：58－62.

［2］宋明志.摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接件抗滑移系數(shù)試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2009，39（12）：102－104.

［3］胡匡璋.徐浦大橋高強(qiáng)螺栓連接質(zhì)量保證［J］.鋼結(jié)構(gòu)，1999，14（3）：45－47.

［4］王 彥.哈爾濱松花江料拉橋鋼梁安裝高強(qiáng)度螺栓施工工藝簡(jiǎn)介［J］.黑龍江交通科技，2004（9）：46－47.

［5］解 偉，忽惠卿，劉振波.摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接可靠度的研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25（3）：23－25.

［6］唐益群，葉為民.土木工程測(cè)試技術(shù)手冊(cè)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

［7］周煥廷，馮鄭紅.高強(qiáng)螺栓連接的極限承載能力研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（9）：49－51.

［8］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50017－2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2003.

［9］王 仁.塑性力學(xué)引論［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1992.

［10］季 明.幾種屈服準(zhǔn)則的屈服應(yīng)力的比較分析［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2006，13（5）：14－15.